我国先进铜基材料发展战略研究_米绪军.pdf
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1、我国先进铜基材料发展战略研究DOI 10.15302/J-SSCAE-2023.01.006我国先进铜基材料发展战略研究米绪军 1,2,娄花芬 3,4,解浩峰 1,2,莫永达 4,张文婧 1,2,向朝建 4(1.中国有研科技集团有限公司有色金属材料制备加工国家重点实验室,北京 100088;2.有研工程技术研究院有限公司,北京 101407;3.中铝科学技术研究院有限公司,北京 102209;4.中国铜业工程技术研究院,北京 102209)摘要:铜及铜基材料以其优异的力学、功能和工艺综合性能而广泛应用于电力电子、汽车、机械制造以及航空、航天、通信、集成电路等高技术制造领域。我国是世界上最大的铜
2、材生产国和消费国,广阔的应用市场使先进铜基材料拥有良好发展前景。本文在综述铜加工行业宏观环境和发展概况的基础上,分析了我国铜基材料发展取得的成绩和不足,深层次剖析了我国铜加工产业“大而不强”的原因,重点梳理了我国高强导电铜合金材料、高性能电子铜箔、耐蚀铜合金、耐磨铜合金、铜基热管理材料、特殊用途铜材和新能源用铜材的发展现状、存在问题及未来发展趋势。面向重大应用需求布局前沿方向,推动我国先进铜基材料的进一步发展,研究提出了形成有效的“产学研用”互动机制,建立国家铜基材料产业和技术发展协调平台等发展建议。关键词:先进铜基材料;功能特性;高技术制造;铜加工行业中图分类号:TG146.1 文献标识码:
3、ADevelopment Strategy for Advanced Copper-Based Materials in ChinaMi Xujun 1,2,Lou Huafen 3,4,Xie Haofeng 1,2,Mo Yongda 4,Zhang Wenjing 1,2,Xiang Chaojian 4(1.State Key Laboratory of Nonferrous Metals and Processes,China GRINM Group Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.GRIMAT Engineering Institute Co.,Lt
4、d.,Beijing 101407,China;3.Chinalco Research Institute of Science and Technology Co.,Ltd.,Beijing 102209,China;4.China Copper Institute of Engineering and Technology,Beijing 102209,China)Abstract:Copper and copper-based materials are widely applied to power electronics,automobile,and mechanical manuf
5、acturing as well as to high-tech manufacturing fields such as aeronautics,astronautics,telecommunications,and integrated circuits owing to their comprehensive advantages in mechanical,functional,and processing properties.As China is the greatest producer and consumer of milled copper products in the
6、 world,advanced copper-based materials are envisioned with a bright prospect in China owing to a vast Chinese market.Starting from a general description of the macrostructure and status quo of Chinas copper milling industry,the strengths and weaknesses of material-related development are analyzed.Th
7、e development status,existing problems,and future development trend of high-strength conductive copper alloy,high-performance electronic copper foils,wear-and corrosion-resistant copper alloys,copper-based thermal management materials,and copper materials for special purposes and new energy in China
8、 are emphatically reviewed.Development ideas and suggestions are proposed including laying out frontier directions for major application needs,forming an effective interaction mechanism among production,education,research,and application,and establishing a national 收稿日期:2022-12-02;修回日期:2022-12-16通讯作
9、者:米绪军,中国有研科技集团有限公司有色金属材料制备加工国家重点实验室教授级高级工程师,研究方向为先进铜基材料;E-mail:资助项目:中国工程院咨询项目“我国先进有色金属材料发展战略研究”(2022-XZ-20)本刊网址: 2023 年 第 25 卷 第 1 期industrial and technological development coordination platform for copper-based materials.Keywords:advanced copper-based materials;functional characteristic;high-tech m
10、anufacturing;copper milling industry一、前言铜是人类最早使用的金属之一,铜基材料(紫铜、铜合金、铜基复合材料)以其优异的导电导热性能,良好的机械性能、耐蚀性能以及高延展成形性能成为关系现代工业发展和国计民生的重要大宗基础原材料1。先进铜基材料指区别于一般纯铜材料,普通黄铜、白铜和青铜等传统金属合金,具有更高强度、导电性、导热性、弹性、耐蚀性、易切削性或综合性能优异的铜基材料,主要包括高强高导铜合金、耐蚀铜合金、耐磨铜合金、超高强弹性铜合金、高性能电子铜箔、铜基热管理材料、特殊用途铜材和新能源用铜材等。先进铜基材料作为一种量大面广的关键基础材料被广泛应用于电子
11、信息、航空、航天、能源电力、交通运输、医药化工、海洋工程等领域,对国际科技竞争和经济格局具有重大影响。其中,高强高导铜合金引线框架和接插件材料是新一代超大规模集成电路和电子元器件制造不可或缺的关键材料,高性能超薄铜箔是下一代高性能动力电池竞争的关键材料之一,高强耐蚀铜合金的材料性能和大尺寸管材制造水平直接影响到海洋装备的服役性能26。同时,先进铜基材料以其多种功能特性成为国际科技领域高度关注的前沿材料。例如,铜在生物学、医疗卫生领域的作用机理是一个重要的研究热点,发现了“铜依赖性细胞死亡”这种新的细胞死亡方式7;在电子、半导体行业,研究得出了平坦表面铜薄膜的半永久抗氧化性8;中国科学院金属研究
12、所首次发现极细晶粒多晶铜中的一种全新亚稳态结构,可维持金属的高温强度9;中国科学院物理研究所发现了一种新型铜基高温超导材料,其临界温度高达118 K10;中国科学院化学研究所首次成功制备了一维铜(II)分子磁体,其磁有序温度为6.7 K11。基于先进铜基材料对国民经济和高技术发展不可替代的作用,美国、日本、德国等工业发达国家都在这一领域保持了最强的国际科技水平和经济竞争力。我国是世界上最大的铜材生产国和消费国,但在研发体系布局、整体科技实力、新材料自主设计和应用水平、资源和装备保障能力等方面还与西方发达国家存在较大的差距。开发先进铜基材料及其制备加工新技术对促进我国战略性新兴产业发展、推动我国
13、由材料大国向材料强国迈进起着重要的支撑作用。本文在分析先进铜基材料国际国内发展现状和趋势的基础上,总结我国铜基材料发展取得的成绩和不足,研究提出我国先进铜基材料的未来发展思路和对策建议。二、先进铜基材料的国际发展现状与趋势先进铜基材料全球主要研发和生产国包括美国、德国、日本、中国等。其中,以美国为代表的北美地区已完成了主要铜材的产业化阶段,具有完备的研发、生产和储备体系,目前全球用量较大的先进铜合金材料产品均由美国企业始创。北美地区目前的主要研究机构包括美国环球金属制品有限公司、美国万腾荣公司(Materion)、美国菲斯克合金公司(Fisk Alloy)、美国亚利桑那大学、加拿大不列颠哥伦比
14、亚大学(UBC)、国际铜业协会(ICA)等。美国工业界已将铜基材料的研发重点转移至生物科技、医疗卫生、新能源汽车等领域。例如,国际铜业协会在美国国家环境保护局登记注册的抑菌铜材料,能满足不同用户对公共接触表面抑菌性的需求12;美国高盛公司将铜称为“全球走向净零排放道路上最关键的原材料”,可在电动汽车、风力涡轮机、太阳能发电等领域获得广泛应用。以德国为代表的欧洲国家也是全球先进铜基材料的主要研发力量,形成了以企业为创新主体的研发体系。德国维兰德公司(Wieland-Werke AG)是世界著名的铜及铜合金专业研发和生产企业,该公司通过自主创新以及与大学、研究所合作不断研究新型铜合金材料、产品和工
15、艺,同时洞悉客户当前和未来的需求,提供系统性的解决方案。近年来,该公司的研发重点开始向气候变化、数字化和资源高效利用等方向转变。德国凯美欧洲金属公司(KM Europa Metal)是世界上最大的铜和铜合金产品制造商之一,产品几乎囊括了全部铜加工材品种,已有200年历史,拥有全球分销网络。该公司097我国先进铜基材料发展战略研究以来自不同工业领域客户的个性化需求为牵引,提供创新的产品解决方案,如其生产的铜镍合金管材占据了全球主要军用船舶海水管路系统的大部分市场,至今难以替代。该公司未来材料的研发重点在于铜材的处理与回收、新型冶金与铸造技术、加工新技术、新材料、表面处理和应用工程。欧洲其他主要研
16、究机构包括德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会(Fraunhofer)、芬兰阿尔托大学(Aalto University)、法国国立巴黎高等矿业学院(Mines)等。日本的先进铜基材料以企业为创新研发主体,引导世界铜加工向精细方向发展,在铜合金引线框架等高精带材研发和生产领域处于世界领先水平。以日本神户制钢所为例,该公司自主研发的材料包括著名的KLF、CAC、KFC系列引线框架铜合金,这些材料制品至今仍然是我国铜加工企业跟踪仿制的主体。目前,日本的先进铜合金材料向高性能、高附加值方向发展,主要的研发机构有日本神户制钢所、JX金属株式会社(原日矿)、古河电气工业株式会社、住友金属工业公司、三井金属集团
17、、同和控股集团、日本伸铜株式会社、三菱金属、日本永木精械株式会社、日本东北大学、日本采矿和材料加工研究所(MMIJ)等。三、我国先进铜基材料的发展现状和存在的问题2021年,我国铜材产量为1.99107 t,占全球铜材总产量的62%,连续18年蝉联世界最大的铜材生产国和消费国,行业主营业务收入超万亿元。“十三五”以来,我国铜加工行业的产品结构实现持续优化,图1为我国铜加工材的消费情况13,电力行业仍是铜消费量最大的行业;电子通信行业作为新兴产业,包括广播通信、电视、电子计算机、雷达、电子元器件等行业,均使用大量精细的铜、铜合金及加工材,耗铜量占比15.15%;日用消费品耗铜量占比15.35%;
18、机械制造业耗铜量占比10.37%;交通运输业年均耗铜量占全国铜消费量的8.33%左右,尤以汽车工业最为突出,我国汽车产量增长速度很快,耗铜量也相对增加,铁路、船舶、航空等也是耗铜量较大的部门;建筑用水管、装饰材料、结构材料等年均耗铜量占我国铜消费量的3.26%,远低于美国和日本的水平,这也是我国尚属于发展中国家的表现之一。随着我国经济、社会不断发展,铜、铜合金与复合材料、铜化合物也广泛用于农牧业、生命健康等领域。我国虽然是铜加工和消费大国,但在先进铜基材料的研发体系布局、整体科技实力、新材料自主设计和应用水平、资源和装备保障能力等方面还与西方发达国家存在较大差距。(一)产业发展现状我国铜加工产
19、业基本实现全球化整体布局,主要集中在长江三角洲(简称长三角)和珠江三角洲(简称珠三角)地区,重点企业集中分布在江苏、浙江、广东等核心区域;海外实现了在东南亚、欧洲和美洲等地区的多点布局,以重点企业为排头兵,通过新建、并购等方式完成产业布局“走出去”。铜加工装备达到国际化水平,且进入了以国产装备为主、进口装备为辅的现代化铜加工发展序列,已成为全球主流工艺与先进装备并存的国际铜加工制造中心。我国铜加工产业已呈现出集群化发展的态势。从产业集群区域来看,主要包括长三角地区(宁波金田铜业(集团)股份有限公司、浙江海亮股份有限公司、宁波兴业盛泰集团有限公司、宁波博威合金材料股份有限公司、宁波长振铜业有限公
20、司),华东地区(安徽楚江科技新材料股份有限公司、安徽鑫科新材料股份有限公司、铜陵有色金属集团股份有限公司、山东天圆铜业有限公司、中色奥博特铜铝业有限公司),中原地区(中铝洛阳铜业有限公司、山西春雷铜材有限责任公司、金龙精密铜管图1我国铜加工材消费情况098中国工程科学 2023 年 第 25 卷 第 1 期集团股份有限公司、灵宝金源朝辉铜业有限公司)以及华中地区(中铜华中铜业有限公司、江西铜业集团有限公司、江西金品铜业科技有限公司、大冶有色金属集团控股有限公司)等。按省份统计,我国产量前五名的铜加工材大省分别为江西、江苏、浙江、广东和安徽,2020年五省产量合计约为1.5107 t,占全国总产
21、量75%以上14。我国主要的铜材集散地包括江西鹰潭,浙江宁波、绍兴,安徽铜陵、芜湖,广东佛山、清远,江西抚州、上饶,山东东营、聊城,河南洛阳、新乡,湖北黄石,重庆等,产业集群化发展呈现良好势头。我国铜基材料创新力量主体由高校、科研院所和部分高新技术企业组成。涉铜高校、科研院所主要包括有研工程技术研究院有限公司、中南大学、北京科技大学、江西理工大学、河南科技大学、大连理工大学、昆明理工大学、上海大学等。先进铜合金材料领域的骨干企业主要包括中铝洛阳铜加工有限公司、宁波金田铜业(集团)股份有限公司、浙江海亮股份有限公司、金龙精密铜管集团股份有限公司、安徽楚江科技新材料股份有限公司、江西铜业集团有限公
22、司、铜陵有色金属集团股份有限公司、铜陵精达特种电磁线股份有限公司、宁波兴业盛泰集团有限公司、宁波博威合金材料股份有限公司、浙江力博控股集团有限公司、中国有色矿业集团有限公司等,这些企业不仅在国内有广阔的产业布局,部分头部企业同时开展了全球化布局,先进铜基材料产业已进入北美、欧洲、东南亚和日韩市场。(二)技术发展现状改革开放以来,经过多年的发展,我国铜冶金、加工行业取得长足进步,工业产品几乎囊括了当前国际范围内的全部材料体系。“十三五”以来,我国新一代铜基新材料的研发取得较大突破,其中的典型代表有铜铬锆、铜镍钴硅、铜镍锡、铜铁、铜钛、铜碳(金刚石、石墨烯、石墨等)等合金或复合材料体系。部分铜材产
23、品和技术已开始由跟踪仿制向自主研发转变,形成了一定的科技产业优势。我国铜管、铜板带等主力品种铜材以其价廉物美的优势已抢占世界市场,冷凝器(换热)铜管随着我国家电产业的发展迅速占领全球市场,连续10余年实现净出口;4.5 m以上锂电电解铜箔已具备全球最大产能和产量,2021年产量达2.55105 t,增幅达82.1%;铜基散热材料如金刚石铜、钼铜等处于国际先进水平,逐步满足了我国电子封装领域的应用需求;高强高导铜合金、超高导热铜基复合材料、超高纯铜等部分铜基新材料性能指标达到国际先进水平,基本满足了我国高新技术工程的发展对高性能铜基新材料的急迫需求。随着我国铜加工行业综合实力不断提升,部分头部企
24、业在稳定中端市场、积极参与高端市场竞争的基础上,开始注重科技创新、智能制造和绿色发展。铜加工细分行业龙头企业积极联合国内科研机构开展新材料攻关工作,相继突破了高性能真空开关铜铬触头材料、高强韧耐磨铝青铜合金、铜基双金属复合材料、高速铁路用高强高导接触网导线等新材料产品以及高强高导铜合金关键制备加工技术、高性能铜合金连铸凝固过程电磁调控技术、铜管高效短流程技术和铜材连续挤压制造技术,产品技术不仅服务于我国电力、船舶等行业领域,还实现了高端新材料产品的出口,相关成果获得国家科技成果奖励;针对我国高速铁路全球领先的技术特点,相继开发了多种铜基粉末冶金制动闸片和电气化铁路接触线产品,为我国高速铁路动车
25、组不断提速提供了有利保障;国内优势企业和科研院所形成联合攻关团队,摆脱了国外知识产权壁垒限制,开发出具有自主知识产权的高性能高精度铜合金带材、高性能电解铜箔和超薄压延铜箔等高端产品,满足了我国电子信息行业在第五代移动通信(5G)、锂电、集成电路、芯片等领域的应用需求;铜加工行业绿色制造和智能制造模式正在形成,部分龙头企业智能制造示范生产线初具雏形,生产效率进一步提升,为行业高质量发展注入了新活力。(三)差距与不足1.市场优势并没有带来技术经济竞争优势,产业链缺乏国际主导权我国铜加工行业已从基本实现自给自足发展到产能严重过剩的产业环境当中,面临产业链“两头受挤”的经营局面,全行业平均产能利用率仅
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