广泛使用的金属之一——铜的趣闻（3）

供稿|贾成厂

内容导读

铜不仅具有悠久的历史，引领了时代，创造了文明，保障了人体健康，而且还是广泛使用的金属之一。本次我们从成语看铜的影响力说起，讨论一下铜为什么会有如此大的需求，主要应用在哪些领域以及铜资源与中国铜的产业情况。

从成语看铜的影响力

由于铜长期作为货币使用，而且是紧排在金银之后，所以有些含有“铜”的成语显示着富贵荣华。例如铜山金穴：比喻极其富有。

青铜是人类最早使用的金属工具，给人的印象是坚硬。因此成语中也有很多包含这层意思。

铜墙铁壁：比喻十分坚固，不可摧毁的事物，也作“铁壁铜墙”（图1）。

图1 铜墙铁壁（图片来自网络）

铜心铁胆：形容人的意志坚定。

铜围铁马；意思是坚固的阵势。

铜声响器：形容说话声音响亮。

铁打铜铸：铁打成的，用铜浇铸的，形容非常坚固。

眼如铜铃：指眼睛睁得很大，形容非常生气。

铁板铜弦：形容豪迈激越的文章风格。

然而，金钱具有两面性，“铜”又没有金银那么尊贵，所以，金钱的负面形象就毫不留情地砸在了“铜”的身上。而且，与金银相比，铜属于“贱金属”，因此，破旧无用的说词也“赏赐”给了铜。

臭铜熏天：常用以讥刺有钱人品行丑恶，也指贿赂公行、败坏风气。

破铜烂铁：指破旧锈烂无用的铜铁器，也泛指各种破旧无用的器物（图2）。

图2 破铜烂铁（图片来自网络）

历史上，铜还长期是制备镜子的材料。铜镜就是古代用铜做的镜子，又称青铜镜。以铜为镜：把别人的成败得失作为自己的鉴戒。语本《墨子·非攻中》：“古者有语曰：君子不镜于水，而镜于人。镜于水，见面之容；镜于人，则知吉与凶。”

远古时期，人们以水照面，铜器发明以后，以铜盆盛水鉴形照影。随着合金技术的出现，开始了使用铜和锡、银或铅等制作铜镜的历史（图3）。铜镜一般制成圆形或方形，其背面铸铭文饰图案，并陪钮以穿系，正面则以铅锡磨砺光亮，可清晰照面。

图3 铜镜（图片来自网络）

“以史为镜”：出自唐太宗李世民之口。“一个人用铜当镜子，可以使衣帽穿戴得端正；用历史当镜子，可以知道国家兴亡的原因；用人当镜子，可以发现自己的对错。魏征一死，我就少了一面好镜子啊。”（图4）

图4 以铜为镜（图片来自网络）

为什么铜会有如此大的需求？

铜对人类发展至关重要，并成为大量家庭、工业和高科技应用的首选金属。近几十年来铜的需求在不断增加。这种需求随着新兴经济体的增长和发展而增加。现在，中国已经成为世界上主要的铜消费国。早在在2000 年后的12 年里，其消费量就翻了两番[1]。

铜的吸引力来源于其独特的性能。例如，只有银的导电性能超过了铜。许多人认为黄金是最好的导体，但实际上银和铜分别排名第1 和第2。黄金比银和铜的优势在于其耐腐蚀性更好。

由于铜具有良好的导电性和导热性，而且与其他具有类似特性的金属相比成本较低，因此对铜的需求量很大。在文献[2]里我们已经知道，如果以银的导电性与导热性为基准（100%），则铜的导电性与导热性可以分别达到94.52%和93.47%。现在我们考虑一下价格因素，铜的售价为每吨约7 万元，折合每克7 分钱，而银的售价为每克约8 元，是铜价格的100 倍以上。想象一下，在导电和导热领域，如果考虑到价格因素，即从性价比的角度来看，达到同样的效果，使用铜的成本是使用银的百分之一以下。如此看来，在大多数普通电器中，需要高导电的场合，大多是使用铜而不是银，就不奇怪了吧。

铜合金的广泛应用

铜能够很容易地与其他金属形成合金，这也是铜能够得到广泛应用的原因之一。铜与锡结合而形成青铜，前面已经有过介绍。铜与锌结合而形成黄铜（图5），黄铜色泽美观。铜锌二元合金的黄铜称普通黄铜或单黄铜。三元及以上合金的黄铜称特殊黄铜或复杂黄铜。黄铜有优良的冷加工性能，如含锌质量分数30%的黄铜常用于制作弹壳。添加铝、镍、锰、锡、硅、铅等其他元素可改善普通黄铜的性能。铝可提高黄铜的硬度、强度和耐蚀性，适合作海轮的冷凝管及其他耐蚀零件。锡可提高黄铜的强度以及对海水的耐腐性，可用作船舶热工设备和螺旋桨等。铅能改善黄铜的切削性能，常用作钟表的零件。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等，如黄铜加铝铸造船舶用消防栓防爆月牙扳手[3]。

图5 黄铜（图片来自网络）

铜与镍结合而形成白铜。铜镍二元合金的白铜称普通白铜，加有铝﹑铁﹑锰﹑锌等元素的白铜合金称复杂白铜。工业用白铜有结构白铜和电工白铜2 大类。结构白铜耐蚀性和力学性能好，色泽美观，广泛用于制造精密机械﹑化工机械、眼镜配件和船舶构件。电工白铜有良好的热电性能，可用于制造精密电阻﹑精密电工仪器﹑变阻器﹑热电偶及应变片等材料。

铜的不同合金各自具有独特性能，而且还可以根据专业化的应用，开发新的合金组成与性能。例如，在海运业中，用铜镍合金包裹船体，可以抵抗海水的腐蚀、阻止藤壶附着在船体上，从而减少阻力、提高燃料效率。铜及铜合金的主要应用领域如下。

在电气工业领域的应用

电力输送：主要用于动力电线电缆、变压器和开关等。

电机制造：主要用于电机的转子、定子和轴头等。

通讯电缆：主要用于输入用户的线路。

在电子工业领域的应用

在新兴产业的电子工业发展中，铜的新产品和新应用领域不断被开发出来。主要应用领域包括电真空器件、印刷电路和集成电路。

电真空器件：高频和超高频发射管、磁控管与波导管等需要弥散强化无氧铜和高纯无氧铜。

印刷电路：铜印刷电路（图6）是把铜箔作为表面，粘贴在作为支撑的塑料板上；用照相的办法把电路布线图印制在铜版上；通过浸蚀把多余的部分去掉而留下相互连接的电路。对于那些需要精细布置电路的场合，如无线电、电视机，计算机等，采用铜印刷电路可以节省大量布线和固定回路的劳动，因此需要消费大量的铜箔。

图6 印刷电路（图片来自网络）

集成电路：集成电路中的芯片采用铜，可以获得30%的效能增益，电路线尺寸可减小至0.12 μm，使单个芯片上的晶体管数目达到200 万个。

在交通工业领域的应用

船舶：一般铜和铜合金使用量占军舰和商船的自重的2%~3%。铝黄铜、铝青铜、锰青铜、锡锌青铜（炮铜）以及镍铜合金（蒙乃尔合金）等铜合金由于良好的耐海水腐蚀性能而成为造船的标准材料。

汽车：每辆车用铜量10~21 kg。主要用于轴承、齿轮、散热器、液压装置、刹车摩擦片、制动系统管路及配电和电力系统等。

铁路：每千米的架空导线需用2 t 以上的铜线。列车上的电机、整流器以及控制系统等都需要铜和铜合金，对铜的需求量巨大。

飞机：铜用于飞机中的配线、液压、冷却和气动系统，青铜管材用于起落架轴承和轴承保持器，抗磁铜合金用于导航仪表等。

在建筑业领域的应用

在住宅和公用建筑中，铜水管具有安装方便、美观耐用、安全防火及卫生保健等优点，常用于供水、热、气以及防火喷淋系统，与镀锌钢管和塑料管相比存在优越的性价比。

日常生活中的铜

铜的独特性和多样性充分体现在这种金属与我们的日常生活完全融合。当我们打开一盏灯时，产生光的电通过铜线传导。几乎所有的电器或设备的供电都依赖于铜，从电器的电源线，到智能手机或平板电脑的电路板，再到洗衣机的电动机，铜以低廉的成本使设备高效地工作。

铜以雕塑、装饰品的形式呈现艺术之美（图7）；在铜表面镀金或银制成精密的饰品；铜手镯可缓解关节炎，铜把手可杀死细菌。

图7 铜雕塑（图片来自网络）

在动物界，许多水生生物的血液是铜基，而不是铁基。例如章鱼、螃蟹、龙虾和虾，它们依靠血液中的铜向细胞输送的氧气。

与纯铜或锌相比，黄铜的可塑性更强，声学特性更好；因此，它被用于各种乐器，包括小号、长号和铙钹等（图8）。

图8 黄铜乐器（图片来自网络）

空调和冷冻机通过热交换器的蒸发和冷凝作用来实现控温。采用高导热性能的异型铜管作为热交换器管可提高空调和冷冻机效能，降低装置尺寸。

黄铜可用于计时器及大量有钟表机构装置的工作部件，具有加工性能好，适合于大规模生产。

造纸工业用的冷却器、蒸发器、打浆器、造纸机等机器的许多部件是用铜合金制作的。

制药工业用的各类蒸药、煮药、真空等装置。

铜资源与中国的铜产业

虽然铜的资源丰度方面没有进入前10 名，但却不 会 短 缺。 据 USGS（United States Geological Survey 美国地质勘探局）数据显示，2021 年世界铜矿储量为8.8 亿t。铜矿储量前3 的国家分别是智利、澳大利亚、秘鲁，铜矿储量分别为2 亿t、9300 万t 和7700 万t，合计占世界铜资源总储量约42%[4]。

虽然铜属于非再生资源，但铜和石油、煤炭等资源不同，它具有可循环利用特性。通常所说的“再生铜”就是指废铜的回收再利用。理论上铜可以全部被回收再利用，在过去1 万年所开采的铜中，80%仍在继续使用[5]。铜在所有的金属中再生性能最好，无论经过多少次回收，经过精炼之后仍能保持其延展性、导电、导热性及抗腐蚀性等基本性质。废铜的产生量会随精铜消费量和社会保有量的增加而增加。这样来看，世界上的铜不会越来越少，而会越来越多，因此不必担心铜的消费会造成铜资源的耗尽或枯竭。铜矿开采使用是把地下埋藏的铜搬到地上，而通过废铜回收实现永久性重复使用。

1952 年，中国首家万吨级电解铜厂在天津建成，1953 年，第一座粗铜冶炼厂在安徽铜陵投产，年产粗铜2000 t。在近代工业中，铜被广泛应用于电力、电子行业，到20 世纪60 年代，这两个行业用铜量占据28%，到1997 年，这两个行业仍是铜消耗的主要领域，占比25%。后来铜被广泛应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、交通运输等领域。2000 年以后，铜的主要消费市场由欧美国家转到中国、俄罗斯、印度和巴西等发展中国家。在中国的有色金属材料的消费中，铜仅次于铝。

结束语

最后，以一首七律作为对“铜”的总结。

金银之后紧相跟，

奖牌有名是季军。

引领时代创文明，

建造金塔立功勋。

社会有之姿彩丰，

人体缺其状态贫。

合金多样用途广，

电热性能挑战银。