Алюминий — Википедия

Алюминий
← Магний | Кремний →
мягкий, лёгкий и пластичный металл серебристо-белого цвета.
Алюминий
Название, символ, номер	Алюминий / Aluminium (Al), 13
Группа, период, блок	13, 3,
Атомная масса (молярная масса)	26,9815386(8)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ne] 3s2 3p1
Электроны по оболочкам	2, 8, 3
Радиус атома	143 пм
Ковалентный радиус	121 ± 4 пм
Радиус Ван-дер-Ваальса	184 пм
Радиус иона	51 (+3e) пм
Электроотрицательность	1,61 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−1,66 В
Степени окисления	0; +3
Энергия ионизации	1‑я: 577,5 (5,984) кДж/моль (эВ) 2‑я: 1816,7 (18,828) кДж/моль (эВ)
Термодинамическая фаза	Твёрдое вещество
Плотность (при н. у.)	2,6989 г/см³
Температура плавления	660 °C, 933,5 K
Температура кипения	2518,82 °C, 2792 K
Уд. теплота плавления	10,75 кДж/моль
Уд. теплота испарения	284,1 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,35[2] 24,2[3] Дж/(K·моль)
Молярный объём	10,0 см³/моль
Структура решётки	кубическая гранецентрированая
Параметры решётки	4,050 Å
Температура Дебая	394 K
Теплопроводность	(300 K) 237 Вт/(м·К)
Скорость звука	5200 м/с
Номер CAS	7429-90-5

13	Алюминий
3s23p1

Кодовый символ, указывающий, что алюминий может быть вторично переработан

Алюми́ний (Al, лат. aluminium) — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, с атомным номером 13. Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий — лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Название элемента образовалось от лат. alumen — квасцы^[4].

Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году. Он восстановил хлорид этого элемента амальгамой калия при нагревании и выделил металл. Позже способ Эрстеда был улучшен Фридрихом Вёлером, он использовал для восстановления хлорида алюминия до металла чистый металлический калий и он же описал химические свойства алюминия.

Впервые полупромышленным способом алюминий получил в 1854 г. Сент-Клер Девиль по методу Вёлера, заменив калий на более безопасный натрий. Год спустя на Парижской выставке 1855 г. он продемонстрировал слиток металла, а в 1856 г. получил алюминий электролизом расплава двойной соли хлорида алюминия-натрия.

До развития широкомасштабного промышленного электролитического способа получения алюминия из глинозема этот металл был дороже золота. В 1889 году британцы, желая почтить богатым подарком русского химика Д. И. Менделеева, подарили ему аналитические весы, у которых чашки были изготовлены из золота и алюминия

[5]^[6].

В России алюминий назвали в то время «серебром из глины», так как главной составной частью глины является глинозём Al₂O₃. Промышленный способ получения металла электролизом расплава Al₂O₃ в криолите разработали независимо друг от друга Ч. Холл и П. Эру в 1886 г.

Соединения алюминия, например, двойная соль алюминия и калия — квасцы KAl(SO₄)₂ • 12H₂O — известны и использовались с глубокой древности.

Распространённость[править | править код]

По распространённости в земной коре занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре, по данным различных исследователей, оценивается от 7,45 до 8,14 %

[7].

Природные соединения алюминия[править | править код]

В природе алюминий, в связи с высокой химической активностью, встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из природных минералов алюминия:

• Бокситы — Al₂O₃ · H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)
• Нефелины — KNa₃[AlSiO₄]₄
• Алуниты — (Na,K)₂SO₄·Al₂(SO₄) ₃·4Al(OH)₃
• Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)
• Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al₂O₃
• Полевые шпаты — (K,Na)₂O·Al₂O₃·6SiO₂, Ca[Al₂Si₂O₈]
• Каолинит — Al₂O₃·2SiO₂ · 2H₂O
• Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al₂О₃ · 6SiO₂
• Хризоберилл (александрит) — BeAl₂O₄.

Тем не менее, в некоторых специфических восстановительных условиях (жерла вулканов) найдены ничтожные количества самородного металлического алюминия

[8].

В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных химических соединений, например, фторида алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности водной среды. Концентрации алюминия в водоёмах России колеблются от 0,001 до 10 мг/л. В морской воде его концентрация 0,01 мг/л^[9].

Изотопы алюминия[править | править код]

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа ²⁷Al с ничтожными следами ²⁶Al, наиболее долгоживущего радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при расщеплении ядер аргона

40Ar протонами космических лучей с высокими энергиями.

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. По сравнению с другими металлами, восстановление алюминия до металла из природных оксидов и алюмосиликатов более сложно в связи с его высокой реакционной способностью и с высокой температурой плавления всех его руд, например таких, как бокситы, корунды.

Обычное восстановление до металла обжигом оксида с углеродом (как например, в металлургических процессах восстановления железа) — невозможно, так как сродство к кислороду у алюминия выше, чем у углерода.

Возможно получение алюминия посредством неполного восстановления алюминия с образованием промежуточного продукта — карбида алюминия Al

4C₃, который далее подвергается разложению при 1900—2000 °С с образованием металлического алюминия. Этот способ производства алюминия изучается, предполагается, что он более выгоден, чем классический электролитический способ производства алюминия процесс Холла — Эру^[en], так как требует меньших энергозатрат и приводит к образованию меньшего количества CO₂^[10].

Современный метод получения, процесс Холла — Эру^[en], был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆ с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.

Электролиз в расплаве криолита:

2Al2O3→Na3[AlF6]4Al+3O2{\displaystyle {\mathsf {2Al_{2}O_{3}{\xrightarrow {Na_{3}[AlF_{6}]}}4Al+3O_{2}}}}

Для производства 1000 кг чернового алюминия требуется 1920 кг глинозёма, 65 кг криолита, 35 кг фторида алюминия, 600 кг анодных графитовых электродов и около 17 МВт·ч электроэнергии (~61 ГДж)^[11].

Лабораторный способ получения алюминия предложил Фридрих Вёлер в 1827 году восстановлением металлическим калием безводного хлорида алюминия (реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):

AlCl3+3K→3KCl+Al{\displaystyle {\mathsf {AlCl_{3}+3K\rightarrow 3KCl+Al}}}

Микроструктура алюминия на протравленной поверхности слитка, чистотой 99,9998 %, размер видимого сектора около 55×37 мм

• Металл серебристо-белого цвета, лёгкий
• плотность — 2712 кг/м³
• температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C
• удельная теплота плавления — 390 кДж/кг
• температура кипения — 2518,8 °C
• удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг
• удельная теплоёмкость — 897 Дж/кг·K^[3]
• временное сопротивление литого алюминия — 10—12 кг/мм², деформируемого — 18—25 кг/мм², сплавов — 38—42 кг/мм²
• Твёрдость по Бринеллю — 24—32 кгс/мм²
• высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу
• Модуль Юнга — 70 ГПа
• Коэффициент Пуассона — 0,34
• Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·10⁶См/м — 65 % от электропроводности меди) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), обладает высокой светоотражательной способностью.
• Слабый парамагнетик.
• Температурный коэффициент линейного расширения 24,58⋅10⁻⁶ К⁻¹ (20—200 °C).
• Удельное сопротивление 0,0262—0,0295 Ом·мм²/м
• Температурный коэффициент электрического сопротивления 4,3⋅10⁻³ K⁻¹. Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 кельвина.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Гидроксид алюминия

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с O₂, HNO₃ (без нагревания), H₂SO₄(конц), но легко реагирует с HCl и H₂SO₄(разб). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH₄⁺, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель. Не допустить образования оксидной плёнки можно, добавляя к алюминию такие металлы, как галлий, индий или олово. При этом поверхность алюминия смачивают легкоплавкие эвтектики на основе этих металлов^[12].

Легко реагирует с простыми веществами:

4Al+3O2→2Al2O3{\displaystyle {\mathsf {4Al+3O_{2}\rightarrow 2Al_{2}O_{3}}}}

2Al+3Hal2→2AlHal3(Hal=Cl,Br,I){\displaystyle {\mathsf {2Al+3Hal_{2}\rightarrow 2AlHal_{3}(Hal=Cl,Br,I)}}}

2Al+3F2→2AlF3{\displaystyle {\mathsf {2Al+3F_{2}\rightarrow 2AlF_{3}}}}

2Al+3S→Al2S3{\displaystyle {\mathsf {2Al+3S\rightarrow Al_{2}S_{3}}}}

2Al+N2→2AlN{\displaystyle {\mathsf {2Al+N_{2}\rightarrow 2AlN}}}

4Al+3C→Al4C3{\displaystyle {\mathsf {4Al+3C\rightarrow Al_{4}C_{3}}}}

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Al2S3+6h3O→2Al(OH)3+3h3S{\displaystyle {\mathsf {Al_{2}S_{3}+6H_{2}O\rightarrow 2Al(OH)_{3}+3H_{2}S}}}

Al4C3+12h3O→4Al(OH)3+3Ch5{\displaystyle {\mathsf {Al_{4}C_{3}+12H_{2}O\rightarrow 4Al(OH)_{3}+3CH_{4}}}}

Со сложными веществами:

• с водой (после удаления защитной оксидной плёнки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):

2Al+6h3O→2Al(OH)3↓+3h3↑{\displaystyle {\mathsf {2Al+6H_{2}O\rightarrow 2Al(OH)_{3}\downarrow +3H_{2}\uparrow }}}

• с парами воды (при высокой температуре):

2Al+3h3O→t∘Al2O3+3h3{\displaystyle {\mathsf {2Al+3H_{2}O{\xrightarrow {t^{\circ }}}Al_{2}O_{3}+3H_{2}}}}

• со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

2Al+2NaOH+6h3O→2Na[Al(OH)4]+3h3{\displaystyle {\mathsf {2Al+2NaOH+6H_{2}O\rightarrow 2Na[Al(OH)_{4}]+3H_{2}}}}

2Al+6NaOH→2Na3AlO3+3h3{\displaystyle {\mathsf {2Al+6NaOH\rightarrow 2Na_{3}AlO_{3}+3H_{2}}}}

• Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

2Al+6HCl→2AlCl3+3h3{\displaystyle {\mathsf {2Al+6HCl\rightarrow 2AlCl_{3}+3H_{2}}}}

2Al+3h3SO4→Al2(SO4)3+3h3{\displaystyle {\mathsf {2Al+3H_{2}SO_{4}\rightarrow Al_{2}(SO_{4})_{3}+3H_{2}}}}

• При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

2Al+6h3SO4→Al2(SO4)3+3SO2+6h3O{\displaystyle {\mathsf {2Al+6H_{2}SO_{4}\rightarrow Al_{2}(SO_{4})_{3}+3SO_{2}+6H_{2}O}}}

Al+6HNO3→Al(NO3)3+3NO2+3h3O{\displaystyle {\mathsf {Al+6HNO_{3}\rightarrow Al(NO_{3})_{3}+3NO_{2}+3H_{2}O}}}

8Al+3Fe3O4→4Al2

Алюминий и его сплавы, используемые в электротехнике — Новости

Алюминий и его сплавы, используемые в электротехнике (фото Daniel Richert @ Flickr)

Введение

Алюминий используется в течение многих лет в качестве материала для проводников практически во всех отраслях электротехники . В дополнение к чистому алюминию несколько его сплавов также являются отличными проводниками, сочетающими структурную прочность с вполне приемлемой проводимостью.

Алюминий используется везде в электротехнической промышленности. Двигатели намотаны им, с ним производятся линии высокого напряжения, и падение от линии электропередач до коробки выключателя вашего дома, вероятно, является алюминиевым.

Материал легче, чем медь ( около одной трети плотности ), и поэтому его легче обрабатывать; он также дешевле .

Другое преимущество заключается в том, что его цена не подвержена широким колебаниям, как медь. В 1960-х и 1970-х годах во всем мире наблюдался резкий рост цен на медь. Это привело ко многим случаям использования алюминия в ситуациях, когда медь ранее была нормой.

В некоторых приложениях, например, в отечественной электропроводке и обмотках трансформаторной фольги, описанных ниже, алюминий оказался менее подходящим, чем изначально надеялся, так что в конце 1990-х годов было некоторое возвращение к меди, и использование алюминия, как правило, ограниченный теми приложениями, для которых он явно превосходит.

Существуют две группы британских стандартных спецификаций для алюминия:

1. Один покрывающий алюминий для электрических целей, который относится к алюминию высокой чистоты с упором на электрические свойства и
2. Второй вопрос касается алюминия для общего машиностроения .

Алюминий для электрических целей охватывает марки с удельной проводимостью между 55% и 61% Международным стандартом медного проката ( IACS ) и включает чистый алюминий.

Ниже приведены соответствующие британские стандарты:

• BS 215 Часть 1: ( IEC 207 ) Алюминиевые многожильные проводники для воздушных линий электропередачи.
• BS 215 Часть 2: ( IEC 209 ) Алюминиевые проводники, армированные сталью для воздушных линий электропередачи.
• BS 2627. Кованый алюминий для электрических целей — провод.
• BS 2897. Кованый алюминий для электрических целей — полоса с нарисованными или свернутыми краями.
• BS 2898. Кованый алюминий для электрических целей — стержни, экструдированные круглые трубы и секции.
• BS 3242. (IEC 208) Многожильные проводники из алюминиевого сплава для воздушной передачи энергии.
• BS 3988. Кованый алюминий для электрических целей — сплошные проводники для изолированных кабелей.
• BS 6360. Технические характеристики для проводников в изолированных кабелях и шнурах.

Эта группа спецификаций включает чистый алюминий класса 1350

в России, США и Европе

Известно, что алюминий является прирожденным проводником электрического тока. Дополнительные преимущества алюминиевым  проводникам дает их малый удельный вес.

Алюминий и передача электроэнергии

Именно алюминий является стандартным материалом для электрических проводников при передаче электрической энергии от всех электростанций и буквально до входа в дом или квартиру. Он применяется там уже более ста лет. Высоковольтные провода на опорах – это всегда алюминиевые провода. Это связано с тем, алюминиевые провода в два раза легче медных. Алюминий дает возможность применять в два  меньше опор, чем медь. Кроме того, от подстанций до распределительных трансформаторов алюминиевые кабели и провода также являются стандартными проводниками, как для воздушных, так и для подземных сетей. На этом участке иногда применяют медные провода, но в основном все-таки применяется алюминий.

Алюминиевая проводка в России

Однако для внутренней проводки зданий и помещений главным материалом проводов является медь. Алюминий перестали применять  в качестве стандартной внутренней проводки зданий из-за проблем, которые были с алюминиевой проводкой в прошлом, в уже далекие 1960-70-е годы. С тех пор многое изменилось, но недоверие к алюминиевой проводке осталось.

Российский нормативный документ «Правила устройства электроустановок» в 7-ой редакции от 2002 года (ПУЭ-7) категорично предписывает в пункте 7.1.34 в зданиях «применять кабели и провода с медными жилами». Для питающих и распределительных сетей, то есть проводов и кабелей от подстанций непосредственным потребителям, напротив, предписано применять, как правило, кабели и провода с алюминиевыми жилами, если их расчетное сечение равно 16 мм² и более. Кроме того, питание такого инженерного оборудования зданий, как насосы, вентиляторы, калориферы, установки кондиционирования воздуха и т.п., также разрешается выполнять проводами или кабелем с алюминиевыми жилами сечением не менее 2,5 мм².

В том же духе ограничивают применение алюминиевой проводки в зданиях и Строительные правила СП 31-110-2003 в своем разделе 14.3.

В настоящее время применение в России при строительстве зданий медных проводов обходится значительно дороже, чем алюминиевых. Естественно возникает желание сэкономить и перейти с медной на алюминиевую проводку. Однако, любой проектировщик и производитель электротехнических работ обязан действовать строго соответствии государственными нормативными документами – правилами, стандартами и инструкциями. При всем этом миллионы людей живут в домах и квартирах, которые были построены до 2000-го года, и оборудованы той самой алюминиевой электрической проводкой.

См. также Алюминиевая проводка в России

Алюминиевая проводка в США

В 1960-70-е годы американская кабельная промышленность выпустила алюминиевые провода для внутренней проводки зданий. Они были из той марки алюминия, что и высоковольтные провода, а, именно, марки алюминия 1350. Спустя некоторое время с этой алюминиевой проводкой из алюминия 1350 начались проблемы, в основном с перегревом контактов, в результате которых сформировались устойчивое отрицательное отношение к применению алюминиевой проводки в жилищном строительстве.

Негатив на алюминиевую проводку

Отрицательное отношение к алюминиевой проводке основано на 6 устоявшихся мнениях, некоторые из которых уже стали просто мифами [1]:

1. Алюминиевая проводка является хрупкой и ее трудно устанавливать.
2. Алюминиевая проводка подвержена повышенному термическому расширению, что приводит к ослаблению электрического контакта.
3. Чрезмерная склонность к ползучести алюминиевой проводки способствует ослаблению электрического контакта.
4. Алюминиевые провода должны быть намного толще, чем медные, чтобы обеспечивать такую же силу тока, что и медные провода.
5. Окисление алюминиевой проводки создает большое сопротивления электрического контакта.
6. Алюминиевая проводка подвергается коррозии и может разрушаться на открытом воздухе.

Рисунок 1 – Ослабление электрического контакта
из-за различий в термическом расширении металлов

Рисунок 2 – Ослабление электрического контакта
из-за ползучести алюминия 1350

Американское «ПУЭ» – NEC

В США аналогом российского ПУЭ является NEC – National Electrical Code. Этот Код никогда явно не запрещал установку алюминиевой проводки внутри зданий. Однако был период в начале 1970-х годов, когда авторитетный американский сертификационный орган Underwriters Laboratories изъял из своего разрешительного списка на несколько лет все провода из алюминия для внутренней проводки зданий. Алюминиевая проводка вернулась в этот список уже в виде проводов из алюминиевых сплавов серии 8000.

Провода из алюминия марки 1350

До 1970 года для всех алюминиевых проводов в США применялась марка алюминия 1350 в максимально нагартованном состоянии, Н19. Отечественным аналогом этой марки алюминия является марка деформируемого алюминия АД0Е по ГОСТ 4784-97 или марка А5Е первичного алюминия по ГОСТ 11069-2001 . Этот твердый алюминий 1350-Н19 был специально разработан для воздушных самонесущих проводов и продолжает применяться в настоящее время для воздушных линий электропередач от электростанций до распределительных трансформаторов.

Алюминий 1350 имеет высокую электрическую проводимость (62 % от проводимости меди), но он должен быть в полностью нагартованном, и даже перенагартованном (Н19), состоянии, чтобы обеспечивать высокую прочность при растяжении, которая необходима для его применения в качестве внутренней электрической проводки. В этом полностью нагартованном состоянии алюминий имеет очень низкую пластичность с относительным удлинением всего лишь около 1,5 %. С этим и связана его «хрупкость».

Провода из алюминиевого сплава 8030

Фирма ALCAN еще в начале 1970-х годов разработала специальный алюминиевый сплав – уже не марку – под названием Stabloy, чтобы увеличить прочностные свойства алюминиевого провода при сохранении его высоких пластических свойств. Это алюминиевый сплав был зарегистрирован как алюминиевый сплав 8030.

По сравнению с маркой алюминия 1350 этот алюминиевый сплав 8030 имеет:

• повышенное содержание железа – до 0,8 %;
• повышенное содержание меди – до 0,30 %.

Железо решает сразу две проблемы:

• обеспечивает высокую прочность в отожженном состоянии
• исключает склонность алюминия к повышенной ползучести.

Медь способствует сохранению прочностных свойств при повышенных температурах.

Алюминевый сплав 8030: польза от железа

Атомы железа в алюминиевом сплаве 8030 укрепляют кристаллическую решетку алюминия и тем самым в значительной степени снижают склонность алюминия к ползучести. Кроме того, добавки железа обеспечивает повышение прочности алюминия при сохранении хороших пластических свойств [1].

Рисунок 3 – Атомы железа препятствуют ползучести алюминия

Алюминиевый провод толще в 1,5 раза

Алюминий имеет в два раза большую электрическую проводимость на единицу массы, чем медь. Однако в расчете на единицу объема, электрическая проводимость алюминия составляет только 60 % от той, что есть у меди. В результате алюминиевый провод обычно должен иметь площадь сечения в два раза больше, чем медный провод для обеспечения той же силы тока.

Проблема оксидной пленки

Алюминий образует оксидную пленку сразу после соприкосновения с кислородом воздуха. Эта пленка сама себя ограничивает и поэтому не растет толще 200 нанометров или 0,2 микрометров. В среднем толщина этого оксидного слоя составляет от 5 до 200 нанометров.

Действительно, алюминиевый оксид является хорошим изолятором с диэлектрической прочностью 16,7 кВ. Однако, поскольку толщина оксидной пленки очень мала, то напряжение электрического пробоя составляет всего 3 вольта. Таким образом, получается, что при напряжении, скажем, 220 вольт, эта оксидная пленка не создает особых проблем для электрического контакта алюминиевого провода.

Тем не менее, в некоторых типах контактных колодок для алюминиевых сплавов для решения этой проблемы применяют специальные пасты для предотвращения окисления поверхности контакта алюминиевого провода.

Контактные колодки для алюминиевой проводки

В прошлом – в 1960-70-х годах для алюминиевой проводки применяли те контактные колодки, которые тогда были и которые, естественно,  были разработаны для медных проводов. Эти контактные колодки изготавливали из меди и стали. Поскольку алюминий расширяется при нагреве на 30 % больше, чем медь и сталь, то возникали проблемы с ослаблением контактов алюминиевой проводки.

В настоящее время разработаны специальные контактные устройства, которые изготавливаются из алюминиевых сплавов. Они подходят как для медной, так и для алюминиевой проводки.

Рисунок 4 – Контактная колодка для алюминиевой проводки

Электротехнические алюминиевые сплавы серии 8000

Кроме алюминиевого сплава 8030 были разработаны еще несколько электротехнических алюминиевых сплавов.

Американский стандарт ASTM B 800

Американский стандарт ASTM B 800, начиная с 1988 года, устанавливает требования к алюминиевым сплавам серии 8000, из которых изготавливают круглую проволоку для электрических кабелей и одиночных проводов.

Согласно этому стандарту алюминиевую проволоку изготавливают из алюминиевой катанки с химическим составом, который указан в таблице.

Таблица – Алюминиевые сплавы для электрических проводов

Проволока поставляется в промежуточных нагартованных состояниях:

• Н1Х – только деформационное упрочнение и
• Н2Х – деформационное упрочнение и частичный отжиг.

Прочность при растяжении проволоки из сплавов серии 8000 в этих нагартованных состояниях составляет от 103 до 152 МПа, а относительное удлинение не опускается ниже 10 %.

Проволока из марки алюминия 1350 с ее 1,5 % относительного удлинения выдерживает только 5-6 перегибов, после чего хрупко разрушается. Проволока из сплавов серии 8000 имеет относительное удлинение более 10 % и держится при переменных изгибах намного дольше.

Европейский стандарт EN 1715-2

Этот стандарт устанавливает требования для алюминиевого подката, который идет на изготовление электротехнической проволоки. Кроме марки алюминия 1110 с содержанием железа до 0,8 %, он включает алюминиевые сплавы 8030 и 8176 (см. таблицу выше).

К сожалению, отечественные стандартизированные аналоги электротехнической проволоки из сплавов серии 8000 нам не известны.

И так

Зарубежный опыт применения алюминиевой проводки в течение последних 30 лет говорит следующее.

Для эффективного и безопасного применения алюминиевых проводов в качестве внутренней проводки жилых зданий необходимо:

• применять при установке алюминиевой проводки контактные устройства (контактные колодки, контакторы), которые разработаны специально для алюминиевых проводов, в том числе с применением специальной пасты для защиты проводов от окисления;
• применять в проводах алюминиевую проволоку из сплавов серии 8000.

Источники:
1) Материалы компании ALCAN
2) Американская алюминиевая ассоциация

Алюминиевый сплав повышенной электрической проводимости

Изобретение относится к области электротехники, в частности к передаче электроэнергии по алюминиевым проводам и кабелям. Сплав на основе алюминия для изготовления проводов сетей передачи электрической энергии содержит 0,3-1,1 ат.% свинца, алюминий и примеси — остальное, при этом точное содержание свинца выбирается в зависимости от качественного и количественного содержания примесей в использумых алюминии и свинце, превышающих 0,01 ат.%. Повышается электрическая проводимость сплава на основе алюминия. 1 табл.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к сетям передачи электроэнергии к потребителям. Полнота передачи электроэнергии по проводам обеспечивается проводящей способностью проводов: чем выше проводимость, тем ниже затраты на материалы для их изготовления и потери электроэнергии.

Наилучшей проводимостью обладает серебро (γ=62), но оно редко и дорого. Несколько меньшей проводимостью и большей распространённостью обладает медь (γ=59), но её запасы в литосфере так же ограничены, а потребности в проводах огромны. Поэтому и медь стала дефицитной и дорогой. Среди других наиболее распространённых металлов хорошей проводимостью (γ=38) обладает алюминий. Но его проводимость примерно в 1,5 раза ниже проводимости меди. Поэтому для передачи того же количества энергии сечение проводов приходится увеличивать, что увеличивает их объём, стоимость и риск обрыва от снега и ветра.

Современный уровень техники в данном вопросе характеризуется практическим опытом. Так «Энциклопедия неорганических материалов» [Киев, 1977, т.1] указывает: «Примеси и легирующие добавки снижают электропроводность алюминия» (стр.65). Точно также характеризуется и медь (стр.787). Поэтому все провода электролиний изготовляются из относительно чистого алюминия или меди.

Тем не менее работа по поиску путей повышения проводимости материалов продолжается во всём мире. Нами рассмотрены изобретения класса Н01В 1/02 по всем имеющимся описаниям патентов России, а также изобретения США, Японии и стран Евросоюза по реферативному бюллетеню изобретений мира за период с 1994 по 2006 годы. В указанный период прямых работ по повышению проводимости алюминия не обнаружено. Господствуют изобретения, связанные с производством паст для печатных плат к блокам вычислительной техники и управления, проводимость которых тоже важна.

В качестве образца и аналога предлагается авт.св. СССР № 449967 А1, МПК С22С 21/16, заявлено 13.11.1972, «Сплав на основе алюминия». В описании к указанному авт.св. представлен перечень из 10 наименований компонентов, каждый из которых должен быть добавлен к алюминию в дозах от 0,0001 до 1,5 весовых %.

Сложность задачи повышения электропроводности алюминия в том, что неконтролируемые или трудно устраняемые примеси действительно, как утверждает упомянутая энциклопедия, повышают его сопротивляемость. Чтобы её снизить необходимо вывести весь атомный комплекс сплава к определённой точке его внутреннего баланса, которая определяет её сопротивляемость. Но этот баланс зависит от качества и количества каждого из компонентов примеси. Поэтому мы указываем только диапазон доли добавки химически чистого свинца, гарантирующий положительный сдвиг сопротивляемости алюминия, считающегося химически чистым. Получение максимального снижения требует учёта всех примесей к алюминию и свинцу с точностью хотя бы до сотых долей процента.

При производстве сплава в процессе данной работы такой учёт был проведён нами по отношению к гранулированным образцам алюминия и свинца категории «Ч». Оптимальный результат был получен при добавке свинца в дозе 0,30 % от атомного состава сплава.

В таблице приведены показатели сопротивления, прочности и массы сплава в сравнении с аналогичными образцами проводов из алюминия и меди стандартного технического качества.

Сравнение алюминиевого сплава с медью и алюминием.
Показатель сравнения / объект	Алюминий	Сплав	Медь
1. Сопротивление, мОм/см	17,00	9,10	7,45
То же, в %% от алюминия	100	54	44
2. Расчётная масса проводов,	2,70	1,69	3,93
обеспечивающая проведение
электричества равной мощности.
То же, в %% от алюминия.	100	63	146
3. Предел прочности, МПа.	21,9(18-25)	19,4	(22-24)
То же в %% от алюминия	100	89	—

Сравнительные измерения сопротивления осуществлялись прибором «Миллиомметр Е6-18/1». Прибор был проверен Отделом метрологии в августе 2006 года и признан годным к работе до августа 2007 года. Измерения прочности осуществляли в институте металлургии РАН на новом японском оборудовании.

Из таблицы видно, что по сопротивляемости стандартная медь составляет 44% от сопротивления стандартного алюминия. Обогащение алюминия свинцом снижет сопротивление сплава до 54%, то есть почти вдвое. Он становится только на 10% выше сопротивления меди. Соответственно этому будут меняться потери напряжения и мощности электричества при передаче и затраты на изготовление проводов и кабелей.

Важно отметить, что для передачи единицы электрической мощности масса проводов из предлагаемого сплава будет на 37% меньше, чем из алюминия, и в 2,3 меньше, чем из меди. Сравнительная прочность провода из предлагаемого сплава укладывается в рамки пределов прочности алюминия. Показатели пределов прочности алюминия и меди по упомянутой «Энциклопедии неорганических материалов» приведены в скобках.

Таким образом, для повышения проводимость алюминия необходимо ввести в состав алюминия добавку свинца в дозе от 0,3, до 1,1% от числа атомов сплава. Добавку желательно вводить в расплавленный алюминий и тщательно перемешивать сплав.

Сплав на основе алюминия для изготовления проводов сетей передачи электрической энергии, отличающийся тем, что он содержит 0,3-1,1 ат.% свинца, алюминий и примеси — остальное, при этом точное содержание свинца выбирается в зависимости от качественного и количественного содержания примесей к использумым алюминию и свинцу, превышающих 0,01 ат.%.

Ответы@Mail.Ru: сравнить медь и алюминий

Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности среди металлов после серебра) . Удельная электропроводность при 20 °C: 55,5-58 МСм/м [Из-за низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру, удельное сопротивление при 20 °C: 0,01724-0,0180 мкОм·м [5]), медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов (быт: электродвигателях) и силовых трансформаторов. Для этих целей металл должен быть очень чистый: примеси резко снижают электрическую проводимость. Например, присутствие в меди 0,02 % алюминия снижает её электрическую проводимость почти на 10 % Алюминий Металл серебристо-белого цвета, лёгкий плотность — 2,7 г/см³ температура плавления у технического алюминия — 658 °CШироко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению) , высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки. Первые же три свойства сделали алюминий основным сырьем в авиационной и авиакосмической промышленности (в последнее время медленно вытесняется композитными материалами, в первую очередь, углеволокном) . Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий) . Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле [12] за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является наличие прочной оксидной плёнки, затрудняющей пайку.

Электропроводность — алюминий — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Электропроводность — алюминий

Cтраница 1

Электропроводность алюминия зависит от содержания в нем примесей.  [1]

Электропроводность алюминия составляет 62 — 65 % от электропроводности меди. На воздухе алюминий покрывается тонкой, но прочной пленкой окиси, защищающей его от коррозии. Соли ртути, щелочи, соляная кислота и некоторые ее соли сильно разъедают его.  [2]

Электропроводность алюминия при добавлении различных металлов ( особенно марганца и титана) понижается. Сплавы типа твердых расгворов обладают наименьшей электропроводностью в закаленном состоянии и наибольшей-в отожженном. Обрабатываемость резанием чистого алюминия плохая.  [3]

Электропроводность алюминия зависит от степени чистоты металла и понижается с увеличением содержания в нем примесей.  [5]

Электропроводность алюминия, применяемого вместо меди для проводов, составляет 65 % электропроводности меди.  [6]

Электропроводность алюминия сильно зависит от примесей и мало от механической и тепловой обработки. Чем чище состав алюминия, тем выше его электропроводность и лучше противодействие химическим воздействиям. Обработка, прокатка и отжиг значительно влияют на механическую прочность алюминия. При холодной обработке увеличивается его твердость, упругость и прочность на растяжение.  [7]

Электропроводность алюминия составляет 60 % электропроводности меди, а плотность в 3 2 раза меньше, чем у меди. Таким образом, масса алюминиевого провода при равной электропроводности приблизительно в 2 раза меньше. Однако механические свойства алюминия, такие, как прочность — и текучесть, значительно ниже, чем у меди.  [8]

Электропроводность алюминия зависит от степени чистоты металла и понижается с увеличением содержания в нем примесей.  [9]

Электропроводность алюминия составляет 60 % электропроводности меди.  [10]

На электропроводность алюминия сильно влияет его чистота.  [11]

Различные примеси влияют на электропроводность алюминия, но в неодинаковой степени. Наиболее сильно снижают электропроводность примеси хрома, ванадия и марганца. В небольшой степени электропроводность алюминия зависит от степени его деформации и режима термической обработки. Отрицательное влияние деформации на электропроводность устраняется отжигом.  [12]

Примеси Si резко снижают электропроводность алюминия, так как они образуют с алюминием твердый раствор Al-Si. Железо с алюминием твердого раствора не образует, поэтому его влияние на электропроводность проволоки невелико.  [14]

Так как примесь ванадия снижает электропроводность алюминия, то загрязнение гидроокиси алюминия ванадатом натрия недопустимо. Промывка гидроокиси алюминия горячей водой обычно обеспечивает достаточно полное удаление ванадата натрия. При относительно большом содержании V2O5 в боксите приходится принимать специальные меры для вывода ванадата натрия из цикла. Для этого часть оборотного раствора охлаждают до 25 — 30 С. При охлаждении из раствора выпадает ванадиевый шлам, представляющий собой смесь соды, фосфата и ванадата натрия. Ванадиевый шлам является источником получения ванадия.  [15]

Страницы:      1    2    3    4