质量轻且具有良好密封性的铝箔，广泛应用于电子、仪表、食品、包装、建筑等领域，成为工业生产和日常生活中不可缺少的材料，实际应用对铝箔的力学性能和表面等质量提出了更高的要求，希望性能更好、质量更高、成品率更高^[1-4]。应用在电子、建筑等领域的铝箔，大多是99.0%~99.5%的工业纯铝；应用在铝电容器的铝箔，则是纯度超过99.9%的高纯铝，所以在市场上直接采购到的铝箔，无法直接应用于电容器中，需要采用合适的方法来制备高纯铝。目前尽管我国在全球铝电容器制造中占据重要地位，但是专用于电容器的铝箔材料质量却较为一般，无论是微观组织结构、力学性能，还是其表面质量，与国际先进生产制备技术仍有较大差距。在实际工业生产制备中，多是采用向纯铝中添加部分化学元素，通过改变合金成分，提高纯铝铝箔性能，从而提高纯铝铝箔生产质量。为进一步提升铝箔的质量特别是综合力学性能，多通过增加合金元素例如Cu来提升铝箔坯料性能^[5-10]。为进一步明确Cu对电容器用铝箔坯料的影响，推动我国铝箔生产质量的提高，将Cu熔入纯铝中，重点探讨不同的添加量对铝箔坯料组织影响，并分析对力学性能影响，最终总结经验指导生产和研究。

1   试验材料与试验方法

试验所用的原始材料为1A99工业纯铝，对应美国标准（AA）牌号为1 199 Aluminum^[11]，具体的化学成分如表 1所列。

表  1  1A99工业纯铝的化学成分

Table  1.  Chemical compositions of 1A99 commercially pure aluminium

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因为少量元素与微量元素总体占比较低，并不会对试验结果产生明显影响，可以正常试验。

将试验材料通过感应加热机，加热到720 ℃高温使其充分熔化，保温30 min处理后，分别向熔化金属中加入Al总用量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%（质量分数）的纯Cu，充分搅拌后，维持在720 ℃温度保温10 min，精炼处理后，将析出熔渣去除，将熔化合金注入磨具内。静置一段时间，使金属冷却到室温，每组分浇注5份样品，并以机械将其轧制成厚度为6 mm的铝箔坯料，然后轧制成2.5 mm厚的铝箔坯料，接着轧制成1.25 mm，最后将铝箔（坯料）轧制成0.6 mm厚度。分别将制成的铝箔坯料放置于370 ℃环境中，保温6 h后，随炉冷却，退火操作后获得最终产物，为了探究退火温度对其组织性能的影响，增加一组加热温度325 ℃，保温6 h，随炉冷却的样。

为充分检测在纯铝中加入Cu元素制成的铝箔组织变化与力学性能，采用由日立集团提供TM4000PlusII台式显微镜，对铝箔坯料观察其退火前后显微组织。力学性能则是由苏州检卓仪器提供的SHK-A101材料试验机，针对铝箔坯料在退火处理前后变化完成性能测试。

其操作流程为：先通过铝箔剪切器对铝箔进行剪切，保证切口光滑，以长170 mm、宽15 mm的试样为准，将材料试验机对铝箔样品进行夹紧，以1 mm/min的速度进行匀速拉伸，在位移时记录样品的载荷变化，在样品被彻底拉断后停止记录。同时，应用CHANNEL 5.0，对本试验测得信息进行数据分析，提升数据研究质量。因为本试验仅是添加微量的Cu，所以没有特殊情况，仅以“添加”与“未添加”进行描述。

2   试验结果分析

2.1   纯铝铝箔坯料组织观察

通过光学显微镜对退火处理后未添加与添加不同Cu含量的铝箔坯料显微组织进行观察，并进行对比，研究具体组织变化。图 1是未添加Cu的铝箔坯料显微组织照片，对于未加入Cu元素的工业纯铝，退火后，工业纯铝组织中晶粒比较粗大，平均晶粒大小在50 μm以上，同时晶粒大小分布不均匀。

图  1  未添加Cu的铝箔坯料370 ℃×6 h退火后显微组织照片

Figure  1.  Microtissue photo after annealing of 370 ℃× 6 h of aluminum foil billet without added Cu

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图 2所示为不同Cu添加量铝箔坯料显微组织照片。从图 2（a）到图 2（e），随着铜添加量增加，轧制铝箔坯料组织中晶粒有变小和均匀化趋势，且观察到第二相粒子均匀分布于晶界及其附近区域^[12-15]，将纯铜添加至工业纯铝内，在高温作用下，Cu会与α-Al固溶体充分结合，产生铜铝合金。而剩余Cu则会在高温下，与Al进一步反应，产生第二相化合物CuAl₂从Al基体中析出。观察已加入Cu元素的铝箔坯料组织，强化相晶粒规格较小，并以等轴方式均匀，使纯铝铝箔坯料具有均匀的组织，稳定提升纯铝显微组织综合性能。

图  2  不同Cu添加量的铝箔坯料370 ℃×6 h退火后显微组织

Figure  2.  Microtissue photo after annealing of 370 ℃×6 h with different Cu additions

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对比图 2（e）与图 2（f），添加0.5%和0.6%纯Cu的铝箔坯料组织中平均晶粒大小都约为10 μm，添加的纯Cu增加0.1%，但铝箔坯料组织中晶粒细化不明显，晶粒的均匀性也没有明显均匀化趋势，所以，轧制纯铝铝箔坯料中选择添加0.5%的纯Cu获得更理想的显微组织。

2.2   Cu对再结晶晶粒影响

对于0.6 mm厚度的铝箔坯料，在退火处理时，除原本的370 ℃外，增设1组325 ℃作为对照组，如图 3所示，未添加Cu的纯铝冷轧板，其晶粒并没有过于明显的边界波动特征，但是添加Cu的纯铝冷轧板，其晶粒则可以观察到明显的波动特征，尤其是边部周围，波动特征会更为明显。这可能由于在温度的影响下，纯铝冷轧板会获得更高的变形率，添加Cu后，会使加工硬化率得到进一步提升。在325 ℃条件下，进行6 h退火处理，未添加Cu的纯铝冷轧板并没有完全完成再结晶过程，应用显微镜仍可以观察到部分区域存在纤维组织, 而其表面位置则具有最多的纤维组织。

图  3  0.6 mm铝箔坯料325 ℃×6 h退火后显微组织

Figure  3.  Microscopic strueture of 0.6 mm aluminum foil billet 325 ℃×6 h

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但是，在相同的条件下，添加Cu的纯铝冷轧板则完成了再结晶化，形成细小的等轴状晶粒, 晶粒中可以明显看到第二相的细小弥散。在结束370 ℃×6 h退火处理后，未添加Cu的纯铝冷轧板，应用显微镜可以观察到，其平均晶粒规格约在51.2 μm, 而且晶粒也不是完全转化成等轴晶，长轴与短轴之比约为1.87，晶粒规格并不均匀，其数量保持正态分布，即晶粒规格在40~50 μm数量最多，其他规格的晶粒数量相对较少。添加Cu的纯铝冷轧板的平均晶粒规格约为30.4 μm，而且晶粒基本为等轴晶，长轴与短轴之比约为1.33，晶粒规格同样保持正态分布，但是不同规格的晶粒数量分布相对集中，规格在20~30 μm的数量最多。在退火之后，再次结晶化的晶粒规格明显下降，有可能是添加Cu的纯铝冷轧板的冷轧晶粒规格偏小，存在一定的晶界波动，这导致原本较小的晶界面积获得显著提升，使晶界周边存在较多的位错塞积，造成晶格畸变概率明显提升，形核区域也有所增加，在这种条件下，形核率得到有效提升，再结晶速度加快，晶粒规格也随之降低。

2.3   Cu对纯铝铝箔晶粒与组织影响分析

通过光学显微镜对退火处理前后的铝箔显微组织以0.8 μm进行细致观察，并将两者进行对比，研究具体晶粒与组织影响。对于未加入Cu元素的工业纯铝，在退火操作处理后，具有较大规格的晶粒，其数量较多，平均晶粒规格在3.07 m左右，同时晶粒大小并不均匀，这种材料应用于铝电容器的阳极铝箔的制备环节，难以保证拥有良好成品质量，所以需要对其展开进一步的研究^[5-6]。将Al总用量的0.5%纯铜添加至工业纯铝内，在700 ℃的高温作用下，Cu会和固溶体充分结合，产生铜铝合金，使纯铝的性能得到稳定提升；而剩余Cu则在高温影响下，与Al进一步发生反应，产生第二相化合物，从Al基体中析出，保证Al的纯度不受影响。观察已加入Cu元素的工业纯铝，强化相晶粒规格明显下降，大多数的晶粒规格较小，其平均晶粒规格在2.65 m左右，并以等轴方式均匀分布，这种变化使纯铝拥有均匀的组织结构, 稳定提升纯铝显微组织的多方面能力，从而提高纯铝的综合性能。而且，向纯铝加入Cu，强化相生成速度加快，在相同处理条件下，添加Cu的纯铝比未添加Cu的纯铝拥有更多强化相。大量强化相有效提高材料应用强度，提高纯铝铝箔实用性。从Al基体中获得的，其拥有可溶性，可以溶在合金中，让纯铝拥有一定量的合金，从而达到强化性能的效果，可以稳定提升合金抗拉性能，提高材料应用质量。所以，将Al总用量的0.5%纯铜作为添加物，加入工业纯铝中，可以使纯铝内部拥有较多、较大规格的晶粒数量有效缩减，以较小规格的晶粒维持纯铝组织结构稳定性，并有效提高组织均匀性，更符合工业生产需求，这也是我国在工业制备纯铝的主要研究方向。

2.4   Cu对纯铝铝箔力学性能影响

2.4.1   退火前抗拉强度与伸长率分析

图 4所示为不同Cu添加量的铝箔坯料抗拉强度曲线图，本试验将6.0 mm厚度铝箔坯料轧制成0.6 mm厚度铝箔，经过4道次轧制工序，组织内部晶粒在轧制力影响下充分破碎，大尺寸晶粒变为小晶粒，一定程度上提升了铝箔抗拉性能。对铝箔坯料展开力学性能方面测试，将数据收集并整理后，分析得出，铝箔在没有添加纯铜且未进行退火处理前，其抗拉强度为145.7 MPa，伸长率为4.3%；在纯铝中加入纯铜制成合金后，产生强化相，稳定提升铝箔力学性能，随着纯铜添加量的增加，铝箔坯料的抗拉强度增加，纯铜添加量为0.5%时，抗拉强度提升到219.3 MPa，上升幅度为50.5%，Cu元素会使Al晶粒组织细化，并保持良好均匀性，稳定提高铝箔抗拉性能。与此同时，随着含Cu添加量的增加，铝箔坯料的塑性却明显下降，纯铜添加量为0.5%的铝箔坯料伸长率缩减至1.8%，下降了54.3%。

图  4  Cu元素含量与抗拉强度的关系曲线

Figure  4.  Relationship curve between Cu element content and tensile strength

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2.4.2   退火后抗拉强度与伸长率分析

退火前，铝箔坯料经过了多道工序反复处理，铝箔坯料组织晶粒充分破碎，从而使晶粒进一步缩小，晶粒均匀性增加；退火处理后，晶粒均匀性进一步改善。与此同时，铝箔坯料的内应力增加、塑性降低，如图 5所示，塑性降低会影响铝箔后续轧制的进行。为使后续轧制道次顺利进行，提高铝箔的成品率和质量，需要对铝箔进行退火处理，使铝箔内部晶粒实现再结晶，消除加工硬化，降低内应力，恢复铝箔的塑性。作为处理代价，此时会使铝箔的抗拉性能降低。退火处理后，铝箔坯料抗拉性能大幅度降低，含Cu量0.5%的铝箔坯料的抗拉强度为100.2 MPa，比退火前下降54.3%；伸长率大幅度提升至17.4%，比退火前上升667%。

图  5  Cu元素含量与伸长率的关系曲线

Figure  5.  Relationship curve of the Cu element content and the elongation rate

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向纯铝中加入纯铜，Cu元素会于位错周边大量聚集，使位错产生钉扎效应，让原本活跃的晶界迁移行为产生阻滞反应，并有效阻碍晶粒再结晶，限制其进一步长大。Cu在高温作用下，会与Al产生CuAl₂合金相，有序分散至合金组织内^[16-20]。弥散对于合金有强化作用，从而提高铝箔的抗拉性能，Cu添加量为0.5%的铝箔坯料退火后的抗拉强度为100.2 MPa，未加入Cu的铝箔坯料退火后的抗拉强度为53.1 MPa，上升幅度为88.8%。Cu添加量0.5%的铝箔坯料的伸长率为17.4%，未加Cu的铝箔坯料退火后的伸长率为28.4%，下降幅度降为38.7%。

3   结论

1）在纯铝中加入Cu，可以使组织细化，缩减晶粒规格，有效提升组织均匀性。

2）向纯铝加入Cu，使强化相生成速度加快，大量强化相可有效提高材料应用强度，提高纯铝铝箔实用性。从Al基体中获得CuAl₂，其拥有可溶性，在合金中拥有强化效果，可以稳定提升合金抗拉性能。

3）经过退火处理，CuAl₂依然起到加强弥散强化效果，可以大幅度提升铝箔抗拉性能，同时获得良好的塑性。

4）将0.5%纯铜作为添加物，加入工业纯铝中，可以使纯铝内部较大规格的晶粒有效缩减，并有效提高组织均匀性，更符合工业生产需求。

在实际纯铝铝箔生产中，可以适当添加Cu，用于提升铝箔组织均匀度与抗拉性能。