Алюминий

Алюминий является вторым по значению (после меди) проводни­ковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов (т. е. металлов с плотностью менее 5 Мг/м3); плотность литого алюминия около 2,6, а прокатанного —2,7 Мг/м3. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами — как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028 : 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического со­противления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большим, т. е. диаметр должен быть в » 1,3 раза больше диаметра медного провода. Отсюда понятно, что если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза:

8,9/(2,7×1,63) >= 2.

Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0,5 % примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВОО (не более 0,03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов оксидных конденсато­ров. Алюминий наивысшей чистоты АВОООО имеет содержание приме­сей, не превышающее 0,004 %. Разные примеси в различной степени снижают удельную проводимость g алюминия. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0,5 % снижают y отожженного алюминия не более чем на 2—3 %. Более заметное действие оказывают примеси Сu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие v алюминия на 5—10 %. Очень сильно снижают g алюминия добавки Ti и Мп.

Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям над медью. Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6—7 мкм) фольга, применяемая в качестве электродов бумажных и пленочных конденсаторов.

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои или используются ультразвуковые паяльники. В местах контакта алюминия и меди возможна гальваническая коррозия. Если область контакта подвергается действию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны тщательно защищаться от увлажнения (покрытием лаками и тому подобными способами).

Иногда, например для замены свинца в защитных кабельных обо
лочках, используется алюминий с содержанием примесей не более
0,01 % (вместо 0,5 % для обычного проводникового алюминия).
Такой особо чистый алюминий сравнительно с обычным более мягок и пластичен и притом обладает повышенной стойкостью по отношению к коррозии.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей содержащий 0,3-0,5 % Mg, 0,4-0,7 % Si и 0,2-0,3 % Fe (остальное Аl). Высокие механические свойства альдрей приобретает после особой обработки (закалки катанки—охлаждение в воде при температуре 510—550°С волочение и последующая выдержка при температуре около 150 °С). В альдрее образуется соединение Mg2Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву; при указанной выше тепловой обработке достигается выделение Mg2Si из твердого раствора и перевод его в тонкодисперсное состояние.

Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляют собой сердечник, свитый и из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется главным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшается опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электрического поля на поверхности провода. Алюминий - в 3.3 раза легче меди, имеет сравнительно большую проводимость (для АМ  =0.028 мкОм . м) и стойкость к атмосферной коррозии за счет защитной пленки оксида Al2O3 . Алюминий мягкий имеет прочность на разрыв 80, твердый 160 - 170 МПа. По сравнению с медью имеет больший температурный коэффициент линейного расширения ( 26 . 10-6 1/оС ), что является недостатком. В местах контакта алюминиевого провода с проводами из других металлов во влажной среде возникает гальваническая пара, поэтому незащищенная лаками или другими способами алюминиевая проволока разрушается коррозией. Из алюминия особой чистоты с содержанием примесей не более 0.005% изготовляют электроды алюминиевых конденсаторов и алюминиевую фольгу. Из алюминия, содержащего примесей не более 0.3 - 0.5% (марки А7Е и А5Е), изготовляют проволоку и шины. Для жил кабелей может использоваться алюминий с уменьшенным содержанием примесей - марки А75К, А8К, А8КУ. Алюминиевые провода можно соединять друг с другом холодной или горячей сваркой, а также пайкой с применением специальных флюсов и припоев.

Недостатками алюминия являются невысокая механическая прочность при растяжении и повышенная мягкость даже у твердотянутого алюминия. Алюминий - металл серебристого цвета, или серебристо-белого. Температура плавления его 658-660, а температурный коэффициент расширения равен 24*10-6/С. Алюминий быстро покрывается тонкой пленкой окисла, которая надежно защищает металл от проникновения кислорода, поэтому голые (неизолированные) провода алюминия могут длительно работать на открытом воздухе. Оксидная пленка на алюминиевых проводах обладает значительным электрическим сопротивлением, поэтому в местах соединения алюминиевых проводов могут образовываться большие переходные сопротивления. Зачистку мест соединения проводов обычно производят под слоем вазелина во избежание окисления алюминия на воздухе. Непосредственную коррозию алюминия вызывают оксиды азота (NO), хлор (CI), сернистый газ (SO2), соляная и серные кислоты и другие агенты. Надежные соединения проводов друг с другом, а также с проводами из других металлов осуществляется с помощью холодной или горячей сварки. Чем выше химическая чистота алюминия, тем он лучше сопротивляется коррозии. Поэтому наиболее чистые сорта алюминия с содержанием чистого металла 99,5% идут для изготовления электродов в электрических конденсаторах, для изготовления алюминиевой фольги и обмоточных проводов малых диаметров 0,05 -0,08 мм.

Применяют проводниковый алюминий содержащий чистого металла не менее 99,7%. Для изготовления проволоки применяют алюминий с содержанием чистого металла не менее 99,5%. Алюминиевую проволоку изготовляют путем волочения и прокатки. Проволока из алюминия бывает трех видов марок: АМ (мягкая отожженная), АПТ (полутвердая) и АТ (твердая не отожженная). Проволоку выпускают диаметром от        0,08 до 10 мм.

Плотность алюминия

2,7г/см3

Температура плавления

658 - 660°С

Температурный коэффициент расширения

23*10- 6/°С

Температурный коэффициент эл. сопротивления

+0,00423 1/°С

Теплопроводность при 24°С

2,37 Вт×см-1×К-1

Удельное сопротивление

0,0282 ч 0,0283 ом*мм2

Электросопротивление при 20°С

2,6548×10-8 Ом×м

 

Известно несколько сотен минералов алюминия (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и др.). Получают электролизом глинозема Al2О3 в расплаве криолита Na3AlF6 при 950 °С. Алюминий имеет решётку гранецентрированного куба, устойчив при температурах от -269 °С до точки плавления (660 °С). Алюминий не имеет аллотропических изменений, элементарная ячейка состоит из 4 атомов, атомный диаметр 2,86×10-10 м. Теоретическая плотность алюминия равна 2698,72 кг/м3. Экспериментальные значения для поликристаллического материала находятся в пределах от 2696,6 до 2698,8 кг/м3. Электросопротивление алюминия высокой чистоты (99,99%) при 20°С составляет 2,6548×10-8 Ом×м, или 65% электросопротивления международного эталона из отожжённой меди. Отражательная способность полированной поверхности составляет более 90%.

Алюминий чистотой свыше 99,99% впервые был получен электролизом в 1920г. В 1925 г. в работе Эдвардса опубликованы некоторые сведения о физических и механических свойствах такого алюминия. В 1938г. Тейлор, Уиллей, Смит и Эдвардс опубликовали статью, в которой приведены некоторые свойства алюминия чистотой 99,996%, полученного во Франции также электролизом. Первое издание монографии о свойствах алюминия вышло в свет в 1967г.

В последующие годы благодаря сравнительной простоте получения и привлекательным свойствам опубликовано много работ о свойствах алюминия. Чистый алюминий нашёл широкое применение в основном в электронике - от электролитических конденсаторов до вершины электронной инженерии - микропроцессоров; в криоэлектронике, криомагнетике.

Более новыми способами получения чистого алюминия являются метод зонной очистки , кристаллизация из амальгам (сплавов алюминия со ртутью) и выделение из щёлочных растворов. Степень чистоты алюминия контролируется величиной электросопротивления при низких температурах.

В настоящее время используется следующая классификация алюминия по степени чистоты:

Обозначение

Содержание алюминия по массе,%

Алюминий промышленной чистоты

99,5 - 99,79

Высокочистый алюминий

99,80 - 99,949

Сверхчистый алюминий

99,950 - 99,9959

Особочистый алюминий

99,9960 - 99,9990

Ультрачистый алюминий

свыше 99,9990

 

Механические свойства алюминия при комнатной температуре:

Чистота, %

Предел текучести
d0,2,Мпа

Предел прочности,

dв, МПа

Относительное удлинение d,% (на базе 50 мм)

99,99

10

45

50

99,8

20

60

45

99,6

30

70

43

 

Большинство металлических элементов сплавляются с алюминием, но только некоторые из них играют роль основных легирующих компонентов в  промышленных алюминиевых сплавах. Тем не менее значительное число элементов используют в качестве добавок для улучшения свойств сплавов.

Алюминий легко поддаётся ковке, штамповке, прокатке, волочению. Он хорошо сваривается газовой, контактной и др. видами сварки. Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии).

Историческая справка

Название алюминия происходит от латинского alumen — так ещё за 500 лет до н. э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский учёный Х. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный AlCl3 и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый алюминий. Первый промышленный способ производства алюминия предложил в 1854 французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного хлорида алюминия и натрия Na3AICI6 металлическим натрием. Похожий по цвету на серебро, алюминий на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 было получено всего 200 т алюминия. Современный способ получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава разработан в 1886 одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции.

По распространённости в природе алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния и 1-е — среди металлов. Его содержание в земной коре составляет по массе 8,80%. В свободном виде алюминий в силу своей химической активности не встречается. Известно несколько сотен минералов алюминия, преимущественно алюмосиликатов. Промышленное значение имеют боксит, алунит и нефелин.

Он легко поддаётся ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и др. видами сварки. Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии).

Внешняя электронная оболочка атома алюминия состоит из 3 электронов и имеет строение 3s23р. В обычных условиях алюминий в соединениях 3-валентен, но при высоких температурах может быть одновалентным, образуя т. н. субсоединения. Субгалогениды алюминия, AIF и AlCl, устойчивые лишь в газообразном состоянии, в вакууме или в инертной атмосфере, при понижении температуры распадаются (диспропорционируют) на чистый Al и AlF3 или AlCl3 и поэтому могут быть использованы для получения сверхчистого алюминия. При накаливании мелкоизмельчённый или порошкообразный алюминий энергично сгорает на воздухе. Сжиганием алюминия в токе кислорода достигается температура выше 3000°C. Свойством алюминия активно взаимодействовать с кислородом пользуются для восстановления металлов из их окислов. При тёмно-красном калении фтор энергично взаимодействует с алюминием, образуя AIF3. Хлор и жидкий бром реагируют с алюминием при комнатной температуре, йод — при нагревании. При высокой температуре алюминий соединяется с азотом, углеродом и серой, образуя соответственно нитрид AIN, карбид Al4C3 и сульфид Al2S3. С водородом алюминий не взаимодействует; гидрид алюминия (AlH3)x получен косвенным путём. Большой интерес представляют двойные гидриды алюминия и элементов I и II групп периодической системы состава MeHn-nAlH3, т.н. алюмогидриды. Алюминий легко растворяется в щелочах, выделяя водород и образуя алюминаты. Большинство солей алюминия хорошо растворимо в воде. Растворы солей алюминия вследствие гидролиза показывают кислую реакцию.

Получение

В промышленности алюминий получают электролизом глинозёма Al2O3, растворённого в расплавленном криолите Na3AlF6 при температуре около 9500 С. Используются электролизеры трёх основных конструкций:

1) электролизеры с непрерывными самообжигающимися анодами и боковым подводом тока;

2) то же, но с верхним подводом тока;

3) электролизеры с обожжёнными анодами.

Электролитная ванна представляет собой железный кожух, футерованный внутри тепло- и электроизолирующим материалом — огнеупорным кирпичом, и выложенный угольными плитами и блоками. Рабочий объём заполняется расплавленным электролитом, состоящим из 6-8% глинозёма и 94-92% криолита (обычно с добавкой AlF6 и около 5-6% смеси фторидов калия и магния). Катодом служит подина ванны, анодом — погруженные в электролит угольные обожжённые блоки или же набивные самообжигающиеся электроды. При прохождении тока на катоде выделяется расплавленный алюминий, который накапливается на подине, а на аноде — кислород, образующий с угольным анодом CO и CO2. К глинозёму, основному расходуемому материалу, предъявляются высокие требования по чистоте и размерам частиц. Присутствие в нём окислов более электроположительных элементов, чем алюминий, ведёт к загрязнению алюминия. При достаточном содержании глинозёма ванна работает нормально при электрическом напряжении порядка 4-4,5 в. Ванны присоединяют к источнику постоянного тока последовательно (сериями из 150-160 ванн). Современные электролизеры работают при силе тока до 150 ка. Из ванн алюминий извлекают обычно с помощью вакуум-ковша. Расплавленный алюминий чистотой 99,7% разливают в формы. Алюминий высокой чистоты (99,9965%) получают электролитическим рафинированием первичного алюминия с помощью т. н. трёхслойного способа, снижающего содержание примесей Fe, Si и Cu. Исследования процесса электролитического рафинирования алюминия с применением органических электролитов показали принципиальную возможность получения алюминия чистотой 99,999% при относительно низком расходе энергии, но пока этот метод обладает низкой производительностью. Для глубокой очистки алюминия применяют зонную плавку или дистилляцию его через субфторид.

При электролитическом производстве алюминия возможны поражения электрическим током, высокой температурой и вредными газами. Во избежание несчастных случаев ванны надёжно изолируют, рабочие пользуются сухими валенками, соответствующей спецодеждой. Здоровая атмосфера поддерживается эффективной вентиляцией. При постоянном вдыхании пыли металлического алюминия и его окиси может возникнуть алюминоз лёгких. У рабочих, занятых в производстве алюминия, часты катары верхних дыхательных путей (риниты, фарингиты, ларингиты). Предельно допустимая концентрация в воздухе пыли металлического алюминия, его окиси и сплавов 2 мг/м3.

Применение в электротехнике и промышленности.

В электротехнике алюминий успешно заменяет медь, особенно в производстве массивных проводников, например в воздушных линиях, высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах. Электрическая проводимость алюминия достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из алюминия вдвое меньше медных. Сверхчистый алюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности окисной плёнки алюминия пропускать электрический ток только в одном направлении. Сверхчистый алюминий, очищенный зонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа AIIIBV, применяемых для производства полупроводниковых приборов. Чистый алюминий используют в производстве разного рода зеркал отражателей. Алюминий высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от действия атмосферной коррозии (плакирование, алюминиевая краска). Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, алюминий применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах.

В алюминиевых резервуарах большой ёмкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т. д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. Алюминий широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление алюминия для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.

В металлургии алюминий (помимо сплавов на его основе) — одна из самых распространённых легирующих добавок в сплавах на основе Cu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe. Применяют алюминий также для раскисления стали, перед заливкой её в форму, а также в процессах получения некоторых металлов методом алюминотермии. На основе алюминия методом порошковой металлургии создан САП (спечённый алюминиевый порошок), обладающий при температурах выше 300°C большой жаропрочностью.

Алюминий используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения алюминия.

Производство и потребление алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.

В настоящее время четвертая часть всего алюминия идет на нужды строительства, столько же потребляет транспортное машиностроение, примерно 17% часть расходуется на упаковочные материалы и консервные банки, 10% – в электротехнике.

Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.
Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости. Высокая теплопроводность в сочетании с более чем удовлетворительной химической стойкостью сделали алюминий перспективным материалом для теплообменников и других аппаратов химической промышленности, домашних холодильников, радиаторов автомобилей и тракторов. Высокая отражательная способность алюминия оказалась очень кстати при изготовлении на его основе мощных рефлекторов, больших телевизионных экранов, зеркал. Малый захват нейтронов сделал алюминий одним из важнейших металлов атомной техники.

Все эти многочисленные достоинства алюминия становятся еще более весомыми оттого, что этот металл в высшей степени технологичен. Он прекрасно обрабатывается давлением - прокаткой, прессованием, штамповкой, ковкой. В основе этого полезного свойства - кристаллическая структура алюминия. Его кристаллическая решетка составлена из кубов с центрированными гранями; расстояние между параллельными плоскостями 4,04 \AA. Металлы, построенные таким образом, обычно хорошо воспринимают пластическую деформацию. Алюминий не стал исключением.

Но при этом алюминий малопрочен. Предел прочности чистого алюминия - всего 6...8 кг/мм3, и если бы не его способность образовывать намного более прочные сплавы, вряд ли стал бы алюминий одним из важнейших металлов XX в.

То, что алюминий - хороший проводник, известно давно и активно используется в электротехнике и электронике. Но, оказывается, при определенных условиях он может вести себя как керамика и даже как полупроводник. К такому выводу пришли исследователи из Университета штата Огайо, проведя на основе квантовой механики моделирование поведения слоев алюминия и меди толщиной всего в один атом. В частности, изучался процесс скольжения одного слоя атомов над вторым слоем. Важность такого исследования заключается в том, что в очень маленьких электронных устройствах температурные флуктуации могут приводить к расширению или сжатию материала, а поэтому надежность работы таких устройств во многом зависит от того, как их компоненты ведут себя при смещениях слоев атомов друг относительно друга. Оказалось, что слои атомов меди обладают достаточной подвижностью, тогда как слои атомов алюминия не скользят, а как бы проскакивают друг через друга. Ученые полагают, что причина в связях, при которых атомы соседних слоев могут делать электроны общими, что, скорее, характерно для керамики и полупроводников. Кроме того, выяснилось, что алюминий более устойчив к механическим напряжениям, чем медь. Эти неизвестные ранее свойства алюминия делают его весьма перспективным материалом для наноэлектроники, хотя ранее он считался не вполне пригодным для создания электронных устройств.

Уже сейчас трудно найти отрасль промышленности, где бы  не использовался алюминий или его сплавы - от микроэлектроники до тяжёлой металлургии. Это обуславливается хорошими механическими качествами, лёгкостью, малой температурой плавления, что облегчает обработку, высоким внешними качествами, особенно после специальной обработки. Учитывая перечисленные и многие другие физические и химические свойства алюминия, его неисчерпаемое количество в земной коре, можно сказать, что  алюминий - один из самых перспективных материалов будущего.

Список использованной литературы.

 

1. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов. Справочное руководство. Редакционная коллегия И.В. Горынин и др. Москва «Металлургия», 1978.

2. Алюминий. Свойства и физическое металловедение. Справочник. Дж.Е.Хэтч. Москва, «Металлургия», 1989.

3.  Проводниковые материалы. Под ред. Л. Ш. Казарновского.Москва, «Энергия», 1970.

4. Боородицкий Н. П. Электротехнические материалы. Энергоатомиздат, 1985