图①全球独一无二的铜铝复合坯料水平连铸生产线。
图②铜铝复合排卷料正在通过履带式联合拉拔机进行定尺拉拔。
图③孚信达公司员工正在为断路器产品配套的铜铝复合排进行最后的外观检查。
图④技术人员通过显微镜观察铜铝复合界面情况。
在电力行业“以铝节铜”的应用中，我国铜铝复合材料的技术创新不断取得重大突破，不仅荣获国家技术发明二等奖，提出的“铜铝复合导电扁排标准”也于近期获得了国际组织认可，成为有色金属材料领域唯一的国际标准。
全球首创实现大规模生产
铜铝复合材料是近年来在电力和工业电器行业发展起来的一种新型层状复合材料，是一类高性能的复合导体。铜铝复合材料主要由铝芯和铜包覆层组成，兼有铜的导电性能优异、耐腐蚀性能好以及铝的成本低、重量轻等特点。在用作高频导线、大电流导电排等用途时，其导电性能几乎与纯铜导体相同。
虽然材料优势明显，但是国际上缺乏大规模生产的办法。为了攻破铜铝复合材料的技术难关，2008年，北京科技大学新金属材料国家重点实验室与烟台孚信达双金属股份有限公司签订了铜包铝复合坯料连铸复合成形技术的专利使用许可协议，并开始了“水平连铸法生产铜铝复合导体材料”工艺技术及装备的研发。
“从北科大的实验室研究成果，到公司后续进行的中试和工业化研究，历时6年的创新研发，最终实现了如今的产业化规模生产。”孚信达双金属股份有限公司总经理王连忠介绍说，目前，公司形成的一套完备的铜铝水平连铸生产加工技术及全套高端复合金属材料生产加工设备，在整个行业里独一无二。截至2016年底，公司已经投入研发资金超过1.22亿元，实验次数达上千炉次。
2013年，是铜铝复合铸造产业化技术攻关最关键的一年。一方面，需要大量的资金投入，另一方面，双金属复合铸造过程冷却精确控制成为产品质量均匀性、一致性控制的重要瓶颈问题。“这个时候只能迎难而上，在与北京科技大学的专家一次又一次的论证，一次又一次的试验、攻关之后，终于突破了双金属复合铸造最核心的冷却控制问题。2013年底，高性能铜铝复合电力扁排系列产品开发与应用项目通过了国家鉴定，成为国内外首创技术。”王连忠告诉记者。
“我们的技术使得铜铝复合电力扁排得以大规模应用，破解了过去生产流程长、成材率较低、生产成本高、不能大批量生产的弊端。”中国工程院院士、北京科技大学教授谢建新告诉记者，过去在铜铝复合排生产上，只有欧洲的静液挤压法能生产出质量好、满足使用要求的产品，而其他技术产品质量达不到工业大规模应用的要求，且产品合格率很低。
记者在采访中得知，英国BRUKER公司的静液挤压法，只能实现铜铝复合材料的小批量生产，不能大规模工业化，且技术工艺复杂、成材率低、成本很高，产品一直仅用于高端市场，不能满足民用常规市场的巨大需求。谢建新院士透露，我国首创的铜铝复合材料连铸直接成形技术的工艺成本只是静液挤压法的一半，虽然两种方法的成材质量相当，但这项技术可以简化工艺、大幅降低成本，实现大规模生产。
突破产业转型升级瓶颈
考虑到资源安全和成本，以价格低、密度小的铝替代一部分铜，形成铜铝复合材料用作电力传输和工业电器导体材料，是如今国内外争相研究开发的热点。比如，欧洲之星列车电气系统上使用铜铝复合产品，用来降低列车的重量；20世纪90年代铜铝扁排还被用在世界上最大的高速渡轮上；近年来的低压成套开关柜里也使用铜铝复合扁排降低成本。
“铜资源在电力行业里的用量最大，因此开发铜铝复合导体材料，实现以铝节铜，就是节约铜资源的重要途径，也是国家中长期发展规划重点支持发展的新材料技术研究开发方向之一。”中国有色金属工业协会副会长文献军说。
近年来，由于需求旺盛，国内铜铝复合扁排的开发和应用逐渐受到重视。采用套管拉拔、铜管浇铝法生产的产品在一些电力领域也获得了少量应用，但由于套管拉拔等方法生产的产品界面结合强度较低，加工过程中易产生分离、鼓包现象，产品质量参差不齐，无法满足相关行业转型升级的要求。
如今，经过多年的研发创新，我国铜铝复合材料技术在电力行业的应用已初见成效。“高性能铜铝复合材料连铸直接成形技术是一种工艺流程短、自动化程度高、生产效率高的国际先进的铜铝复合材料制备工艺。”谢建新院士表示，与现有铜排相比，使用铜铝复合电力扁排可节约用铜量65%至80%左右，具有重量轻、方便运输和安装、节约铜资源、成本低、导电性能高等优势。
在孚信达公司生产车间，记者看到，两条铜铝生产线正在快速运转中，为了适应快速增长的市场需求，厂房内的另外两条生产线也在紧张建设中。公司副总工程师兰占军说，在很多应用场景，纯铜排设计之初留有相当的设计裕度，所以铜铝排产品的载流能力并不需要达到纯铜排的100%，即使采用铜铝排产品等截面积替换也完全可以满足使用要求。以断路器为例，在满足设备性能要求下，如果等截面积替换，按重量算可节铜55%。
除了节铜，铜铝复合材料在电力领域应用有两大好处：轻量化、低成本化。在度电成本与传统能源比并不占优的情况下，对于新能源企业来说，降成本是第一位的。性价比更高、性能更好的铜铝复合材料无疑给新能源企业带来了福音，增强了竞争力。“2012年，当铜铝复合材料部分规格试制成功时，风电设备领头羊金风科技便成了‘第一个吃螃蟹的人’。”王连忠介绍说，目前，孚信达生产的铜铝复合材料已在新能源领域有了广泛应用。
铜铝复合材料另一大应用是在传统的输配电领域。“这关系到未来导体技术朝哪个方向走的问题。”王连忠坦言，电网建设是国家的重点投资领域，我们的技术既可以在兼顾保障性能和运行安全的前提下大幅降低输配电导体的材料成本，又可以降低对铜资源的依赖，解决了电力行业面临的大问题。
“由于综合优势明显，铜铝复合材料的推广应用，定将提高我国制造企业的国际竞争力，帮助行业提质增效，包括电力设备、工业电器等行业。”谢建新院士说。
国内市场推广步履维艰
在电力行业“以铝节铜”，必须有两个前提，一是要技术可行，二是要安全可靠。“尽管开发研究铜铝复合材料的意义重大，但如果电力产品正常运行得不到保障，那一切都是空谈。”文献军说。
“2012年，‘水平连铸生产铜铝复合材料’技术正处于工业化研究阶段，关键技术刚刚得到突破，形成了小批量合格产品，但受国内多年‘套管法’产品质量不过关、事故频发造成的恶劣市场印象，也间接导致国内市场推广受阻。”王连忠说，鉴于国内市场的现状以及产品优良的性能质量，公司决定从海外市场寻求突破点。
可喜的是，在一次国际电力展上，孚信达公司产品得到了施耐德、ABB等国际电器巨头的关注，并先后就产品的可行性展开了耗时3年的论证，从材料基础性能分析、恶劣工况模拟试验研究、小范围装机试运行验证，到工厂检查的技术验证，最终于2015年、2016年，分别通过了施耐德、ABB的全球供应商资格认证，成为其铜铝复合材料独家供应商。
“为了打开市场，我们和国际大公司合作，做实验认证和小批量应用。”公司销售副总经理梁云程说，2015年下半年，公司拿到了施耐德全球供应商资格，为施耐德等公司批量供货，“ABB低压产品的整个完备实验也已完成，他们计划在新型开关柜上采用我们的产品，现在世界顶级的输配电企业都和我们建立了业务联系”。
在国际市场上广受欢迎，产品在国内市场的推广却很不理想。王连忠告诉记者，公司产品占据了新能源主机配套领域50%以上的市场份额，但占据国内电力行业80%以上市场份额的输配电领域，铜铝复合导电产品却一直难以涉足。
“在国网体系中，安全运行是第一要务，新材料的进入可能存在一定风险，这也导致新产品在国网体系推广中受阻，迫切需要政府和有关行业给予支持。”王连忠说，对于今后的发展，要力争把铜铝复合材料作为纯铜排、纯铝排之外的第三种新型导体材料供市场选择，满足不同客户更为细分的特殊化需求，为市场提供更多的选择，以适应更加多元的产品分布。
