TMS BOOK · ACADEMY 课题
铜、钢及复合材料的应用场景
热管理里九成结构件是铝，但总有铝干不了的活：大电流母排要铜、耐高温耐腐蚀的板换要不锈钢、水室端盖要玻纤增强塑料。本课不背材料手册，只讲“什么场景该跳出铝、换成谁”，最后给一张按场景选材的判断表。
H1-02 · 材料、连接与制造工艺 / 金属材料与轻量化
待认领listed
→
众筹中recruiting
→
已开课open · Course 售卖
一课题可并存多讲师版本
课程大纲
学完能做什么
- 能说清铜、不锈钢、工程塑料、复合材料各自不可替代的场景
- 能用比导热 k/ρ 解释为何散热主结构选铝而不是铜
- 能判断板式换热器、EGR/排气侧为何要用不锈钢
- 能为水室/端盖/风道/膨胀水壶选对工程塑料牌号族（PA-GF / PPS / PP）
- 能识别异种材料相接时的电偶腐蚀与热膨胀失配风险
内容大纲
- 跳出铝的四条路：选材总表与各材料族定位
- 导热优先且不计重 → 铜（局部热点、母排、热管）
- 耐高温/耐腐蚀/耐压 → 不锈钢（板换、EGR、排气侧）
- 绝缘、轻、形状复杂 → 工程塑料
- 高比刚度/特殊需求 → 复合材料
- 玻纤/碳纤增强、金属基复合（MMC）、石墨的定位
- 铜与铜合金：高 k 的用武之地、适用边界与代价
- k≈400 W/(m·K) 但 ρ≈8.9 g/cm³，比导热 k/ρ 反而不如铝——但这句只对翅片与导热受限件成立；耐压受限的扁管/集流管壁厚由耐压定，此处铜的高 k 无用武之地（热阻串联与控制热阻见 [[A3-01]]，翅片效率 η_f 与 m=√(2h/(k·δ)) 见 [[A3-02]]）
- 用武之地：功率器件热扩散板、母排（导电+导热）、热管/均热板吸液芯
- 铜的钎焊/焊接温度与铝完全不同，连接工艺要分开考虑
- 易切削黄铜（阀体、接头、快插件）的含铅问题：车用铅/汞/镉/Cr⁶⁺ 由 ELV 指令附件 II 与 GB/T 30512《汽车禁用物质要求》管（**不是 RoHS**，整车与汽车零部件不在 RoHS 适用范围内）；铜合金含铅属附件 II 的**限期豁免**、带到期与复审节点（具体条目与日期按现行版本确认）。选材阶段就要把低铅/无铅牌号的退路连同切削性、成本代价一并算清，别等豁免到期才换料（见 [[M4-05]]）
- 钢与不锈钢：耐高温耐腐蚀场景与它自带的工艺链
- 奥氏体不锈钢 316/316L：钎焊板式换热器片，耐冷却液/冷媒腐蚀；选了不锈钢＝同时选了另一条连接工艺链——不锈钢走 Cu/Ni 钎料 + 真空/还原气氛，与铝的 CAB 钎剂破膜、真空 Mg getter 是三套互不通用的机理，也是另一套成本（路线对照见 [[H2-03]]，本课只作指向、不展开工艺窗口）
- 耐高温排气/EGR 冷却器、涡轮增压侧
- 碳钢支架、铸铁发动机水套（传统方案）
- 密度大、导热低，只在铝/铝合金撑不住时才用
- 工程塑料：PA-GF / PPS / PP 三条不同的失效路
- PA66-GF30 水室/端盖/风道：轻、绝缘、可注塑复杂形状
- PPS：耐高温、耐冷媒、尺寸稳定，用于接触制冷剂或高温处
- 导热填充型塑料在轻散热件上的尝试与局限
- PP（聚丙烯）：热管理里第三个必须点名的塑料家族——吹塑成型的膨胀水壶/去气罐、洗涤液壶与部分风道；它的选型主约束不是耐温而是**耐环境应力开裂 ESCR 与成型工艺**（乙二醇与缓蚀剂是浸润介质，吹塑残余内应力、夹坯线与浇口是现成的应力源），与 PA 走水解、PPS 走耐温耐冷媒是三条不同的失效路。机理、试验判据与对策见 [[H4-04]]，本课只补选材表这一格
- 异种材料界面：电偶腐蚀、CTE 失配与多材料集成的代价
- 铜—铝直接接触又走冷却液时的电偶腐蚀
- 塑料—金属结合处的密封与热膨胀差异
- 多材料装配的电偶腐蚀隔离与 CTE 匹配
- 连接工艺差异（塑料激光焊/振动焊 vs 金属钎焊）
- 选材—成本—回收的入门权衡
关键公式
k/ρ：Cu≈400/8.9 vs Al≈200/2.7
比导热；铝单位重量的导热能力约为铜的 1.7 倍——散热主结构选铝而非铜的**主因之一**，与单位体积材料成本（铜约 11 倍、等性能约 5.7 倍）、全铝钎焊工艺链（无铅焊、一体钎焊芯体、包覆/牺牲层耐蚀、回收性）并列。**适用边界**：k/ρ 只对翅片（等翅片效率下的最小质量指数）与导热受限件（热扩散板/母排/基板）成立；扁管、集流管、水室的壁厚由耐压 σ_θ=p·d/(2δ) 与耐蚀余量定，该处指数退化为纯密度 ρ，铜的高 k 换不来任何减重。
q = k·A·ΔT/δ
面积受限、局部高热流密度处，铜的高 k 才划算（热点扩散、母排）
σ = E·Δα·ΔT
异种材料连接的热膨胀失配应力；α(×10⁻⁶/K)：Al≈23、Cu≈17、不锈钢≈16、碳钢≈12
i_galv ∝ (E_c − E_a)·(A_c/A_a)
电偶腐蚀速率随电位差与阴/阳极面积比上升；铜(阴)-铝(阳)且大铜小铝最危险。**定性判据**：须有导电电解液连通、且溶液电阻可忽略（阴极控制）时成立，**不可用来反算绝对腐蚀速率**；低电导/去离子回路里 R_sol 主导、电偶攻击只集中在接触点邻域，面积比判据弱化（见 [[H7-02]]、[[H6-01]]）。
关键概念
比导热 k/ρ无氧铜/黄铜母排 busbar均热板/热管316L 不锈钢EGR 冷却器PA66-GF30PPS金属基复合 MMC热膨胀系数 CTE电偶腐蚀塑料激光/振动焊聚丙烯 PP / 环境应力开裂 ESCR
推荐工具与标准
材料属性数据库（CES/Granta 等） 激光闪射法导热系数测试 金相与 SEM 分析 注塑 CAE（Moldflow） 供应商材料数据表
GB/T 20878 / ASTM A240 不锈钢牌号（316/316L）体系 GB/T 5231 加工铜及铜合金牌号与化学成分 ISO 527（塑料拉伸）/ ISO 75（热变形温度 HDT） ISO 9227 / GB/T 10125 盐雾（多材料防腐验证）
工程案例
某 800V 平台电驱功率模块局部热点：铝冷板整体够用，但功率器件正下方热流密度过高，于是在该处贴一小块铜热扩散板（heat spreader）把热“摊开”再交给铝冷板。权衡这块铜的增重与降温收益，处理铜—铝界面的 TIM 与电偶隔离，落到“铝为主、铜点睛”。
动手做
交付物 · 给三个场景（功率器件母排散热 / 板式 Chiller / 前端风道）：① 各选一种主材并写一条理由；② 对其中“铜—铝”或“塑料—金属”接口，指出电偶或 CTE 风险与一条对策；③ 用 k/ρ 对比说明散热主结构为何仍是铝。交付一张场景—材料对照表。
常见误区
- 以为铜导热高就整体用铜做换热器，结果又重又贵、比导热还输给铝
- 不锈钢板换按铝的导热去估换热面积，面积严重不足
- PA-GF 水室不考虑长期热老化与冷却液溶胀，用久了开裂渗漏
- 铜铝直接接触走冷却液不做隔离，电偶腐蚀吃穿铝
- 塑料件用金属的 CTE 估热变形间隙，装配后卡死或漏
相关课题