فلز آلومینیوم

خلاصه :

آلومینیوم یا آلومینیم عنصری شیمیای با عدد اتمی ۱۳ و نماد Al است. این عنصر یک فلز نرم، نقره‌ای و چکش‌پذیر با چگالی ۲٫۷ است که در گروه بور قرار دارد. این عنصر پس از اکسیژن و سیلیسوم فراوان‌ترین عنصر و هم‌چنین فراوان‌ترین فلز در پوسته کره زمین است. آلومینیوم خالص به دلیل واکنش‌پذیری بسیار بالای خود بسیار به ندرت یافت می‌شود به همین دلیل به صورت ناخالص در سنگ‌های معدنی مختلفی وجود دارد. بیشتر آلومینیوم دنیا از سنگ بوکسیت به دست می‌آید.

آلیاژهای آلومینیوم به دلیل داشتن خواص منحصر به فردی مانند نسبت استحکام به وزن بالا، جوش‌پذیری خوب، شکل‌پذیری عالی و مقاومت به خوردگی نسبتاً خوب، به گونه گسترده در انواع سازه‌ها، صنایع هوایی و دریایی، خطوط انتقال برق، حمل و نقل و… استفاده می‌شوند. با اضافه کردن عناصری مانند مس، روی و سیلیسیوم به آلومینیوم می‌توان به خواص مکانیکی بهینه رسید.

به‌طور کلی به علت وجود میزان کمی آب در ساختار آلومینیوم هر نوع عملیاتی که باعث از بین رفتن یکنواختی در میکروساختار آلیاژ شود مقاومت به خوردگی را کاهش می‌دهد بررسی خوردگی موضعی آلیاژهای آلومینیوم مورد نظر در محیط‌های هالیدی از اهمیت بالایی برخوردار است. محیطهای هالیدی شامل یون‌های کلرید یا برومید می‌توانند لایه رویین روی سطح آلومینیوم را بشکنند و سبب ایجاد خسارت روی سطح شوند. از سوی دیگر، در این آلیاژها استحکام با انجام عملیات حرارتی و با رسوب ترکیبات شامل مس، روِی و منیزیوم افزایش می‌یابد. انحلال این رسوبات در دماهای بالا (حدود ۴۸۰ درجه سانتی گراد) محلول فوق اشباع از این عناصر را به وجود می‌آورد که تحت عملیات حرارتی، ترکیبات ریز شامل این عناصر رسوب می‌کنند.

تاریخچه آلومینیوم در ارتباط با میزان مصرف آلوم شکل گرفته‌است. اولین مطلب نوشته شدهٔ راجع به آلوم توسط مورخ یونانی هرودوت، به قرن پنجم قبل از میلاد بازمی‌گردد. مشخص شده‌است که گذشتگان از آلوم به عنوان یک تثبیت‌کننده رنگ و دفاع از شهر استفاده می‌کردند. پس از جنگ‌های صلیبی، آلوم، به عنوان یک مادهٔ ضروری در صنعت نساجی اروپایی، موضوع تجارت بین‌المللی بود؛ که آن را تا اواسط قرن بیستم از غرب دریای مدیترانه وارد اروپا می‌کردند.

اولین روش تولید صنعتی در مقیاس بزرگ به‌طور مستقل در سال ۱۸۸۶ میلادی توسط مهندس فرانسوی پل هرولت و مهندس آمریکایی چارلز مارتین هال توسعه یافت، اکنون به عنوان فرایند هال-هرولت معروف است. فرایند هال-هرولت آلومینا را به فلز تبدیل می‌کند. کارل جوزف بایر، شیمیدان اتریشی، در سال ۱۸۸۹ میلادی راهی برای خالص سازی بوکسیت برای تولید آلومینا، که در حال حاضر به عنوان فرایند بایر شناخته می‌شود، کشف کرد. تولید مدرن فلز آلومینیوم بر اساس فرایندهای بایر و هال-هرولت است.

قیمت آلومینیوم کاهش یافت و آلومینیوم در سال‌های ۱۸۹۰ میلادی و اوایل قرن بیستم به‌طور گسترده‌ای در جواهرات، وسایل روزمره، قاب عینک، ابزارهای نوری، کارد و چنگال و فویل مورد استفاده قرار گرفت. توانایی آلومینیوم برای تولید آلیاژهای سخت در عین حال سبک در قیاس با فلزات دیگر، باعث شد که به صورت گسترده‌ای مورد استفاده قرار گیرد. در طول جنگ جهانی اول، دولت‌های اصلی خواستار حمل محموله‌های آلومینیومی برای ساخت هواپیماهای سبک مستحکم بودند.

در اواسط قرن بیستم، آلومینیوم به بخشی از زندگی روزمره و جزئی از لوازم خانگی تبدیل شده بود. در اواسط قرن بیستم، آلومینیوم به عنوان یک ماده در مهندسی عمران، با کاربردهای ساختمانی در هر دو مرحلهٔ ساخت و ساز پایه ای و کار داخلی پایانی، و به‌طور فزاینده ای در مهندسی نظامی برای هواپیما و همچنین موتورهای وسایل نقلیه زره پوش مورد استفاده قرار گرفت. اولین ماهواره مصنوعی زمین، که در سال ۱۹۵۷ میلادی به فضا پرتاب شد، شامل دو نیم کرهٔ آلومینیومی جدا از هم که به هم متصل شده بودند و تمام وسایل نقلیه هوایی پس از آن از آلومینیوم ساخته شدند. قوطی‌های آلومینیومی در سال ۱۹۵۶ میلادی اختراع شده و به عنوان ذخیره‌سازی برای نوشیدنی‌ها در سال ۱۹۵۸ میلادی به کار گرفته شدند.

اگر چه Al، یک عنصر فراوان در پوسته زمین است(۱۸٪)، این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی یک فلز گرانبها و ارزشمندتر از طلا به حساب می‌آمد؛ بنابراین، به‌عنوان فلزی صنعتی اخیراً مورد توجه قرار گرفته و در مقیاس‌های تجاری تنها بیش از ۱۰۰ سال است که مورد استفاده‌است. در ابتدا که این فلز کشف شد، جدا کردن آن از سنگ‌ها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین به صورت ترکیب بود، مشکل‌ترین فلز از نظر تهیه به‌شمار می‌آمد.

آلومینیوم در قرن نوزدهم برای مدتی از طلا با ارزش‌تر بود، اما بعد از ابداع یک روش آسان برای استخراج آن در سال ۱۸۸۹، قیمت آن رو به کاهش گذاشت و سقوط کرد. تهیه مجدد این فلز از قطعات اسقاط (از طریق بازیافت) تبدیل به بخش مهمی از صنعت آلومینیوم شد. بازیافت آلومینیوم موضوع تازه‌ای نیست، بلکه از قرن نوزدهم یک روش رایج برای این کار وجود داشت. با اینهمه تا اواخر دهه ۶۰ این یک کار کم منفعت بود تا زمانی‌که بازیافت قوطی‌های آلومینیومی آشامیدنی‌ها بالاخره بازیافت این فلز را مورد توجه قرار داد. منابع بازیافت آلومینیوم عبارت‌اند از: اتومبیلها، پنجره‌ها، درها، لوازم منزل، کانتینرها و سایر محصولات. یکی از ویژگی‌های مهم آلومینیوم که بازیافت آن را مورد توجه قرار می‌دهد آن است که هیچ تفاوتی بین کیفیت آلومینیوم بازیافتی و آلومینیوم تازه تولید شده وجود ندارد.

آلومینیوم، فلزی نرم و سبک، اما قوی است، با ظاهری نقره‌ای - خاکستری مات و لایه نازک اکسایش که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می‌شود، از زنگ خوردگی، چکش خوار، انعطاف‌پذیر و به راحتی خم می‌شود. همچنین بسیار بادَوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگی است. بعلاوه، این عنصر غیر مغناطیسی، بدون جرقه، دومین فلز چکش خوار و ششمین فلز انعطاف‌پذیر است.

از نظر کیفیت و از نظر ارزش، آلومینیوم کاربردی‌ترین فلز بعد از آهن است، به عبارتی آلومینیوم پرکاربردترین آلیاژ غیر آهنی است و تقریباً 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 به وجود 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 به وجود 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.