آشنایی با کاربردهای گسترده فلز آلومینیوم

آلومینیوم (Aluminium) یک عنصر شیمیایی با نماد Al ، عدد اتمی ۱۳ و سومین عنصر فراوان پس از اکسیژن و سیلیکون است. آلومینیوم یک فلز نقره ای- سفید ، نرم ، غیر مغناطیسی و هادی در گروه بور و فراوان ترین فلز موجود در پوسته زمین است.

آلومینیوم حدود ۸٪ پوسته زمین را تشکیل می دهد و سنگ معدن اصلی آن بوکسیت نام دارد. این فلز  بسیار واکنش پذیر است به گونه ای که با بیش از ۲۷۰ ماده معدنی مختلف ترکیب تشکیل می دهد و بندرت می توان نوع آزاد آنرا یافت.

اگرچه از ترکیبات Al هزاران سال است مورد استفاده قرار می گیرند اما فلز آلومینیوم برای اولین بار در حدود ۱۷۰ سال پیش تولید شده است. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک اطلاعات بیشتری در این زمینه ارائه می شود.

در طول ۱۰۰ سال اولی که از تولید اولین آلومینیوم صنعتی می گذرد تقاضای جهانی برای این فلز به حدود ۲۹ میلیون تن در سال افزایش یافته است که حدود ۲۲ میلیون تن آن جدید و ۷ میلیون تن از ضایعات بازیافت شده بدست می آید.

ویژگیهای فلز آلومینیوم

آلومینیوم خالص، فلزی نرم و مقاوم در برابر خوردگی بوده و از هدایت الکتریکی بالایی برخوردار است. این فلز بطور گسترده برای تولید فویل و کابل های رسانا مورد استفاده قرار می گیرد ، اما آلیاژ آن با عناصر دیگر برای افزایش استحکام جهت سایر کاربردها ضروری است. Al یکی از سبک ترین فلزات مهندسی است که نسبت به فولاد از نظر نسبت وزنی برتری دارد. در ادامه مزایای این فلز شرح داده شده است.

چگالی پایین

مهمترین مزیت استفاده از Al به طور مستقیم با خواص قابل توجه آن گره خورده است. این فلز دارای چگالی حدود یک سوم فولاد است و در کاربردهایی که مقاومت بالا و وزن کم مورد نیاز است ، از آن استفاده می شود. مثلا در وسایل نقلیه ای است که جرم کم منجر به ظرفیت بار بیشتر و کاهش مصرف سوخت می شود استفاده از این فلز ارجحیت دارد.

مقاومت در برابر خوردگی

مقاومت در برابر خوردگی این فلز یکی دیگر از ویژگیهای مهم آن است. هنگامی که سطح فلز آلومینیوم در معرض هوا قرار می گیرد ، یک پوشش محافظ اکسید تقریبا بلافاصله تشکیل می شود. این لایه اکسید در برابر خوردگی مقاوم است و با تیمارهای سطحی مانند آنودایزینگ می توان آن را بیشتر کرد.

رسانایی

این فلز یک هادی عالی برای گرما و الکتریسیته است. مزیت بزرگ Al این است که از نظر وزنی رسانایی آن تقریباً دو برابر مس است. این بدان معنی است که اکنون این فلز رایج ترین ماده مورد استفاده در خطوط انتقال نیرو است.

بهترین گزینه ها برای جایگزینی مس آلیاژهای آلومینیوم در سری ۱۰۰۰ یا ۶۰۰۰ هستند. اینها می توانند برای کلیه برنامه های انتقال برق از جمله سیم کشی داخلی استفاده شوند. در حال حاضر بخش عمده ای از خطوط ولتاژ بالا از Al به جای مس استفاده می کنند.

قابلیت انعکاس

قابلیت انعکاس نور و حرارت این فلز بسیار خوب است و همین فاکتورها آنرا به ماده ای ایده آل برای اتصالات و لوازم نوری ، پتوهای نجات حرارتی و عایق های معماری تبدیل می کند.

سمیت آلومینیوم

این فلز نه تنها غیر سمی است بلکه در تماس با سایر ترکیبات هیچ گونه بو یا محصولات رنگی تولید نمی کند. این امر باعث می شود Al برای استفاده در بسته بندی ها جهت محصولات حساس مانند مواد غذایی یا دارویی که از فویل آلومینیومی استفاده می شود ، مناسب باشد.

قابلیت بازیافت

قابلیت بازیافت این فلز بی نظیر است و هنگامی که آلومینیوم بازیافتی با نوع جدید مقایسه می شود ، در بازیافت هیچ تخریبی در خواص آن صورت نمی گیرد. علاوه بر این ، بازیافت این فلز فقط به حدود ۵ درصد از انرژی مورد نیاز برای تولید فلز بکر نیاز دارد.

روش تولید فلز آلومینیوم

این فلز از سنگ معدن اصلی آن یعنی بوکسیت استخراج می شود. ذخایر مهم بوکسیت در سراسر استرالیا ، کارائیب ، آفریقا ، چین و آمریکای جنوبی یافت می شود. از روشهای برش باز معمولاً برای معدنکاری بوکسیت استفاده می شود.

بوکسیت با استفاده از فرآیند بایر تخلیص می شود. این فرایند شامل حل شدن تری هیدرات آلومینیوم برای جداسازی آلومینا به علاوه اکسیدهای آهن و تیتانیوم است. اکسیدهای آهن و تیتانیوم فرآورده های فرعی هستند و اغلب به  آنها گل قرمز گفته می شود. تقریباً دو تن بوکسیت برای تولید یک تن آلومینا لازم است.

استخراج Al از آلومینا با استفاده از یک فرایند الکترولیتی حاصل می شود. به این منظور از  یک سلول یا ظرفی که از یک پوسته استیل کربنی تشکیل شده استفاده می شود. این پوسته یک کاتد تشکیل می دهد و آند کربن مصرفی در کریولیت مایع (سدیم آلومینیوم فلوراید) موجود در ظرف یا سلول در دمای ۹۵۰ درجه سانتی گراد است. آلومینا با عبور ولتاژهای کم در آمپراژهای بالا در کریولیت حل می شود و Al خالص در کاتد رسوب می کند.

کاربردهای فلز آلومینیوم

خواص آلیاژهای مختلف Al باعث شده است که این فلز در صنایع مختلف مانند حمل و نقل ، تهیه غذا ، تولید انرژی ، بسته بندی ، معماری و کاربردهای انتقال برق مورد استفاده قرار گیرد.

بسته به نوع کاربرد ، آلومینیوم می تواند با مواد دیگری مانند مس ، فولاد ، روی ، قلع ، فولاد ضد زنگ ، تیتانیوم ، چوب ، کاغذ ، بتن و کامپوزیت ها جایگزین شود.

استفاده در بسته بندی

مقاومت در برابر خوردگی و محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش همراه با حفظ رطوبت و مهار بو به علاوه اینکه آلومینیوم غیر سمی است و هیچ تغییری در محصولات نمی دهد باعث استفاده گسترده ورقه های آلومینیومی در بسته بندی و محافظت از مواد غذایی شده است. متداول ترین کاربرد این فلز در قوطی های نوشیدنی است. این قوطی ها اکنون حدود ۱۵٪ از مصرف جهانی Al را تشکیل می دهند.

صنعت حمل و نقل

نسبت وزن به استحکام آلومینیوم آن را به عنوان ماده اولیه ایده آل در ساخت هواپیماها تبدیل کرده است. این خاصیت باعث شده آلیاژهای مختلف این فلز در اتومبیل ها، قطارهای مسافری و باری ، وسایل نقلیه تجاری ، وسایل نقلیه نظامی ، کشتی ها و قایق ها ، اتوبوس ها و دوچرخه و بطور فزاینده در اتومبیل سازی مورد استفاده قرار گیرد. طبیعت پایدار آلومینیوم با توجه به مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت بازیافت به افزایش تقاضا برای قطعات آلومینیومی کمک کرده است.

کاربردهای دریایی

از ورقه های آلومینیومی و اکستروژن ها برای ساخت کشتی ها بطور گسترده استفاده می شود. استفاده از این مواد به طراحان این امکان را می دهد تا اندازه خط آب فوقانی کشتی را بدون ایجاد مشکلات پایداری افزایش دهند. مزیت وزنی Al  همچنین به معماران دریایی این امکان را داده است تا با استفاده از آن انواع شناورها را  با عملکرد بهتر طراحی کنند. وزن کم تر و چرخه عمر طولانی تر باعث شده است که این فلز به عنوان ماده اولیه در تجهیزات نفت و فراساحلی کاربرد داشته باشد.

ساختمان سازی و معماری

استفاده از Al در ساختمانها طیف گسترده ای از کاربردها را در بر می گیرد. برنامه های کاربردی شامل سقف سازی، عایق ، پنجره سازی ، روکش فلزی ، درها ، نرده های برقی ، سخت افزار معماری و لرزه گیرها است. این فلز همچنین به عنوان کفپوش صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

تولید فویل ها

این فلز همچنین برای تولید فویل های تجاری به قطر ۰.۰۰۶۵ میلی متر (یا ۶.۵ میکرومتر) و ضخیم تر از ۰.۲ میلی متر مورد استفاده قرار می گیرد. فویل آلومینیومی در برابر نور ، گازها ، روغنها و چربیها ، ترکیبات فرار و بخار آب غیرقابل نفوذ است. این خواص همراه با قابلیت شکل پذیری بالا ، مقاومت در برابر گرما و سرما ، عدم سمیت ، استحکام و انعکاس گرما و نور باعث می شود فویل ها در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند.

ملاحظات زیست محیطی آلومینیوم

صنعت Al از تأثیرات زیست محیطی خود بسیار آگاه است. استخراج و ذوب این فلز به علاوه دفع گل قرمز در صورت عدم انجام صحیح می تواند تأثیر عمده ای در محیط زیست داشته باشد.

ترکیبی از دو خاصیت قابل توجه آلومینیوم ، نیاز به بازیافت این فلز را آشکار می کند. اولین مورد این است که هیچ تفاوتی بین Al جدید و بازیافت نشده وجود ندارد. عامل دوم این است که نوع بازیافتی تنها ۵٪ از انرژی مورد نیاز برای تولید فلز جدید را مصرف می کند. در حال حاضر حدود ۶۰٪ فلز آلومینیوم در انتهای چرخه عمر خود بازیافت می شود اما این درصد هنوز هم می تواند بسیار بهبود یابد.