رسانایی و خواص حرارتی آلومینیوم

آلومینیوم (2)
رسانایی و مقاومت الکتریکی
رسانایی الکتریکی آلومینیوم با خلوص 99.99 % در دمای 20 درجه ی سانتیگراد، برابر 63.8 % استاندارد جهانی (مس آنیل شده) می باشد. به دلیل وزن مخصوص پایین، رسانایی الکتریکی آلومینیوم خالص دو برابر مس آنیل شده و بزرگتر از هر فلز دیگری است (شکل 1). مقاومت ویژه ی مربوط به این ماده در دمای 20 درجه ی سانتیگراد، برابر 2.69 میکرو اهم- سانتیمتر است. رسانایی الکتریکی در حقیقت عکس مقاومت ویژه می باشد و یکی از خواص بسیار حساس ماده نسبت به ترکیب و عملیات حرارتی می باشد. افزودن سایر فلزات به آلومینیوم منجر به کاهش رسانایی الکتریکی آلومینیوم می شود. بنابراین، افزودن عناصر آلیاژی باید با توجه به این مسئله انجام شود. عملیات حرارتی نیز بر روی رسانایی الکتریکی مؤثر است زیرا عناصر در محلول جامد موجب ایجاد مقاومت بیشتری نسبت به اجزای نامحلول می شوند.
خواص الکتریکی بسیار خوب آلومینیوم موجب می شود تا این ماده انتخاب خوبی برای کاربردهای مورد استفاده در صنعت الکتریکی باشد، مخصوصاً برای سیستم های توزیع برق که در آنها خطوط و شین اصلی، با حرارت بیش از حد، مواجه هستند. اولین خط انتقال برق که بخش اعظمی از آن را آلومینیوم تشکیل می داد، در سال 1898 در آمریکا کامل شد. یک خط 64 مایلی، با تأسیسات سه فاز برای شرکت الکتریک استاندارد کالیفرنیا. این خط بین بلو لیک تا استوککتون ایجاد شده بود. استفاده از این ماده بعدها متداول تر شد و بدین صورت کابل های آلومینیومی با فولاد گالوانیزه موجب افزایش ظرفیت این سیم ها شد بدون آنکه شکم دادن در آنها رخ دهد. اگر چه این محصول هنوز استفاده می شود، استحکام بالای تمام کابل های چند رشته ای تمام آلومینیومی برای نصب ترجیح داده می شود زیرا استحکام کشش بالاتری در خط ایجاد می شود و همچنین مزیت های نصب دیگری نیز در استفاده از این موارد، وجود دارد.

خواص غیر مغناطیسی

آلومینیوم و آلیاژهایش بسیار پارامغناطیس هستند. نفوذپذیری مغناطیسی (m) این ماده اندکی بزرگتر از یک است. حساسیت مغناطیسی (χ)، درجه ی مغناطش یا نیروی مغناطیسی اعمال شده برای آلومینیوم با خلوص 99.99 %، تنها 0.623 ×〖10〗^(-6) می باشد که این مقدار از لحاظ کاربردهای عملی، به عنوان یک ماده ی بدون مغناطیس، تلقی می شود (شکل 2). رابطه ی میان m و χ به صورت m=1+4^∧ χ بیان می شود. χ بوسیله ی آلیاژسازی و به صورت زیر تغییر می کند:
افزودن مس موجب کاهش χ به 0.555 می شود (در میزان 4.5 % مس)
افزودن مس موجب کاهش χ به 0.400 می شود (در 4.5 % مس)
افزودن آهن در مقادیر اندک، اثری بر روی χ ندارد.
افزودن منگنز موجب افزایش χ به 0.959 می شود (در 1.38 % منگنز)
کروم موجب افزایش χ به 0.669 می شود (در 0.63 % کروم)
وانادیم موجب کاهش χ به 0.582 می شود (در 0.36 % وانادیم)
حساسیت مغناطیسی نسبت به کرنش سختی حساس نمی باشد اما به طور اندکی با دما تغییر می کند.
ویژگی های معناطیسی پایین آلومینیوم در تولید ساختارهای کشتی نظامی بسیار مهم می باشد. در واقع مزیت های مربوطه، سبک بودن و پایین تر بودن قیمت این مواد نسبت به فلزات غیر مغناطیسی دیگر، می باشد. این ماده همچنین در ادوات الکترونیکی و به منظور غربال گری مورد استفاده قرار می گیرد (در بخش های سینک حرارتی و به صورت پروفایل های اکسترود شده). الزامات مربوط به تولیدکننده های ادوات الکترونیکی برای اطمینان حاصل کردن از این موضوع که محصولاتشان با دستورالعمل EEC مربوط به سازگاری الکترونیک مطابق دارد یا نه، منجر به افزایش استفاده از لایه های آلومینیومی رسوب داده شده بر روی بخش های پلاستیکی، شده است. روش های خاصی برای رسوب دهی لایه های نازک از جنس آلومینیوم توسعه یافته است بدون آنکه نیازی به استفاده از لاک محافظ بر روی این ماده باشد. این مسئله نتایج محافظتی خوبی را دارد و خواص غیر مغناطیسی امکان عملیات سازگار در طی عمر محصول را فراهم می آورد.

رسانایی گرمایی

رسانایی گرمایی (κ) مربوط به آلومینیوم خالص 99.99 % در گستره ی دمایی 0 تا 100 درجه ی سانتیگراد، برابر است با 244 W/mK. این میزان 61.9 % IACS است. در حقیقت به دلیل پایین بودن وزن مخصوص، رسانایی گرمایی توده ای این ماده دو برابر مس است (شکل 3). رسانایی گرمایی می تواند از مقاومت الکتریکی اندازه گیری شده با استفاده از فرمول κ=5.02 λT+〖10〗^(-9)+0.03 بدست آید. که در اینجا، κ رسانایی گرمایی، λ رسانایی الکتریکی و T دمای بر اساس کلوین می باشد. این روش معمولاً برای بدست آورند مقادیر موجود در کتاب های مرجع، استفاده می شود. رسانایی گرمایی با افزودن عناصر آلیاژی، کمی کاهش می یابد. با بررسی این فرمول، فهمیده می شود که رسانایی گرمایی به ترکیب وابسته نمی باشد (به استثنای سیلیکون). خواص ترکیبی مربوط به خواص رسانایی دما بالا، وزن پایین و قابلیت شکل پذیری خوب، موجب می شود تا آلومینیوم انتخاب مناسبی برای استفاده در مبدل های حرارتی و ظروف پخت و پز، باشد. این مسئله درحقیقت مشاهده شده است که از این ماده به طور گسترده ای در تولید سرسیلندر موتورهای I/C استفاده می شوند.

بازتابش و قابلیت انتشار

قابلیت انتشار (Emissivity) که در حقیقت قابلیت تابش یک زیرلایه به دلیل انرژی گرمایی خودش هست، به طور نزدیکی با بازتابش در ارتباط است. در واقع بازتابش بیان کننده ی سطح انعکاسی است که دارای کمتری میزان انتشار می باشد و به طور عکس، بدترین سطح انعکاس دهنده در حقیقت بهترین فرستنده می باشد. آلومینیوم مسطح در حدود 75 % از نور را انعکاس می دهد و 90 % تابش حرارتی را بر روی خود نگه می دارد. تابش همان قطعه ی آلومینیوم پایین است.
خواص ترکیبی انعکاس بالا و انتشار پایین در فویل های آلومینیومی موجب می شود تا این مواد به عنوان محیط های عایق انعکاسی مطرح شوند. این ماده به صورت ترکیب با مواد دیگر، مزیت های قابل توجهی ایجاد می کند. انتشار سطح آلومینیومی می تواند به میزان قابل توجهی با انجام عملیات آنودایزینگ، افزایش یابد و بنابراین، این فرایند در تولید مبدل های حرارتی، استفاده می شود. شکل 4 نشاندهنده ی اثر عملیات های سطحی مختلف بر روی میزان انتشار آلومینیوم می باشد. آلومینیوم فوق خالص که به صورت مکانیکی پولیش کاری و سپس به صورت شیمیایی براق می شود، می تواند سطحی با انعکاس پذیری بالا ایجاد کند که بیش تر از 84 % می باشد (شکل 5). حتی انعکاس بالاتر با تبخیر ناخالصی های آلومینیوم در خلأ و اجازه دادن به شیشه برای کندانس شدن بر روی آن، وجود دارد. با این کار می توان سطحی شیشه ای یا پلاستیکی ایجاد کرد. آیینه های پوشش داده شده با آلومینیوم که با این روش تولید می شوند، به صورت خاص بوسیله ی اخترشناسان مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده از نقره بهتر کار می کند زیرا دو مزیت مهم ایجاد می کند. اولین مزیت این که یک آیینه ی اخترشناسی پوشش داده شده با آلومینیوم با سرعتی کمتر نسبت به آیینه ی نقره ای کدر می شود و دوم اینکه آلومینیوم نور فرابنفش را بهتر انعکاس می دهد. به همین دلیل، آیین های 60 تا 100 ایچی از تلسکوپ های Mount Wilson از سال 1934 تاکنون با آلومینا پوشش می شوند.

بیشتر بخوانید: مروری بر خوردگی آلومینیوم

 

مقاومت به خوردگی

آلومینا دارای مقاومت بالاتری در برابر خوردگی نسبت به سایر فلزاتی می باشد که با تشکیل لایه ی نازک بر روی آنها، عمل محافظت برای آنها انجام می شود. در حقیقت این لایه ی اکسیدی همواره بر روی سطح آلومینیوم موجود در اتمسفر، وجود دارد. شکل 6 نشاندهنده ی میزان خوردگی و اثرات آن بر روی استحکام این ماده در دو محیط مختلف می باشد. مجسمه ی معروف اروس در سیرک پیکادلی لندن، مثالی از یک ماده ی مقاون در برابر خوردگی می باشد. بعد از بازرسی انجام شده که 8 سال پس از برخورد اتمسفر لندن با این مجسمه، انجام شد، این فهیمده شد که مجسمه تنها خوردگی سطحی اندکی پیدا کرده است. تشکیل اکسید بر روی آلومینیوم در حضور اکسیژن، به حدی سریع است که اقدامات خاص باید برای فرایندهای اتصال دهی گرمایی انجام داد تا بدین صورت از ایجاد اکسید در مقطع اتصال، جلوگیری به عمل آید. به هر حال، آلومینیوم یک عنصر بسیار فعال است و مقاومت موفق آن در برابر خوردگی، به میزان کامل بودن لایه ی محافظ اکسید آلومینیوم تشکیل شده بر روی آلومینیوم، بستگی دارد.
این لایه ی اکسیدی می تواند بواسطه ی واکنش های الکترولیتیکی، بهبود یابد. این فرایند را آنودایزینگ می گویند. در این فرایند جسم آلومینیومی در داخل خمره ی آبکاری قرار داده می شود که حاوی محلول های اسید کرومیک، فسفوریک یا سولفوریک می باشد (شکل 7). فیلم آنودی همچنین دارای خاصیت جذب رنگ نیز می باشد و بنابراین، می توان سطح آنودایز شده را رنگ آمیزی نیز کرد. این کار موجب ترکیب شدن خاصیت محافظتی و دکوراسیونی در این سطوح می شود.
تقریبا تمام فلزات مهندسی نسبت به آلومینا و آلیاژهای آن، در حالت کاتدی هستند. بنابراین، آلومینا در کنار سایر فلزات حالت الکترود فداشونده را دارد. استثناها در این زمینه، عبارتند از: منیزیم، کادمیم و روی که در حالت برخورد با آلومینیوم حالت آندی دارند. از این روف کادمیم و روی اغلب به عنوان عامل محافظت کننده بین آلومینیوم و سایر فلزات قرار داده می شود. فولات های ضد زنگ با 13 % کروم، صفحات تیتانیمی و کروم دار نیز دیگر استثناها در این زمینه می باشند زیرا آنها دارای تفاوت پتانسیل بالایی نسبت به آلومینیوم هستند اما شکل لایه ی محافظ آنها است که موجب کاهش قابل توجه در اثرات اتصال دو فلزی می شود (شکل 8).

انبساط گرمایی

ضریب انبساط در گستره ی دمای منفی 200 درجه تا مثبت 600 درجه ی سانتیگراد، غیر خطی است و به منظور اهداف عملی، بهتر است این ضریب بین دمای 20 تا 100 درجه ی سانتیگراد، ثابت در نظر گرفته شود. ضریب انبساط گرمایی مربوط به آلیاژها بوسیله ی طبیعت اجزای آنها، تحت تأثیر قرار می گیرد. وجود سیلیکون و مس، موجب کاهش در انبساط می شود در حالی که منیزیم موجب افزایش در انبساط می گردد. برای آلیاژهایی که به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرند، ضریب انبساط بین 23.5 ×〖10〗^(-6) /K برای آلیاژ آلومینیوم حاوی 4.6 % مس، تا 24.5 ×〖10〗^(-6) /K برای آلیاژ آلومینیوم حاوی 4.5 % منیزیم، تغییر می کند. این میزان دو برابر فولاد است.
برخی از آلیاژهای ریخته گری شده ی با میزان سیلیکون بالا، که به صورت خاص برای تولید پیستون ها و سرسیلندر موتورهای احتراق داخلی استفاده می شوند، دارای یک ضریب انبساط پایین (16 ×〖10〗^(-6) /K ) می باشد که این مسئله به دلیل استفاده از 38 % سیلیکون کاربید در آنها رخ داده است. کامپوزیت های زمینه ی فلزی نیز در سال های اخیر توسعه یافته اند و شکل 9 نشاندهنده ی نحوه ی تغییر ضریب انبساط در زمانی استفاده از سیلیکون کاربید در آلومیناست. ضریب مختلف انبساط باید در زمانی در نظر گرفته شود که آلومینیوم به همراه سایر مواد مورد استفاده قرار گیرد مثلا ساختارهای آلومینیوم- فولاد. به هر حال، تنش القا شده بواسطه ی مدول الاستیک پایین آلومینیوم، متوسط است و مشکل بیشتر برای بخش هایی ایجاد می شود که در اتصال با آلومینیوم قرار می گیرند. این بخش های کامپوزیتی برای نمای برخی از ساختمان ها و طوقه های مورد استفاده برای پل ها، استفاده می شوند. در مورد اتصال های لغزشی، اتصال های پلاستیکی و وسایل رهایش تنش معمولاً مورد نیاز می باشند (شکل 10). در موردی که ساختار مستحکم است و اعوجاج پیدا نکند مانند ابرساختارهای آلومینیومی ایجاد شده بر روی بدنه ی کشتی، تمام اتصال ها باید صلب باشند و انبساط گرمایی متفاوت به عنوان یک تنش کششی و یا فشاری مورد قبول می باشد (شکل 10). یکی دیگر از اشکال تغییر ابعادی، که به صورت مستقیم بر روی استفاده کننده از آلومینیوم اثرگذار است و همچنین در تولید بخش های ریخته گری نیز مهم است، جدا شدن فلز در محل اتصال جوش می باشد. این مسئله به آلیاژ و میزان عناصر آلیاژی، وابسته می باشد.

دمای ذوب

نقطه ی ذوب مربوط به آلومینیوم به شدت به ناخالصی وابسته می باشد مثلا برای آلومینیوم با خلوص 99.99 % و فشار اتمسفر، دمای ذوب 660 درجه ی سانتیگراد است و این دما برای آلومینیوم خالص تجاری که حاوی 99.5 % آلومینیوم است، به 635 درجه ی سانتیگراد، کاهش می یابد. افزودن عناصر آلیاژی موجب کاهش این دما به 500 درجه ی سانتیگراد می شود. این مسئله البته در برخی از آلیاژهای حاوی منیزیم مشاهده می شود. نقطه ی ذوب به صورت خطی با فشار افزایش می یابد و این دمای ذوب در فشار 50 kbar، برابر ببا 980 درجه ی سانتیگراد می شود.
تفاوت میان دمای ذوب مربوط به دو آلیاژ، یک مزیت در تولید مبدل های حرارتی آلومینیومی است که در حقیقت در آنها آلیاژهای منیزیم – آلومینیوم 3103 یا 3003 با استفاده از آلیاژی از آلومینیوم که حاوی 5، 7.5 و یا 10 % آلیاژ سیلیکون است، پوشانیده می شود. مبدل های حرارتی ایجاد شده تا دمایی حرارت دهی می شود که دقیقاً زیر دمای ذوب پوشش می باشد، در حالی که هسته هنوز جامد باقی می ماند، این مسئله موجب ذوب شدن آلیاژ پوششی شده و بواسطه ی وجود خاصیت مویینگی، این پوشش جریان می یابد و در هنگام سرد شدن، دوباره به جای خود باز می گردد (شکل 11). حرارت دهی کنترل شده در فرایند پوشش دهی ضروری می باشد و این کار با استفاده از کوره های تحت خلأ و یا کوره های با اتمسفر کنترل شده، انجام می شود.

حرارت ویژه و حرارت نهان

آلومینیوم دارای حرارت ویژه ی بالایی است. این مسئله در مقایسه با سایر فلزها و بر اساس ارزیابی بر پایه ی وزن، گفته می شود. این حرارت ویژه در دمای 100 درجه ی سانتیگراد، 921 J/kg است. این میزان از همه ی فلزات بالاتر است به جز منیزیم. این میزان برای آهن و فولاد در حدود 500 و برای برنج، برابر 377 است. به هر حال، ظرفیت گرمایی آلومینیوم کمتر از هر فلز سنگین تر است.
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