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Raytron Technical Review RESEARCH ARTICLE WP-01-01

双金属材料综合入门

Bimetallic Materials: A Comprehensive Introduction

Gao-Lei Xu1 *

1RAYTRON Group Technology Research Center, in National

*通讯作者

收稿: 2025年12月 接受: 2026年2月 发布: 2026年3月
DOI: 10.1234/raytron.2026.WP-01-01

1. Introduction

1.1 电导体的发展演变

电导体的历史与电气工程的发展并行。从第一条电报线到现代电网，对最佳导体材料的探索推动了持续创新[1]。

制作历史演进动画 (60秒)，展示从纯铜→铝→双金属的发展历程

1:00
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Video 1 历史演进动画，展示从纯铜→铝→双金属的发展历程

1.2 双金属材料的定义

双金属材料由两种不同的金属结合在一起形成单一复合结构。在电气Applications中，这通常涉及：

  • 芯材：提供结构或经济优势
  • 包覆材料：提供Surface性能（导电性、Corrosion Resistant性）
双金属线材横Cross-Section示意图，标注各层功能和厚度比例
Fig. 1 双金属线材横Cross-Section示意图，标注各层功能和厚度比例
定义 (ASTM B566)[3]："CCA线由铝芯与铜包覆层冶金结合而成，其中铜占横Cross-Section积的5-15%。"

1.3 为什么选择双金属导体？

双金属材料的基本原理源于性能差距Question：

材料成本与Conductivity关系图
Fig. 2 材料成本与Conductivity关系图

2. Principles

2.1 复合效应

双金属材料通过几何平均和功能分离实现其性能：

Pcomposite = Σi=1n Vi · Pi + Pinterface
(1)

其中：

  • Pcomposite = 复合性能值
  • Vi = 组分i的体积分数
  • Pi = 组分i的性能值
  • Pinterface = 界面贡献

2.2 层状结构中的导电性

对于电导率，有效电导率取决于电流方向：

并联配置（电流沿层流动）：

σparallel = Σi Vi · σi
(2)

串联配置（电流穿过层）：

1/σseries = Σi Vi/σi
(3)
电流方向示意图，对比平行和串联配置
Fig. 3 电流方向示意图，对比平行和串联配置

关键洞察：双金属线材导体以并联配置工作，使高Conductivity包覆层对整体Conductivity做出完全贡献。

2.3 高频下的趋肤效应

在高频下，电流集中在导体Surface附近。趋肤深度δ由下式给出：

δ = √(ρ/πfμ)
(4)

对包覆导体的意义：对于100 kHz以上的频率，薄铜包覆层（≥0.5 mm）available与实心铜etc.效的性能。

2.4 力学性能协同

双金属材料可以实现优于任一组分的力学性能：

应力-应变曲线对比图，展示复合材料的力学优势
Fig. 4 应力-应变曲线对比图，展示复合材料的力学优势

强度增强机制：

  1. 约束效应：芯材约束包覆层变形
  2. 载荷传递：应力在层间传递
  3. 残余应力：加工引起的预应力

3.

3.1 按Applications分类

材料选择决策树Info图
Fig. 5 材料选择决策树Info图

3.2 CCA (CCA)

结构：

  • 芯材：铝（纯度>99.5%）
  • 包覆：铜（通常占体积的10-15%）
  • 结合：冶金/扩散结合
CCA横Cross-Section显微照片，Display界面结构
Fig. 6 CCA横Cross-Section显微照片，Display界面结构

Applications：建筑导线、同轴电缆芯、变压器绕组、汽车线束、太阳能光伏装置

standards：ASTM B566, IEC 62602

3.3 铜包钢 (CCS)

结构：

  • 芯材：低碳钢
  • 包覆：铜（通常占体积的10-40%）
  • 结合：机械/包覆焊接
CCS横Cross-Section显微照片
Fig. 7 CCS横Cross-Section显微照片

Applications：接地导体、CATV引入线、High strength导体、ACSR芯线

standards：ASTM B452, ASTM B227

3.4 镍包铜 (NCC)

结构：

  • 芯材：铜
  • 包覆：镍（通常占体积的10-30%）
  • 结合：冶金结合
NCC横Cross-Section照片，标注镍包覆层
Fig. 8 NCC横Cross-Section照片，标注镍包覆层

关键性能：

  • 最高Operating Temperature：400-450°C
  • Conductivity：85-90% IACS
  • 优异的Anti-oxidation性

Applications：Aerospace导线、石化仪表、高温传感器

standards：ASTM B355, SAE AS4395

3.5 银包铜 (SCC)

结构：

  • 芯材：铜
  • 包覆：银（通常占体积的5-15%）

关键性能：

  • SurfaceConductivity：100%+ IACS
  • 接触电阻：极低
  • 成本较高

Applications：射频/微波系统、高端音频、精密测试设备

4. ManufacturingProcess

4.1 包覆方法概述

制作包覆工艺动画 (90秒)，展示三种主要方法

1:30
VIDEO TODO
Video 2 包覆工艺动画，展示三种主要方法

4.2 包覆焊接工艺（主要方法）

工艺步骤：

工艺流程图，展示从原材料到成品的完整流程
Fig. 9 工艺流程图，展示从原材料到成品的完整流程
  1. Surface准备：芯杆清洗、铜带脱脂、Surface活化
  2. 包覆组装：铜带包裹、焊缝形成、初始减径
  3. 拉拔：多道次拉拔、加工硬化、尺寸控制
  4. 退火（可选）：消除应力、软化、增强结合

4.3 界面形成

金属-金属界面的质量决定Products性能：

SEM界面形貌照片，Display扩散层
Fig. 10 SEM界面形貌照片，Display扩散层

4.4 质量控制

质量控制流程图，展示各检测点
Fig. 11 质量控制流程图，展示各检测点

测试协议：

  1. 尺寸检验：直径测量、同心度验证、包覆厚度
  2. 电气测试：直流电阻、Conductivity计算
  3. 力学测试：Tensile Strength、延伸率、结合强度
  4. Surface质量：目视检查、Surface粗糙度、缺陷检测

5. PerformanceOptimization

5.1 Conductivity优化

设计变量：包覆厚度、芯材Conductivity、界面质量

优化目标：

η = (σactual/σtheoretical) × 100%
(5)

其中η是导电效率因子。

5.2 强度优化

5.3 权衡分析

性能雷达图，对比不同材料的多维性能
Fig. 12 性能雷达图，对比不同材料的多维性能

6. EconomicsAnalysis

6.1 材料成本结构

数据来源：伦敦金属交易所[6]

6.2 总体拥有成本 (TCO)

TCO因素：

  1. 材料成本：线材/绞线成本
  2. 安装成本：搬运、端接
  3. 运行成本：损耗、效率
  4. 维护成本：检查、更换
  5. 寿命终结：回收价值

6.3 铜材节省分析

对于CCA（15%铜体积比）：

Savings = (VCu_solid - VCu_CCA) × PriceCu - VAl × PriceAl
(6)

示例计算：

  • 实心铜线：100 kg Cu
  • CCAetc.效：15 kg Cu + 85 kg Al
  • 铜材节省：85 kg × $12.89/kg = $1,095
  • 铝材成本：85 kg × $2.50/kg = $212
  • 净节省：$883（降低47%）

7. ApplicationsOverview

7.1 Applications section地图

Applications section地图，按行业和材料分类
Fig. 13 Applications section地图，按行业和材料分类

7.2 选择指南

决策框架：

材料选择决策流程图
Fig. 14 材料选择决策流程图

步骤1：定义需求 - 电流容量、Operating Temperature、环境条件、机械要求、预算限制

步骤2：筛选候选 - 排除不适合的材料、考虑regulatory requirements

步骤3：比较最终候选 - 详细技术比较、经济分析、可用性验证

步骤4：验证设计 - 原型测试、Applications特定验证

8. standardsSpecifications

8.1 国际standards框架

standards体系框架图，展示ASTM、IEC、ISO的关系
Fig. 15 standards体系框架图，展示ASTM、IEC、ISO的关系

8.2 section法规

美国 (NEC)：CCA允许在特定Applications中使用，需要正确标记，有尺寸限制

欧洲 (HD 60364)：一般允许CCA，有安装要求，端子兼容性要求

中国 (GBstandards)：接受度日益提高，有特定尺寸限制，需要质量certification

8.3 certification要求

9.

9.1 技术趋势

技术发展路线图
Fig. 16 技术发展路线图

新兴发展：

  1. 先进芯材：High strength铝合金（6xxx、7xxx系列）、优化钢种、新型组合
  2. 工艺创新：连续包覆、在线质量监控、自动检测
  3. Applications扩展：电动汽车充电基础设施、可再生能源系统、数据中心、5G/6G网络

9.2 市场展望

数据来源：Market Research Future[7]

9.3 研究重点

关键研究Section：

  1. 界面表征与优化
  2. High strength合金芯材开发
  3. 可持续性与回收
  4. 先进建模与仿真
  5. Applications特定材料设计

10. Conclusion

10.1 关键要点

  1. 双金属材料提供独特的性能组合，单一金属无法实现
  2. 材料选择需要系统评估电气、机械、环境和经济因素
  3. 制造质量至关重要——界面完整性决定性能
  4. 可节省30-50%成本，同时保持足够性能
  5. comply withstandards打开市场并确保可靠性

10.2 建议

对工程师：在设计过程早期评估双金属选项，考虑总体拥有成本而非仅材料成本，验证Applications特定standards合规性

对采购：建立合格供应商关系，实施进货检验协议，监控材料成本趋势

对管理层：认识材料替代的战略价值，投资Applications特定验证，跟踪法规发展

FAQ

What is a bimetallic conductor?

A bimetallic conductor is an engineered composite material that combines two different metals to achieve properties that neither metal can provide alone. In electrical applications, this typically consists of a core material (providing structural or economic benefits) and a cladding material (providing surface properties like conductivity or corrosion resistance).

What are the main types of bimetallic conductors?

The main types include: Copper-Clad Aluminum (CCA) for cost-effective conductivity, Copper-Clad Steel (CCS) for high-strength applications, Nickel-Clad Copper (NCC) for high-temperature environments, and Silver-Clad Copper (SCC) for high-frequency applications.

How much cost savings can bimetallic conductors provide?

According to our analysis, bimetallic conductors can provide 30-50% cost savings compared to solid copper conductors, while maintaining adequate electrical and mechanical performance for many applications.

What standards apply to bimetallic conductors?

Key standards include: ASTM B566 for CCA, ASTM B452 for CCS, ASTM B355 for NCC, IEC 62602 for international CCA specifications, and SAE AS4395 for aerospace applications.

What is the skin effect and why is it important for bimetallic conductors?

The skin effect causes high-frequency currents to concentrate near the conductor surface. For frequencies above 100 kHz, a thin copper cladding (≥0.5 mm) can provide equivalent performance to solid copper, making bimetallic conductors particularly effective for high-frequency applications like RF cables and switching power supplies.

图表

Bimetallic Wire Cross-Section Schematic Diagram, Annotated Each Layer Function and ThicknessssssssRatioExample

Fig. 1 Bimetallic Wire Cross-Section Schematic Diagram, Annotated Each Layer Function and ThicknessssssssRatioExample

Create Composite Effect Schematic Diagram，Showing Volume FractionCalculated

Fig. 2 Composite Effect Schematic Diagram，Showing Volume FractionCalculated

Current Direction Schematic Diagram, Parallel vs Series Configuration

Fig. 3 Current Direction Schematic Diagram, Parallel vs Series Configuration

Stress-Strain Curve Comparison Diagram, Showing Composite Material Mechanical Advantages

Fig. 4 Stress-Strain Curve Comparison Diagram, Showing Composite Material Mechanical Advantages

Material Selection Decision Tree Information Diagram

Fig. 5 Material Selection Decision Tree Information Diagram

CCACross-Cross-Section Micrograph，Display Interface Structure

Fig. 6 CCACross-Cross-Section Micrograph，Display Interface Structure

CCSCross-Cross-Section Micrograph

Fig. 7 CCSCross-Cross-Section Micrograph

NCCCross-Section Photo, Annotated Nickel Cladding Layer

Fig. 8 NCCCross-Section Photo, Annotated Nickel Cladding Layer

Process Process Flow Diagram, Showing from Original Material to Finished Product Full Process Flow

Fig. 9 Process Process Flow Diagram, Showing from Original Material to Finished Product Full Process Flow

SEM InterfaceMorphology Photo，Display DiffusionLayer

Fig. 10 SEM InterfaceMorphology Photo，Display DiffusionLayer

Quality Control Process Flow Diagram, Showing Each TestingPoint

Fig. 11 Quality Control Process Flow Diagram, Showing Each TestingPoint

PerformanceRadar Diagram vs Different Material Multidimensional Performance

Fig. 12 PerformanceRadar Diagram vs Different Material Multidimensional Performance

Applications sectionGround Diagram， by Industry and Material Classification

Fig. 13 Applications sectionGround Diagram， by Industry and Material Classification

MaterialSelectionDecision Process Flow Diagram

Fig. 14 MaterialSelectionDecision Process Flow Diagram

standards System Framework Diagram, Showing ASTM、IEC、ISO Relationship

Fig. 15 standards System Framework Diagram, Showing ASTM、IEC、ISO Relationship

Technology DevelopmentPathWire Diagram

Fig. 16 Technology DevelopmentPathWire Diagram

表格

Table 1 Conductor Material Development Timeline
EraMain MaterialKey DriverLimitation
1830-1880Iron & SteelAvailabilityHigh Resistance
1880-1920CopperConductivityCost Volatility
1920-1960AluminumWeight ReductionConnectionQuestion
1960-toCurrentDual MetalOptimized PerformanceProcess Complexity
Table 2 CommonConductorMaterialCompare Performance
MaterialConductivity (% IACS)Density (g/cm³)Tensile Strength (MPa)Cost Index
Copper (Pure)1008.96220-2501.00
Aluminum (Pure)612.7070-1100.25
Steel (LowCarbon)10-157.85400-5500.08
CCA (15% Cu)65-683.64150-2000.40
CCS (20% Cu)35-408.20400-5500.30
Table 3 Skin Depth at Different Frequencies
FrequencyCu Skin DepthAl Skin DepthPractical Significance
60 Hz8.5 mm10.9 mmLow Freq: Bulk Conduction
1 kHz2.1 mm2.7 mmAudio：SurfaceStartImportant
10 kHz0.66 mm0.85 mmSwitching Power Supply
100 kHz0.21 mm0.27 mmRFApplications
1 MHz0.066 mm0.085 mmHigh-Frequency RF
Table 4 Bimetallic Material Selection Guide
Primary NeedRecommended MaterialReason
ReductionLow costCCA, CCSCu Material Savings
ReducedLightWeightCCA, CCAAAl Core
High TemperatureApplicationsNCCNickelAnti-oxidation Properties
HighFrequencyApplicationsSCC, CCASkin Effect Utilization
Corrosion ResistantCCSS, ACSNon-RustSteel/AluminumSurface
High strengthCCS, ACSSteel Core
Table 5 Emerging Bimetallic Materials
MaterialStatusMain AdvantageDevelopment Stage
CCAACommercializedMoreHigh strengthProduction
CCSSSpecializedCorrosion Resistant PropertiesLimited Production
SSCCExperimentalWear-resistantSurfaceR&D
CCZResearchCost ReductionLaboratory
Table 6 Manufacturing Method Comparison
MethodPrincipleTypical ThicknessBond QualityCost
Clad WeldingStrip Wrap + Drawing10-40% VolumeExcellentin etc.
ElectroplatingElectrochemical Deposition0.5-10 μmin etc.Low
Hot ExtrusionPressure Bonding5-30% VolumeGoodin etc.
Powder MetallurgySinteringVariableVariableHigh
Table 7 Contribution of Each Component to Strength
MaterialCore StrengthCladding ContributionInterface Effect
CCA70-110 MPa+20-40 MPa+10-30 MPa
CCS400-550 MPa+0 MPa+0-20 MPa
NCC220-250 MPa+30-50 MPa+20-40 MPa
Table 8 Raw Material Cost (March 2026)
MaterialLME Price ($/Ton)Density (g/cm³)VolumeCost ($/cm³)
Copper12,8908.960.115
Aluminum2,5002.700.0068
Nickel14,1208.900.126
Silver1,045,00010.4910.96
Steel6507.850.0051
Table 9 TCOComparison (100m, 100AApplications, 20Year Service Life)
FactorCopperCCACCS
MaterialCost$850$380$320
InstallationCost$150$180$160
Operation Loss$120$145$180
Maintenance$50$60$50
Recycling Value-$85-$30-$15
20YearTCO$1,085$735$695
Table 10 Material-ApplicationsMatrix
ApplicationsCCACCSNCCSCC
Building WiringWire★★★☆☆★☆☆☆☆★☆☆☆☆★☆☆☆☆
Coaxial Cable★★★★★★★★★☆★☆☆☆☆★★★☆☆
Grounding★★☆☆☆★★★★★★★☆☆☆★☆☆☆☆
Aerospace★★☆☆☆★☆☆☆☆★★★★★★★★☆☆
Automotive★★★★☆★★☆☆☆★★★☆☆★☆☆☆☆
RF/Microwave★★★★☆★★★☆☆★★☆☆☆★★★★★
Table 11 Dual MetalConductorKey standards
standardsMaterialScopePublisher
ASTM B566CCASpecificationASTM
ASTM B452CCSSpecificationASTM
ASTM B355NCCSpecificationASTM
IEC 62602CCAInternationalIEC
SAE AS4395NCCAerospaceSAE
IEEE 80GroundingApplicationsIEEE
Table 12 Applicationscertification Requirements
ApplicationsRequiredcertificationTypical Test
Building WiringWireUL, cUL阻燃、Mechanical、Electrical
AutomotiveIATF 16949AutomotiveDedicated Test
AerospaceSAE, Mil-SpecHigh Temperature、Vibration
MarineABS, DNVCorrosion、 Environment
Table 13 Market Growth Forecast (2026-2030)
Market Segment2026 ($M)2030 ($M)CAGR
CCA2,1003,20011.1%
CCS8501,1006.7%
NCC3204508.9%
SCC1802508.6%

参考文献

  1. Hunter, P. The Evolution of Electrical Conductors: A Historical Perspective IEEE Industry Applications Magazine 24(3) , 45-52 (2018)
  2. IEEE History Center History of Electrical Engineering IEEE Publications (2023)
  3. ASTM International ASTM B566-04: Standard Specification for Copper-Clad Aluminum Wire ASTM International, West Conshohocken, PA (2020) https://www.astm.org/Standards/B566.htm
  4. ASM International ASM Handbook, Volume 2: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials ASM International (2020)
  5. Jackson, J. D. Classical Electrodynamics (3rd ed.) Wiley (1999)
  6. London Metal Exchange LME Non-Ferrous Metals Prices LME (2026) https://www.lme.com
  7. Market Research Future Global Bimetallic Conductor Market Report 2026-2030 MRFR Publications (2025)
  8. Davis, J. R. (Ed.) Copper and Copper Alloys ASM International (2001)
  9. Altenpohl, D. G. Materials in World Perspective Springer (1998)
  10. Hufnagel, W. (Ed.) Aluminium Handbook Aluminium-Verlag (1994)
  11. American Welding Society Welding Handbook, Volume 3: Materials and Applications AWS (2021)
  12. Klein, D., & MacKenzie, P. Optimization of precious metal cladding for electrical conductors Journal of Electronic Materials 47(8) , 4521-4529 (2018)
  13. Zhang, W., & Li, H. Interface formation in bimetallic conductors Materials Science and Engineering A 823 , 141789 (2021)
  14. International Electrotechnical Commission IEC 62602: Copper-clad aluminum for electrical purposes IEC, Geneva (2022) https://www.iec.ch
  15. Society of Automotive Engineers SAE AS4395: Copper-Clad Aluminum Wire for Aerospace SAE International (2020) https://www.sae.org

权威参考链接

ASTM International IEC (International Electrotechnical Commission) ISO (International Organization for Standardization) SAE International IEEE
徐

徐高磊

(Gaolei Xu)

资深材料科学家

资质荣誉

  • • 锐创集团 CTO
  • • 浙江省高层次人才特殊支持计划青年人才
  • • 绍兴市"科技副总"
  • • 绍兴市科技特派员
  • • 全国有色金属standards化技术委员会重金属分技术委员会(TC243/SC2)委员

国家standards（主要起草人） 查看官方

发明专利 检索专利

专业Section

CCA(CCA)技术 铜包钢(CCS)制造工艺 双金属复合材料 光伏焊带技术 电动汽车电池极耳材料 连续挤压技术

代表性论文

  • • 轧制法制造金属层状复合材料的研究与Applications，《铝加工》2008年第3期
  • • 铜铝复合带退火工艺的研究
  • • 电缆用铜铝复合带制备工艺研究
  • • 轧制铜/铝复合带材在退火过程中的界面组织演变

徐高磊先生是有色金属加工Section的知名专家，拥有超过15年的丰富经验。他入选浙江省高层次人才特殊支持计划青年人才。他在双金属复合材料技术开发方面做出了重要贡献，并为中国铜及双金属材料的standards化工作做出了重要贡献。

点击standards/专利编号可查看官方文档

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