علم سرامیک

آلومینیوم (Aluminium) فلزی نرم و سبک است که دارای ظاهر نقره ای کدر می باشد زیرا وقتی در معرض هوا قرار می گیرد، یک لایه نازک از اکسید آلومینیوم سریعا روی سطح آن تشکیل می­ شود. نام آلومینیوم از نام باستانی آلوم (سولفات آلومینیوم پتاسیم) که آلومن (در لاتین به معنی نمک تلخ) می باشد، گرفته می شود. آلومینیوم غیر سمی،غیر مغناطیسی و غیر قابل اشتعال است و رادیو اکتیو نیز نمی باشد. 

چگالی آلومینیوم: آلومینیوم در حدود یک سوم وزن مس،فولاد یا برنج با حجم مساوی را دارد.

خواص شیمیایی آلومینیوم : آلومینیوم دارای خواص بسیار مفید و جالبی می باشد. در هوای مرطوب به آرامی با اکسیژن ترکیب شده و اکسید آلومینیوم تشکیل می شود. اکسید آلومینیوم یک لایه بسیار نازک نسبتا سفید است که بر روی سطح فلز، تشکیل می ­شود. این پوشش از واکنش بیشتر با اکسیژن جلوگیری کرده و فلز را از خوردگی بیشتر محافظت می­ کند. آلومینیوم فلز نسبتا فعالی است که با اسیدهای خیلی گرم و همچنین با قلیایی ها، واکنش می ­دهد. قلیا یک ماده شیمیایی با خواص مخالف اسید است. اینکه یک عنصر هم با اسید و هم با باز واکنش دهد یک امر غیر عادی است. به چنین عناصری آمفوتر گفته می­ شود. آلومینیوم همچنین به سرعت با آب گرم واکنش می­ دهد. در حالت پودری شکل، هنگامی که در معرض شعله قرار گیرد، به سرعت مشتعل می­ شود.

مقاومت به خوردگی آلومینیوم: آلیاژ های آلومینیوم دارای مقاومت به خوردگی بالایی هستند که در نتیجه لایه اکسیدی تشکیل شده در اثر واکنش با اتمسفر می­ باشد. این لایه مقاوم، آلومینیوم را از بیشتر مواد شیمیایی، شرایط هوا زدگی و حتی بیشتر اسیدها محافظت می­ کند، اما مواد آلکالین به عنوان مواد نفوذ کننده به پوسته شناخته می­ شوند و سبب خوردگی فلز می­ شوند.

هدایت الکتریکی بالا: آلومینیوم دارای هدایت الکتریکی نسبتا بالایی است که  آن را به عنوان یک ماده هادی، مناسب می­ سازد. مس که بطور گسترده تری به عنوان هادی استفاده می شود دارای هدایت تقریبا 161% آلومینیوم است. رابط های آلومینیومی پس از استفاده های مکرر، تمایل به نرم شدن پیدا می کنند که سبب جرقه زدن و آتش سوزی می شود که نیاز به احتیاط زیاد و طراحی خاص، هنگام استفاده از آلومینیوم در سیم کشی ساختمان ها می ­باشد.

استحکام: آلومینیوم می تواند تحت بارها و فشارهای زیاد ایستادگی کند، هنگامی که آلیاژ می شود می تواند استحکامی تقریبا معادل فولاد داشته باشد. در دما های نسبتا بالا (200-250 درجه سانتی گراد) آلیاژ های آلومینیوم تمایل به از دست دادن استحکام خود را دارند. اما در دما های زیر صفر، تا زمانی که شکل پذیری آنها حفظ شود، استحکامشان افزایش می یابد که این موضوع آلومینیوم را بعنوان آلیاژ های دما پایین مناسب می ­سازد.

انعطاف پذیری: در کاربرد هایی که علاوه بر استحکام نیاز به انعطاف پذیری می باشد می توان از آلومینیوم استفاده کرد.

اولین مرحله در استخراج آلومینیوم خارج کردن آن از زمین در معدن است. اگرچه آلومینیوم هرگز به تنهایی در پوسته زمین (به دلیل واکنش پذیری بالای آن) یافت نمی شود، اما در عوض در ترکیباتی در پیوند با عناصر دیگر به خصوص اکسیژن و سیلیکون، یافت می­ شود.

بوکسیت با استفاده از فرایند بایر، خالص می شود. این فرایند طی دو مرحله اتفاق می افتد. ابتدا سنگ معدن آلومینیوم با هیدروکسید سدیم مخلوط می شود تا اکسیدهای آلومینیوم و سیلیکون حل شوند، اما سایر ناخالصی ها در این مرحله حل نمی شوند. این ناخالصی ها سپس از طریق فیلتر سازی از بین می روند. سپس گاز دی اکسید کربن از درون محلول باقی مانده می­ جوشد و اسید کربنیک ضعیف تشکیل می­ شود، که محلول را خنثی کرده و سبب رسوب اکسید آلومینیوم می شود، اما ناخالصی های سیلیکون در محلول از بین می­ روند. پس از فیلتر سازی و جوشیدن تا از بین رفتن آب، اکسید آلومینیوم خالص بدست می­ آید.

هنگامی که اکسید آلومینیوم خالص تولید می­ شود، آلومینیوم از طریق روش Hall-Heroult بدست می آید. در این روش اکسید آلومینیوم با کریولیت (ساخته شده از فلورید سدیم و فلورید آلومینیوم) مخلوط شده و سپس تا حدود 980 درجه سانتی گراد گرم می شود تا جامدات ذوب شوند. این دما بسیار پایین تر از دمای مورد نیاز برای ذوب اکسید آلومینیوم خالص است که سبب ذخیره انرژی می­ شود. سپس این مخلوط مذاب با جریان خیلی زیاد، الکترولیز شده و یون های آلومینیوم برای تشکیل فلز آلومینیوم (در کاتد) کاهش می یابند و گاز اکسیژن در آند که از جنس کربن است، آزاد می­ شود تا با آن واکنش داده و گاز دی اکسید کربن تشکیل شود. از آنجا که این فرایند به طول می انجامد و نیاز به صرف انرژی (برق) زیاد دارد، فلز آلومینیوم بدست آمده بسیار گران قیمت است اما هنوز از نظر قمیت، قابل رقابت با سایر فلزات می باشد. 

آلیاژهای آلومینیوم در حالت کلی به دو دسته کار پذیر و ریختگی تقسیم بندی می شوند. برخی از کاربردهای آلومینیوم در ذیل آورده شده است:

•  قوطی های کنسرو و فویل ها
• وسایل آشپزخانه
• درب منازل مسکونی
• کاربردهای صنعتی در جایی که استحکام، سبکی و مواد ساده مورد نیاز است.
• سیم های الکتریکی، اگرچه هدایت الکتریکی تنها در حدود 60% مس می باشد، از این فلز در خطوط انتقال الکتریسته به دلیل وزن کم و قیمت پایین استفاده می­شود.
• آلیاژهای آلومینیوم در ساخت هواپیما و موشک ها، بسیار مهم و حیاتی هستند.

در نمودار زیر درصد استفاده از آلومینیوم در صنایع مختلف نشان داده شده است.

¹³Al

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

ASM Handbook Volume 02: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials

ASM Specialty Handbook: Aluminum and Aluminum Alloys

www.chemicool.com