单晶铜线材信号传输方向性差异的研究

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摘要：随着国防高新技术的飞速发展和计算机网络技术的广泛应用，对高传输频率、高带宽、高保真传输导体的需求越来越大，对元器件精密化、微型化的要求也越来越高。因此，开发具有高保真的传输导线、高传输频率的网络通讯电缆、以及微型器件用的微细导线具有重要意义。单晶铜线由于具有良好的塑性变形能力以及优异的信号传输性能，具有广阔的应用远景。因此，单晶铜线材的研究及其应用成为了材料科学领域研究的热门之一。在高品质的音响线材的开发中，又发现了由单晶铜线制备的音响电缆对信号传输具有明显的方向性。然而，由单晶连铸技术制备的单晶线材的直径远远大于这些电缆的导线直径，只有通过塑性变形即多次拉拔才能使用。本文制备了单晶铜线材和不同变形量的单晶铜线材，并分别丈量其正反向电阻。同时，将单晶铜线材制成了数字通讯用实心聚烯烃尽缘水平对绞电缆，丈量了该电缆的电气特性和传输特性。为了初步地研究产生信号传输方向性差异的微观机制，本文还观察了单晶铜和不同变形量单晶铜线材的金相显微组织和透射电镜显微组织，并测定了不同变形量的单晶铜线材的织构。所取得的主要研究结果如下：



　　（1）单晶铜线材电阻率确实具有方向性差异，顺单晶铜生长方向的电阻率小于逆单晶铜生长方向的电阻率，其电阻率差值为1.623×10-11Ω·m。不同变形量的单晶铜线材电阻率也具有方向性差异，顺拉拔方向的电阻率小于逆拉拔方向的电阻率。当变形量为85.9﹪，98.4﹪和99.6﹪时，正反向电阻率差值分别为3.261×10-11Ω·m、2.479×10-10Ω·m、2.908×10-10Ω·m，即随着随变形量的增加，正反向电阻率差值增大。



　　铜材是工业一种重要传导材料，随着电子工业、信息产业的发展，对铜材传导性能要求越来越高，为了提高铜材的传导性能，各国科学工作者，工程技术人员对铜开展大量研究工作。日本专家大野笃美在80年代，就应用向凝固理论和热型连续铸造技术，首先获得成功，生产出单晶铜杆，其代号为“OCC铜”。



　　由于单晶铜在传导性能，拉丝性能都优于无氧铜，很快在国防高科技产业、家用电子电器工业、信息产业、高保真度音频、高清晰视频等领域得到广泛应用。科学证明，单晶铜是一种高纯度的无氧铜，其含氧量小于10ppm。其整根铜杆仅由一个或数个大的柱状晶粒组成，不存在晶粒之间的“晶界”，而“晶界”会对通过的信号产生反射和折射，造成信号失真。 根据单晶铜的性能特点，参照国外的开发应用情况，单晶铜是无氧铜的升级换代产品，具有良好的电学和力学性能及非常优异的塑性加工性能，可以作为生产集成电路、大型计算机、电子仪器、音响设备的原材料，广泛适用于高保真军事通讯、通信、计算机、音响和电子原器件等的生产中。目前，我国的单晶铜导线全部依靠进口，铜单晶音频线国内的市场价格昂贵，主要应用在三方面：



　　A、音频、视频信号的高保真传输导线，如扬声器接线，扬声器线圈，麦克风圈等；



　　B、超微铜线大量电子产品如电子表、扬声器、蜂鸣器、中周、耳塞等；



　　C、控制超高频网络电线的原料，用于宽带网络支线。随着开发工作的不断深入和提高信息传输质量的要求，其应用范围肯定会越来越广。



　

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　各种电信号的实质都是一种波。波通过晶界时必然发生反射、折射等现象，造成信号失真和衰减，使传输质量得到革命性的改善。据此，日本首先将单晶铜用于视听器材，并取得巨大成功。信号传输的应用极其广泛。有视听信号、图像信号、数字信号、各种通信信号等。单晶铜应用在这些方面，都可以大大提高质量，提高灵敏度。其效果是普通的多晶材料不可比拟的，具有极高的应用价值如扬声器接线，扬声器线圈，麦克风音圈等。将单晶铜用于电脑网络线，能取得良好的效果。随着电脑技术的飞速发展，连接电脑的网络线的传输速度要求也越来越高。以前所用的5类线只能达到100MHz；目前，市场广泛采用的“超5类”线，其使用频率也只有120MHz。传输速度高也就是使用频率范围高。而频率越高，信号衰减越严重。国内尚不能生产超5类线，市场所用均为外资厂生产。而单晶铜试制的网络线，使用频率可达350MHz，达到6类线的标准。因此市场前景非常大。



　　高保真的传输音频、视频和数字信号不仅是现代信息技术发展的需要，也是人们生活品质提高对改进视听、音响系统品质的要求。单晶铜由于消除了晶界对信号反射和折射导致的信号衰减和变形，使传输质量获得革命性提高。目前在日本、欧美地区，单晶铜在视听器材方面的应用已非常广泛，正在逐渐取代无氧铜，用于制作高级音响线、扬声器、麦克风的音圈，以及整机的插头和连接电缆，由于单晶铜对提高音响系统品质的关键作用，一套单晶铜电缆的价格甚至与整机相当。



　　随着电子设备的精密化、小型化、电子元器件的高性能、微型化、轻量化，对微细铜导线（线径0.03mm以下，甚至0.01mm）的需求日益迫切，需求量也越来越大。目前国内的单晶铜主要从日本、美国等发达国家进口。控制微细铜线的原料铜杆很难满足加工要求，成材率极低，仅0.5-1%，致使微细铜线非常昂贵，每公斤高达数千到上万元。单晶铜具有质地致密、塑性变形能力强而不易拉断的特点，特别是单晶铜没有阻碍位错滑移的晶变，变形冷作硬化恢复快，是拉制微细铜线（线径小于0.03mm）的理想材料，成材可达约90%。该项技术实用可行、科技含量高，具有很好的投资前景。



　　单晶铜是发展第二产业的基础物质之一：国家的战略重点之一是要加快发展交通、通讯、能源重要材料和水源等基础设施饿基础工业。因为基础设施和基础工业建设要与国民经济发展相适应，才能加快当前经济建设发展，才能增强经济发展的后劲，而单晶铜正是其重要的基础物质。



　　信息时代的更新要求：发展新支柱产业，振兴机械、电子、石油化工、汽车工业、建筑工业和建材工业等国民经济的支柱产业是信息时代的必然要求，更是推进产业化升级的重要环节。单晶铜在通讯方面的应用能为之统共技术条件。单晶铜是无氧铜的升级换代产品，具有良好的电和力学性能及非常优异的塑性加工性能，可以作为生产集成电路、大型计算机、电子仪器、音响设备的原材料。广泛用于高保真军事通讯、通信、计算机、音响和电子原器件等。目前，我国的单晶铜导线全部依靠进口，主要集中于美国、日本和我国台湾地区，铜单晶音频线国内的市场价格昂贵。