آلومینیوم؛ کاربردها و ویژگی ها
آلومینیوم چیست؟
آلومینیوم فلزی است سفید متمایل به آبی (نقره ای) است. اگرچه فراوان ترین فلز در پوسته زمین است (حدود ۸ درصد) اما به صورت خالص وجود ندارد و از اجزای سنگ های معدنی به دست می آید. موارد استفاده در حمل ونقل، بسته بندی، ساخت و ساز، برق و… می باشد.
ترکیب منحصر به فرد و خواص عالی آلومینیم باعث شده است این فلز یکی از مهمترین مواد مهندسی و ساخت مصالح به شمار آید. جرم سبک ،استحکام به وزن بالا و مقاومت بالا در مقابل خوردگی و زنگ زدگی این فلز را تبدیل به یک فلز عالی نموده است.
قابل بازیافت است و با محیط زیست سازگار است. با دوام است و سالها بدون پوسیدگی کار می کند. چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش کاربردی ترین فلز بعد از آهن به شمار می آید و تقریبا در تمامی بخش های صنعت دارای اهمیت می باشد.
چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش، آلومینیوم کاربردیترین فلز بعد از آهن است و تقریبأ در تمامی بخشهای صنعت دارای اهمیت میباشد. آلومینیوم خالص، نرم و ضعیف است، اما میتواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس، منیزیوم، منگنز،سیلیکون و دیگر عناصر بوجود آورد که این آلیاژها ویژگیهای مفید گوناگونی دارند.
این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکتها را میسازند.وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند، پوششی تشکیل میدهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس میکند. این پوششها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود میآورند که همانند پوششهای نقره خاصیت خود را از دست نمیدهند.
یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینههای تلسکوپهای نجومی است.آلومینیوم خالص فاقد استحکام و بسیار انعطاف پذیر است. اما آلیاژ این عنصر با عناصر مس، منیزیم، سیلیسیوم و منگنز کاربرد زیادی در صنایع مختلف دارد.
تاریخچه کشف آلومینیوم
فردریک وهلر” بطور کلی به آلومینیوم خالص اعتقاد داشت. اما این فلز دو سال پیشتر بهوسیله «هانس کریستین ارستد» شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی بدست آمد. در روم و یونان باستان این فلز را بهعنوان ثابت کننده رنگ در رنگرزی و نیز بهعنوان بند آورنده خون در زخمها بکار میبردند و هنوز هم بهعنوان داروی بند آورنده خون مورد استفادهاست. در سال ۱۷۶۱، «گویتون دموروو» پیشنهاد کرد تا alum را آلومین (alumin) بنامند.
مشخصات فنی آلومینیوم
- نشان شیمیایی : Al
- شکل ظاهری: یک فلز نرم، نقرهای
- عدد اتمی : ۱۳
- جرم اتمی : ۲۶/۹۸۱۵ گرم
- جرم حجمی در ۲۰ درجه سانتیگراد ۲٫۷۰ گرم بر سانتیمتر مکعب
- نقطه ذوب : ۹۳۳ درجه کلوین
- نقطه جوش: ۲۷۹۲ درجه کلوین
- دمای پلاسما: ۷۸۵۰ درجه کلوین
- استحکام کششی: ۹ کیلوگرم بر میلیمتر مربع
- تنش تسلیم : ۳ کیلوگرم بر میلیمتر مربع
- افزایش طول تا پارگی ۴۵ درصد
- سختی : ۱۶ برینل
- مدول کشسانی : ۶۲/۰۵۳ گیگا پاسکال در دمای صفر درجه سانتیگراد
- نسبت پوآسون : ۰٫۳۵
خواص اصلی آلومینیوم
جرم حجمی کوچک و مقاومت به خوردگی جوی خوب آلومینیوم خالص تجارتی (یعنی آلومینیومی که ۰٫۵ درصد ناخالصی دارد) سبب می شود تا آلومینیوم خالص تجارتی در صنعت درب و پنجره سازی کاربرد زیادی پیدا نماید. کاربرد آن به وسیله خواص فیزیکی به ویژه هدایت الکتریکی و حرارتی و همچنین مقاومت خوردگی خوب، توجیه می شود. زیرا چکشخواری و سیالیت آلومینیوم و آلیاژهای آن بسیار خوب است. تعدادی از قطعات جدتر نازک آلومینیومی به روش ریخته گری تحت فشار (دایکست)، تولید میشوند. به علاوه این فلز برای تغییر شکل سرد، بسیار مناسب است.
قابلیت هدایت الکتریکی
مقاومت الکتریکی آلومینیوم به طور قابل ملاحظه ای بالاتر از مقاومت الکتریکی مس است اما با در نظر گرفتن جرم حجمی کم آن در مقابل مس، مقاومت یک سیم آلومینیومی که جرم آن یک گرم و طول آن یک متر باشد نصف مثاومت الکتریکی سیم مشابه مسی است. به این علت است که آلومینیوم بیش از پیش به عنوان هادی الکتریسیته به کار میرود به ویژه برای خطوط فشار قوی که در این کاربرد، ضعف مقاومت مکانیکی توسط یک محور فولادی برطرف می گردد. قابلیت هدایت الکتریکی این فلز مانند حالت مس خالص با تغییر شکل سرد، کمی کاهش و با حضور ناخالصی ها شدیدا کاهش می یابد.
قابلیت هدایت حرارتی
هدایت حرارتی زیاد و سبکی آن سبب می شود تا کاربردهای بسیاری پیدا نماید. دیگ و ظروف مشابه و ماهیتابه برای مصارف خانگی، مبدل های حرارتی، دستگاه های خنک کننده، سمبه ها و بستار برای موتورهای درون سوز سبک از آن جمله اند. متاسفانه ضریب انبساط زیاد آلومینیوم (در ۲۰ درجه سانتیگراد ضریب خطی انبساط حرارتی آلومینیوم ۲۳٫۸×۱۰-۶ بر درجه سانتیگراد است) و نقطه ذوب کم کاربرد آنرا به عنوان هادی حرارت محدود می کند. در اغلب اوقات درجه حرارت مورد استفاده از ۲۰۰ درجه سانتیگراد تجاوز نمیکند.
مقاومت خوردگی
اگرچه آلومینیوم شدیدا اکسیده می شود ولی در برابر خوردگی جوی بسیار مقاوم است. زیرا توسط یک قشر نازک، متراکم و چسبنده به نام اکسید آلومینیوم، محافظت شده و آنرا در برابر نفوذ اکسیژن محافظت می کند. مقاومت خوردگی این فلز با اضافه شدن عناصر آلیاژی کاهش می یابد. تا آنجا که بعضی از آلیاژهای آلومینیوم باید از طریق پوشش ورقه نازکی از آلومینیوم خالص تجارتی به روش نورد محافظت گردند. نام دیگر این محصولات Alclad است.
در مجموعه های فلزی باید از تماس آلومینیوم با فلزات نجیب تر از آن جلوگیری کرد. به عنوان مثال آلومینیوم با مس و آهن تولید کوپل گالوانیزه می نماید که قشر آلومینیوم محافظ را خراب کرده به این ترتیب موجب خوردگگی شدید آن می گردد. اما استفاده از این فلز به عنوان روکش برای آهن، مقاومت به خوردگی آهن را زیاد می کند. با کمک پودر آلومینا به همراه فلاکس کلرید آمونیوم در دمای ۹۰۰ درجه سانتیگراد در محیط هیدروژن (فرآیند کالرایزینگ) روکش پوشانده می شود.
ویژگی های آلومینیوم
- سبکی وزن
- وزن مخصوص کم
- غیر مغناطیسی بودن
- مقاومت در برابر خوردگی
- آلومینیوم خالص فاقد استحکام و بسیار انعطاف پذیر است
- نسبت بالای استحکام به وزن: تلفیقی از استحکام بالا و سبکی وزن، فقط در چند ماده در طبیعت وجود دارد. استحکام بالای برخی از آلیاژ های آلومینیوم قابل مقایسه با استحکام فولاد ها است.
- قابلیت شکل پذیری :می توان با روش های مختلف شکل دادن فلزات، تغییر فرم داد
- همچنین قابلیت اتصال به روش های جوشکاری ، لحیم کاری، چسب کاری و پرچ کاری دارد.
- خاصیت ارتجاعی: برخی از آلیاژ های آلومینیومی چنانچه در یک محدوده خاص تحت تاثیر نیرو یا ضربه قرار گیرند، پس از برداشتن نیرو می توانند دوباره حالت اولیه خود را به دست آورند.
- هدایت حرارتی بالا :بعد از نقره ، مس و طلا هادی ترین فلز است، به خاطر همین خاصیت در ساخت ظروف آشپزخانه، مبدل های حرارتی آبی و روغنی است.
- غیر سمی بودن: آلیاژهای جامد که دارای لایه اکسیدی سطحی هستند غیر سمی اند
- هدایت الکتریکی: در یک حجم مساوی، آلومینیوم مانند مس حدود ۶۲ درصد الکتریسته را از خود عبور می دهد.بعد از نقره مس و طلا بالاترین هدایت الکتریکی را دارا می باشد.
- قابلیت بازتاب نور، آلومینیوم قابلیت بازتاب بیش از ۸۰ درصد اشعه نور مریی و اشعه های نامریی که طول موج مریی در دو انتهای طیف نور را دارد.
- عدم جرقه زایی، با اینکه آلومینیوم قابلیت هدایت الکتریکی بسیار بالایی دارد ، ولی جرقه تولید نمی کند.
کاربردهای آلومینیوم
همه ویژگی های ذکر شده ، آلومینیوم را به یک گزینه مناسب جهت کاربرد در شرایط خاص تبدیل نموده است.
قوطی ها وبسته بندیها
استفاده در بدنه و سر و ته قوطی های کنسرو، مهمترین استعمال آلومینیوم در این بخش از صنعت است که۹۰درصد آن را تشکیل می دهد.
صنایع حمل و نقل
مقاومت بالا به نسبت وزن کم سبب می شود که از آن در ساخت قسمت های چرخشی قطارها استفاده شود که به قطار اجازه می دهد تا سوخت و بار بیشتری را حمل نماید
ریل هایی از جنس آلومینیوم می توانند در انواع سیستم ریل مغناطیسی گسترش یابند.
ساخت واگن های حمل بار و مسافر، لکوموتیوها و مترو اشاره کرد.
یک عامل اساسی برای کاهش وزن است .این کاهش وزن باعث افزایش بهره وری و مصرف کمتر سوخت در خودرو شده است
متالورژی
به همراه درصد کمی سیلیس، روی منگنز، منیزیم، مس و یا لیتیوم، آلیاژهای مقاومی در برابر فرسودگی، و زنگ زدن را تشکیل می دهد که برای بسته بندی، ظروف، کالاهای الکتریکی، مصالح ساختمانی، هوا فضا و اتومبیل سازی به کار می رود.
صنعت ساختمان
مهمترین فاکتورهادر این قسمت عبارتند از ، وزن کم، شکل پذیری بالا، مقاومت بالا در برابر زنگ زدگی، هزینه کم برای نگهداری، عمرطولانی و عدم نیاز به رنگ کردن است.
وزن کم باعث می شود که هزینه احداث بنا پایین آمده، زمان ساخت نیز کاهش یابد.
چین و آمریکا بزرگترین مصرف کننده گان آلومینیوم در ساختمان سازی هستند.
صنایع برق
برای قسمت بالای دکل های انتقال برق فشار قوی به کار می رود.
استحکام بالا به نسبت وزن کم، باعث می شود که بتوان با آن دکل های بلند و مستحکمی ساخت که باعث کاهش قیمت در سیستم انتقال نیرو می شود.
ماشین ها و تجهیزات
این بخش شامل صنایع کشاورزی، ساختمان سازی و تجهیزات کارخانه هاست.
این موارد شامل لوله های آبیاری، نردبان ها، داربست ها، وسایل اتصاالت و سخت افزارهای دیگر است
کاربردهای دیگر
- کولرها، یخچال ها و فریزرها و ماشین لباسشویی، بخش عمدهای از کل تقاضای این فلز را تشکیل می دهند.
- تصفیه وگالوانیزه کردن فولاد
- برای تهیه انواع عایق و به عنوان یک رسانای خوب گرمایی، در تهیه وسایل آشپزخانه به کار می رود.
- بعد از مس، دومین عنصر رسانای جریان الکتریکی است و به علت ایجاد خطوط بسیار قوی الکتریکی، از آن برای تهیه سیم های انتقال ولتاژ بالای جریان استفاده می شود.
- بوکسیت ها در تهیه سیمان و ماده ثابت رنگ کاری به کار می روند
- از پودر اکسید آلومینیوم به صورت کانی بوکسیت، برای تهیه سولفات آلومینیوم و آلومینات سدیم در تصفیه آب استفاده می شود
- از سولفات آلومین نیز در صنایع کاغذسازی و پارچه بافی استفاده می شود.
- آلیاژهای آلومینیوم به سبب مقاومت بالا در برابر کشش به نسبت وزن کم آن، استفاده زیادی در ساخت هواپیماهای تجاری و نظامی دارند.
- اغلب در برابر زنگ زدن مقاوم است و میتوان از آن در مصارف طولانی مدت استفاده نمود.
- اگرچه رسانایی الکتریکی این عنصر ۶۰درصد مس است اما در صنایع انتقال خطوط الکتریکی به علت سبکی وزن کاربرد دارد.
استخراج آلومینیوم
آلومینیوم به صورت تجاری از طریق پروسه Hall-Heroult تهیه می شود. ابتدا با کمک فرآیندهای شیمیایی،آلومین (اکسید آلومینیوم) از بوکسیت استخراج میگردد. سپس محصول در یک الکترولیت مذاب حل شده و با عبور جریان برق، آلومینیوم خالص بر روی کاتد رسوب می نماید.
سنگ کریولیت یا فلورید سدیم و آلومینیوم طبیعی در گرینلند یافت می شود که کاربرد زیادی ندارد اما در عوض به جای کریولیت، مخلوط مصنوعی را از سدیم و آلومینیوم و فلورید کلسیم درست می کنند که در تجارت کاربرددارد. همچنین در گرانیت و خیلی از کانی های دیگر پیدا می شود. اکسید آلومینیوم در یاقوت سرخ و یاقوت کبود و کراندوم و سنگ سمباده یاقت می شود که این اکسید برای ساخت شیشه استفاده می شود. یاقوت سرخ و کبود مصنوعی برای اشعه لیزر نور همدوس کاربرد دارد.
تاثیر عناصر آلیاژی بر آلومینیوم چیست؟
با افزایش عناصر آلیاژی خواص مکانیکی آلومینیوم مانند استحکام تسلیم، استحکام کششی و سختی به طور قابل ملاحظه ای بهبود می یابد. باید توجه نمودکه بهبود فوق به صورت غیر قابل اجتناب به ضرر خواص دیگر مانند مقاومت خوردگی و هدایت الکتریکی است. عناصر آلیاژی عبارتند از مس، منیزیوم، سیلیسیوم، منگنز، نیکل، آهن،کروم و روی. تمامی این عناصر استحکام کششی و سختی را زیاد می کنند و هدایت حرارتی و الکتریکی را کاهش می دهند.
ایزوتوپها
آلومینیوم، دارای ۹ ایزوتوپ است که عمدهترین آنها بین ۲۳ تا ۳۰ مرتب شدهاند. تنها Al-۲۷ (ایزوتوپ پایدار) و Al-۲۶ (ایزوتوپ رادیواکتیو) بطور طبیعی وجود دارند. Al-۲۶ از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتیجه پروتونهای اشعه کیهانی رخ میدهد، تولید میشود.
ایزوتوپهای آلومینیوم، کاربردهای عملی در تعیین قدمت رسوبات دریایی، خاستگاه منگنز، یخهای دوران یخبندان، کوارتز در صخرهها و شهاب سنگها دارد.
Al-۲۶ اولین بار در مطالعات ماه و شهابسنگها بکار رفت. اجزاء شهابسنگها بعد از جدا شدن از پیکره مادر در مدت سفر خود در فضا در معرض شدید بمباران اشعه کیهانی هستند که باعث تولید آلومینیوم ۲۷ پایدار میشود. بعد از سقوط روی زمین، حفاظ اتمسفر مانع از تولید Al-۲۶ بیشتر از قطعات شهابسنگها میشود و واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آنها موثر است. تحقیقات روی شهابسنگها ثابت کردهاست که Al-۲۶ در زمان شکلگیری سیاره ما نسبتاً به مقدار فراوان وجود داشتهاست. احتمالاً انرژی آزاد شده در نتیجه واپاشی Al-۲۶، ذوب شدن مجدد و جدایی سیارکها بعد از شکل گیری آنها را ۲-۴ میلیارد سال پیش در پی داشتهاست.
اثرات آلومینیوم بر سلامتی
زمانیکه غلظت این فلز در محیط افزایش می یابد، اثرات شدیدی بر سلامت انسان میگذارد. آلومینیوم محلول در آب خطرناک است، به ذراتی که در آب حل شده اند، ذرات یونی گفته می شود به عنوان مثال، کلرید آلومینیوم. راه های دیگری که سبب افزایش مقدار این فلز در بدن می شود تنفس کردن و تماس پوستی است. تماس طولانی مدت با این فلز به سیستم عصبی مرکزی آسیب می رساند، سبب جنون می شود، فرد حافظه خود را از دست می دهد، باعث بی حالی شده و سبب لرز شدید و تشنج می گردد. تنفس آلومینیوم یا پودر اکسید آلومینیوم نیز بیماری زا می باشد. همچنین در گیاهان و جانورانی که از آن گیاهان تغذیه میکنند انباشته می شود.
اثر تنفس آلومینیوم بر جانوران مشکلات تنفسی، کمبود وزن و کاهش فعالیت می باشد. یون های آلومینیوم با فسفات واکنش می دهد. واکنش یون ها با فسفات باعث کمبود فسفات در ارگانیسم های آبی می شود. آبهای زیرزمینی که دارای مقدار زیادی از این فلز هستند به ریشه درختان آسیب می رساند.
برخی از تامین کنندگان آلومینیوم در سناماین👇
مطالب مرتبط
کاتد مس؛ کاربرد، فرآیند تولید و انواع
۵ خرداد ۱۴۰۰پوکه معدنی و صنعتی
۵ خرداد ۱۴۰۰گندله؛ خواص، مواد اولیه تولید و روش تولید
۵ خرداد ۱۴۰۰پلی یورتان؛ کاربردها و خواص
۴ اسفند ۱۳۹۹کک متالورژی چیست؟
۲۰ بهمن ۱۳۹۹پتاس؛ کاربردها و روش تولید
۲۰ بهمن ۱۳۹۹