Чистый алюминий: физические свойства

Степень чистоты алюминия

Традиционная система описания чистоты металлов, в том числе, алюминия, основана на измерении общего количества примесных элементов в процентах и вычитания этого количества из 100 %. Обычно результат выражается в количестве девяток. Например, «пять девяток» указывает на чистоту 99,999 %. Это означает, что общее содержание примесей составляет 0,001 % или 10 миллионных долей (10 ppm).

Метод измерения чистоты металлов

Сопротивление прохождению электронов через образец высокочистого металла, особенно при низких температурах, сильно зависит от количества примесных элементов, которые присутствуют в нем. На этом факте основан очень чувствительный качественный метод испытаний чистоты 99,999 % и выше. Этот метод ценен не только из-за своей чувствительности, но еще и потому, что измерение электрического сопротивления является относительно простым.

Классификация чистоты алюминия

Обычно применяется следующая, условная, классификация степеней чистоты алюминия [1]:

  • 99,50-99,79 – алюминий промышленной чистоты (commercial purity)
  • 99,80-99,949 – высокочистый алюминий (high purity)
  • 99.950-99,9959 – сверхчистый алюминий (super purity)
  • 99.9960-99,9990 – особо чистый алюминий (extreme purity)
  • более 99,9990 – ультрачистый алюминий (ultra purity).

Ниже представлен обзор свойств алюминия со степенью чистоты от 99,50 и выше. О влиянии легирующих добавок и примесей на свойства алюминия и алюминиевых сплавов см. здесь.

Механические свойства чистого алюминия

Данные о прочности при растяжении алюминия нескольких степеней чистоты представлены в таблице 1.

Влияние холодной пластической деформации – нагартовки – на прочностные характеристики чистого алюминия степени «пять девяток» (99,999 %) показано в таблице 2.

Твердость и прочность алюминия в зависимости от степени его чистоты показаны на рисунке 1.

Таблица 1 – Механические свойства чистого алюминия
при комнатной температуре

Таблица 2 – Прочностные свойства алюминия 99,999+ %

Рисунок 1 – Твердость и прочность алюминия
в зависимости от степени его чистоты

Другие механические свойства чистого алюминия:

  • Модуль упругости: 62 ГПа
  • Сдвиговый модуль упругости: 25 ГПа при 25 ºС
  • Скорость звука: при 25 ºС – 6200 м/с; при 660 ºС (жидкое состояние) – 4650 м/с

Атомные свойства

Алюминий имеет [1]:

  • атомный номер 13
  • атомный вес 26,9815.

Кристаллическая структура

Алюминий кристаллизируется в гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), которая является стабильной от температуры 4 К и до точки плавления.

Плотность

Теоретическая плотность алюминия при комнатной температуре (20 ºС), которая основана на размерах кристаллической решетки составляет 2698,72 кг/м3 [1]. Экспериментальные данные находятся в интервале от 2996,6 до 2698,8 кг/м3.

Зависимость плотности алюминия от степени его чистоты и твердом и жидком состояниях показана на рисунке 2.

Рисунок 2 — Плотность алюминия в зависимости от степени его чистоты
в твердом состоянии (20 градусов Цельсия) и
жидком состоянии (1000 градусов Цельсия)

Плотность жидкого алюминия чистотой 99,996 % представлена в таблице 3.

Таблица 3 – Плотность жидкого алюминия чистотой 99,996 %

Термические свойства

Температурное расширение

Данные о коэффициенте температурного расширения (КТР) для алюминия чистотой 99,99 % при различных температурах указаны в таблице 4.

Таблица 4 – Коэффициент температурного расширения (КТР)
чистого алюминия 99,99 %

Температура плавления

Температура плавления чистого алюминия весьма чувствительна к степени чистоты – содержанию примесей. Экспериментально установлено, что температура плавления алюминий 99,996 % составляет 933,4 К или 660,25 ºС.

Температура затвердевания алюминия 660,323 ºС является одной из контрольных точек Международной практической температурной шкалы 1990 года, которая применяется для калибровки термометров и термопар.

Другие термические свойства чистого алюминия:

  • Температура кипения: 2494 ºС
  • Удельная теплоемкость: 0,900 кДж/кг·К   при 25 ºС; 1,18 кДж/кг·К   при 660,40 ºС (жидкое состояние)
  • Скрытое тепло плавления: 397 кДж/кг
  • Скрытое тепло образования пара: 10,78 МДж/кг
  • Тепло воспламенения: 31,05 МДж/кг

Коэффициент теплопроводности

При температурах от умеренных до высоких, таких как выше 100 К, коэффициент теплопроводности k отожженного высокочистого (99,99+ %) является относительно независимым от степени чистоты. Ниже 100 К алюминий становится очень чувствительным к степени чистоты. Коэффициент теплопроводности чистого алюминия в интервале температуры от 100 до 933 К (от -173 до 660 ºС) плавно снижается с 3,02 до 2,08 Вт·см-1·К-1 [1].

Удельное электрическое сопротивление

Принятая величина удельного электрического сопротивления сверхчистого алюминия (99,990 %) при 20 ºС составляет 2,2548×10-8 Ом·м или 64,94 % от Международного стандарта отожженной меди (IACS). Электрическое сопротивление алюминия чистоты 99,9 % при различных температурах показано в таблице 5.

Таблица 5 – Удельное электрическое сопротивление чистого алюминия (99,90 %)

Электрическая проводимость чистого алюминия является изотропной, если только в нем не присутствуют ориентированные дислокации.

Влияние размера зерна на удельное электрическое сопротивление в промышленном алюминии является незначительным. Однако, нагартованный алюминий имеет в направлении полученной холодной пластической деформации несколько более высокую – на 0,5-1,0 % – электрическую проводимость.

Намагничиваемость

Поскольку алюминий имеет нечетное количество валентных электронов (3), то он является парамагнитным. В нормальных условиях не проявляет намагничиваемости.

Оптические свойства

Спектральная отражательная способность

Отражательная способность гладкой алюминиевой поверхности по отношению к свету составляет более 90 % при длине волн от 0,9 до 12,0 мкм, для волн длиной 0,2 мкм эта отражательная способность снижается до 70 %. Для волн длиной ниже 0,2 мкм отражательная способность резко снижается.

Максимальная отражательная способность достигается путем  осаждения алюминия из газовой фазы (пара), которое дает очень гладкие поверхности. Для достижения максимальной отражательной способности эти газофазные пленки требуют толщины не менее 10-5 см.

Отражательная способность алюминиевой поверхности снижается с повышением ее шероховатости. Алюминиевая поверхность после пескоструйной обработки может отражать только 15-25 % света по сравнению с полированной поверхностью материала того же химического состава. На рисунке 3 показана нормальная отражательная способность различных поверхностей чистого алюминия.

Рисунок 3 – Спектральная отражательная способность чистого алюминия [1]

Эмиссионность

Эмиссионность – способность поверхности абсорбировать тепло и отражать его. Эмиссионность полированного алюминия при комнатной температуре составляет только несколько процентов от эмиссионности черного тела. Огрубление поверхности может поднять эмиссионность до 20-30 %. Эмиссионность возрастает с увеличением температуры и достигает 15-20 % в жидком состоянии.

Источник:

  1. Aluminum and Aluminum Alloys, AMS International, 1993.