آلومینیوم فلزی شگفت انگیز

آلومینیوم (1)

اهداف

بررسی آلیاژهای آلومینیوم موجود برای استفاده کننده

توصیف خواص مختلف آن

ارائه ی راهنمایی به منظور انتخاب آلومینیوم برای کاربردهای پیشنهاد شده
در این مقاله مواردی مهم در مورد آلومینیوم و آلیاژهای آن بیان می شود. در ادامه در مورد تاریخچه و فرایند تولید آلومینیوم صحبت خواهیم کرد.

تاریخچه

آلومینیوم که در حقیقت تا یک قرن پیش، ماده ای گران قیمت و نایاب بود، به عنوان یک فلز متداول در زمین شناخته می شود. این ماده در حدود 8 % از پوسته ی زمین را تشکیل می دهد. این ماده سومین عنصر فراوان شناخته شده برای انسان است. تنها اکسیژن و سیلیس هستند که مقادیر آنها از آلومینیوم بیشتر است. آلومینیوم کلا در فرایند مجزایی نسبت به فرآوری سنگ معدن بوکسیت، تولید می شود. این فرایند شیمیایی (فرایند بایر) با غوطه وری بوکسیت های خردایش یافته در محلول سود سوزآور شروع می شود که در حقیقت موجب حل شدن آلومینیوم و تشکیل محلول سدیم سیلیکات می شود. در سال 1808، همفری دیوی، شیمیدان انگلیسی، وجود آلومینیوم را به اثبات رسانید و 17 سال بعد، محقق دانمارکی Oersted اولین قرص کوچک فلزی از این ماده را تولید کرد.
مرحله ی بعدی کشف آلومینیوم، تعیین وزن مخصوص این ماده بوسیله ی Wöhler در سال 1845 بوده است. او یک ویژگی قابل توجه از آلومینیوم را کشف کرد. این ویژگی "سبکی" بود. او کشف کرد که این ماده به آسانی شکل می پذیرد و در هوا نیز پایدار است. این ماده با دمش مشعل می تواند ذوب شود.
تحقیقات بر روی آلومینیوم سپس به سمت فرانسه کشیده شد. آزمایش ها بر روی روش های تولید موجب شد تا Henri Saint-Clair Deville یک میله ی صلب از جنس آلومینیوم را در نمایشگاه پاریس در سال 1855، به نمایش بگذارد. اما گران قیمت بودن این ماده موجب شد تا در آن زمان، این ماده از طلا، پلاتین و نقره نیز گران تر باشد. Napoleon III علاقه مند شد تا احتمال استفاده از این ماده مخصوصا در کاربردهای نظامی را مورد بررسی قرار دهد. این نهاد با کمک مالی به Deville موجب شد تا آلومینیوم با قیمتی برابر 25 فرانک بر کیلوگرم تولید شود. البته این قیمت هنوز هم برای تجاری شدن آلومینیوم بالاست.
30 سال بعد، بهبودهای در روش های تولید بوسیله ی یک شیمیدان آمریکایی به نام Hamilton Y. Castner ادامه یافت و قیمت به 12 فرانک بر کیلوگرم کاهش یافت. در این حالت، این فلز هنوز هم به صورت بالقوه فراون و مفید به نظر می رسید اما در آن زمان باید قیمت کاهش می یافت تا بتوان از آن به صورت تجاری، استفاده کرد. تولید سالانه ی کل آلومینیوم در آن زمان، تنها 15 تن بود.
دو محقق جوان گم نام به نام Paul Louis Toussaint Héroult از فرانسه و Charles Martin Hall از ایالات متحده تحقیقاتی را در زمینه ی تولید ارزان قیمت آلومینیوم انجام دادند. آنها به صورت مجزا بر روی این تولید کار کردند و در سال 1886، بعد از شکست های زیاد در این زمینه، دو محقق به صورت هم زمان فرایند جدیدی را کشف کردند.
محققینی که همزمان با Héroult و Hall در حال کار در این زمینه بودند، به دنبال یک روش کاملا شیمیایی برای تولید این فلز بودند. اما Héroult و Hall یک جنبه ی جدید را باز کردند. آنها اعتقاد داشتند که پاسخ تولید اقتصادی این فلز، با استفاده از روش الکتروشیمیایی قابل حصول می باشد. آنها این ایده را داشتند که اگر ماده ای بتوانند یافت کنند که رسانای الکتریکی داشته باشد و بتوان اکسید آلومینیوم را در آن حل کرد، سپس با اعمال جریان الکتریکی، می تواند آلومینیوم را رسوب دهی کرد.
آنها برخی محلول ها را پیدا کردند که می توانستند آلومینیوم را در آن حل کنند اما این مواد محلول های آبی بودند. بدبختانه، آب نمی تواند استفاده شود زیرا در زمان عبور جریان، آب الکترولیز می شود و نه آلومینا. کریولیت یک ماده ی شفاف از جنس آلومینیوم فلئورید می باشد که ماده ای سفید رنگ می باشد و به صورت طبیعی در گرینلند، یافت می شد. بیشتر کریولیت مورد استفاده در تولید آلومینیوم در حال حاضر، از نوع سنتزی است.
نگهداری در دمای 1030 درجه ی سانتیگراد در موجب می شود تا 20 % آلومینا به سهولت در کریولیت حل شود. سلول الکترولیتی که در حقیقت کریولیت مذاب را نگهداری می کند، یک تانک آسترکاری شده با کربن است که کربن آستر در واقع یک الکترود تلقی می شود. بلوک های کربنی بزرگ وارد بخش بالایی این حمام می شوند و به عنوان آند عمل می کنند. جریان الکتریکی از میان این دو الکترود عبور می کنند. این جریان موجب شکسته شدن پیوند آلومینا و اکسیژن می شود. آلومینیوم مذاب فلزی در کف سلول جمع می شود و پس از چند روز، تخلیه می شود (شکل 1). اکسیژن با کربن آند ترکیب می شود و موجب تشکیل گاز دی اکسید کربن می شود. این مسئله اولنی روش صنعتی مورد استفاده در تولید فلز آلومینیوم از آلومینا می باشد. تا به امروز، این روش، مورد استفاده قرار می گیرد. اثر فوری کشف این فرایند، کاهش قیمت آلومینوم از 18 دلار به 4.5 دلار بر کیلوگرم شد. این روند در نهایت موجب شده است تا امروزه قیمت آلومینیوم به زیر دو دلار برسد.
اولین شرکت های تولید آلومینیوم در سال 1888 تأسیس شد. این مسئله 2 سال پس از اختراع فرایند الکترولیتی ، انجام شده است. یکی از این شرکت ها در فرانسه، یکی در ایالات متحده و دیگری در سوئیس تأسیس شد. تولیدکننده هایی که در حقیقت به صورت سنتی به تولید آهن، فولاد، مس و دیگر فلزات مشغول بودند، شروع به سرمایه گذاری در زمینه ی تولید این فلز کردند زیرا به مزیت های این فلز از جمله سبکی، استحکام بالا و مقاومت بالا در برابر خوردگی، پی بردند. اولین کارخانه ای که از ثبت اختراع Héroult استفاده کرد، در حقیقت آلومینیوم برنز تولید می کرد که دارای بازار قابل توجهی نیز بود. برای سال های بسیاری پس از تولید ارزان قیمت تر این ماده ی فلزی، هنوز هم مشکلات مربوط به فروش آن وجود دارد.

بیشتر بخوانید: تاریخ کشف آلومینیوم

آلومینیوم کلا در فرایند مجزایی نسبت به فرآوری سنگ معدن بوکسیت، تولید می شود. این فرایند شیمیایی (فرایند بایر) با غوطه وری بوکسیت های خردایش یافته در محلول سود سوزآور شروع می شود که در حقیقت موجب حل شدن آلومینیوم و تشکیل محلول سدیم سیلیکات می شود (شکل 1).
بعد از فیلترشدن، ناخالصی ها به صورت گل سرخ جداسازی می شود و مایع تحت رسوب دهی، منجر به تولید آلومینیوم هیدروکسید می شود. این ماده سپس از مایع جداسازی می شود و در کوره ای در دمای 1000 درجه ی سانتیگراد، به آلومینا تبدیل می شود. تقریباً 4 کیلوگرم بوکسید برای تولید 2 کیلوگرم آلومینا، مورد نیاز می باشد.
اگر چه فرایند تولید آلومینیوم، اندکی نسبت به چیزی که هرولت- هال متفاوت است، بازده و جوانب محیط زیستی این فرایند در طی سال های متمادی تغییر کرده است. در کارخانه های مدرن امروزی، 12 تا 14 کیلووات ساعت الکتریسیته و 2 کیلوگرم آلومینا را برای تولید یک کیلوگرم فلز آلومینیوم، نیاز دارند. اطلاعات مربوط به تلوید یک تن فلز آلومینیوم، در شکل 2 آورده شده است.

صنعت آلومینیوم امروزی

تولید آلومینیوم اولیه در وقع یک صنعت نوپاست و تنها 100 سال عمر دارد. اما این صنعت به نقطه ای از پیشرفت رسیده است که امتیازمربوط به شرکت های تولیدی آلومینیوم در 35 کشور مورد بررسی به میزان قابل توجهی بالاست.
برای نیمه ی اول قرن، صنعت آلومینیوم نقش دوگانه ای را در بهبود و توسعه ی فرایندهای تولید داشته است و موجب کاهش قیمت تولید این فلز شدهش است. در همین زمان، روش دینامیک مربوط به این صنعت برای حل مشکلات موجود، هر 10 سال، توان خود را 2 برابر می کند. تقاضای قابل توجه برای آلومینیوم موجب بسط سریع ظرفیت تولید، شد.
جنگ جهانی اول، یک اثر پیچیده بر روی صنعت تولید آلومینیوم و مصرف آن داشت. در 6 سال بین سال های 1914 تا 1919، خروجی تولید جهانی این ماده از 70800 تن به 132500 تن رسید. پس از جنگ جهانی نیز ساخت و ساز موجب رونق گرفتن و افزایش تولید این فلز شد. البته لازم به ذکر است که در طی جنگ جهانی دوم نیز به دلایل ذکر شده، یک انبساط قابل توجه در میزان تولید این ماده ، مشاهده شد. تحقیقات پیوسته و توسعه ی محصولات در بین سال های دهه ی 1950، 1960 و 1970، منجر به یک گستره ی وسیع از محصولات مصرفی آلومینیومی شد. مزیت اصلی این محصولات، سبکی، دوام بالا، قابلیت شکل پذیری، رسانایی و سطح نهایی زیبا است.
استفاده های قابل توجه از این ماده منجر به ایجاد یکپارچگی در شرکت های اصلی تولید کننده از جمله شرکت های معدن کاری بوکسیت و شرکت های شاغل در بخش تولید محصولات نهایی می شود. از آنجایی که کل تولید جهانی افزایش یافته است، استفاده از این فلز در سایر فرایندها نیز مرسوم شد. امروزه، بخش قابل توجهی از این فلز بدین صورت مصرف می شود.

آلومینیوم بازیافت شده یا ثانویه

آلومینیوم یک ماده ی بی همتا در زمینه ی بازیافت می باشد. این فلز می تواند چندین بار استفاده و بازیافت شود. میزان هزینه ی انرژی مورد استفاده برای این بازیافت تنها 5 % انرژی مورد نیاز برای تولید این آلومینیوم از آلومینا می باشد. یک صنعت بازیافت و یا تولید آلومینیوم ثانویه ی سالم برای سال های متمادی وجود دارد. در واقع بازیافت این ماده منجر به افزایش 40 % در استفاده از آلومینیوم در اروپا شده است.
مثال قابل توجه از بازیافتی این فلز در ایالات متحده، مشاهده می شود. در آمریکا، یک میلیون تن از آلومینیوم مورد استفاده در تولید قوطی های نوشیدنی در سال، مورد استفاده قرار می گیرد که از این میزان، 50 % از طریق ضایعات آلومینیوم تولید می شود. اروپا امروزه بعد از آمریکا، از جمله کشورهای پیشگام در زمینه ی بازیافت آلومینیوم می باشد.
خواص فیزیکی مهم
ساختار اتمی
ساختار کریستالی
دانسیته
رسانایی و مقاومت الکتریکی
خواص غیر مغناطیسی
رسانایی گرمایی
بازتابش و قابلیت انتشار
مقاومت به خوردگی
انبساط گرمایی
دمای ذوب
حرارت ویژه و حرارت نهان
ساختار اتمی
آلومینیوم سومین عنصر فراوان شناخته شده بوسیله ی بشر است. این ماده پس از اکسیژن و سیلیکون در رتبه ی سوم قرار دارد. عنصر آلومینیوم با نماد Al دارای عدد اتمی 13 است. با توجه به جوانب کنونی، این بدین معناست که اتم آلومینیوم از 13 الکترون تشکیل شده است. هر یک از این الکترون ها دارای یک واحد بار منفی هستند که در سه اربیتال قرار گرفته اند. این اتم ها در اطراف هسته ای بسیار متراکم قرار گرفته اند که دارای بار مثبت 13 می باشد. سه الکترون در اربیتال بیرونی موجب می شود تا این عنصر در زمان ترکیب شدن با مواد دیگر، سه بار مثبت بگیرد (شکل 3).

ساختار کریستالی

وقتی فلزات از حالت مذاب به حالت جامد تبدیل می شود، ساختارهای کریستالی خاص در آنها ایجاد می شود. آرایش خود به خودی اتم ها در این مواد موجب بروز الگوهای منظم تعریف شده می شود که متخصصین متالورژی به آن ساختار شبکه ای می گویند. آلومینیوم مانند مس، نقره و طلا به صورت مکعبی سطوح پر آرایش می گیرند. این آرایش در بیشتر فلزات داکتیل، مشاهده می شود. این بدین معناست که اتم ها موجب تشکیل گوشه های یک مکعب می شوند و یک اتم نیز در مرکز قرار دارد (شکل 3). طول سطوح کناری مربوط به مکعب برای آلومینیوم با خلوص بالا، برابر 4.049×〖10〗^(-8) cmمی باشد. ساختار مکعبی با سطوح پر (fcc) یکی از آرایش هایی است که بسیار متراکم می باشد. در این ساختار، یک اتم در هر سطح قرار دارد.
دانسیته
سبکی یک ویژگی های قابل توجه و شناخته شده از آلومینیوم است. این فلز دارای وزن اتمی 26.98 می باشد و دانسیته ی آن نیز 2.70 است. این میزان یک سوم وزن سایر فلزات (به استثنای تیتانیم و منیزیم) مورد استفاده می باشد (شکل 4). مشابه با بیشتر فلزات که دانسیته ی آنها با افزایش دما، کاهش می یابد، این ماده نیز در زمان افزایش دما، با افت دانسیته مواجه است. افزودن سایر فلزات به میزان متداول به آلومینیوم، موجب تغییر اندکی در دانسیته ی این ماده ایجاد می کند (مثبت 3 تا منفی 2 %). در واقع از بین فلزات تنها آلیاژهای لیتیم هستند که در زمان افزودن عناصر آلیاژی، با کاهش 15 % در دانسیته مواجه است. وزن یک مورد مهم در بسیاری از کاربردهاست. کاهش در وزن همچنین موجب صرفه جویی در انرژی، کاهش نیروی نوسانی، بهبود کارایی مربوط به قطعات متحرک، کاهش در خستگی در زمان اعمال ادوات دستی، کاهش هزینه های کشتی رانی، کاهش هزینه های جابجایی و ساخت می شود. وزن پایین به همراه استحکام بالا در آلیاژهای خاص آلومینیوم، این ماده را به عنوان یکی از مهم ترین مواد مورد استفاده در هواپیماسازی مطرح کرده است.
اگر چه استفاده بر اساس وزن، موجب می شود تا این فلزات عموماً بر اساس حجم استفاده شوند. در واقع این مهم است که هزینه های آلومینیوم در مقایسه با سایر مواد را بر این پایه، مقایسه کنیم (شکل 4).
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع تحقیق :
Aluminium: Physical Properties, Characterization and Alloys/ prepared by Ron Cobden, Alcan, Banbury