Из земной коры в космос: интересные малоизвестные факты об алюминии
Алюминий сегодня настолько распространен в нашей окружающей среде, что мы часто его не замечаем.
Он может появиться на компоненте автомобиля, кузове поезда, линии электропередачи, мобильном телефоне, детали машины, фасаде здания, банке с напитком или самолете.
Однако за этой обычной внешностью скрывается весьма необыкновенная материальная история.
Алюминий – самый распространенный металл в земной коре. Несмотря на это, человечеству удалось производить металлический алюминий в промышленных масштабах лишь в конце 19 века. Алюминий, когда-то считавшийся драгоценным металлом, позже способствовал развитию современного транспорта, вошел в состав самолетов, достиг Луны и сегодня стал одним из важных инженерных материалов кругового производства. (Международный институт алюминия)
Пожалуй, это самый интересный аспект алюминия:
Его история начинается в земной коре, но на этом не заканчивается.
1. Алюминий не редкость, но когда-то его было чрезвычайно трудно добыть
Первый удивительный факт – это парадокс.
Алюминий составляет примерно 8% земной коры и является наиболее распространенным металлическим элементом в земной коре. Однако в природе в свободном виде он обычно не встречается. Он содержится в минералах, химически связанных с кислородом и другими элементами; Основная руда промышленного производства — бокситы. (Алюстория)
Поэтому проблема, стоящая перед человечеством, никогда не заключалась в том, что на Земле не хватает алюминия.
Проблема заключалась в том, чтобы превратить его в металл.
Мы можем резюмировать это различие следующим образом:
Алюминий никогда не был редкостью на Земле. Доступный металлический алюминий был редок.
Процесс Холла-Эру, независимо разработанный Шарлем Мартином Холлом и Полем Эру в 1886 году, проложил путь к крупномасштабному производству алюминия. Впоследствии процесс Байера стал экономической основой производства глинозема из бокситов. (Международный институт алюминия)
Другими словами:
Дефицит был технологическим, а не геологическим.
2. Когда-то алюминий считался драгоценным металлом.
Когда мы сегодня видим алюминиевую фольгу или банку для напитков, может показаться странным думать об этом металле в том же мире, что и о драгоценных металлах.
Однако в XIX веке ситуация была совершенно иной.
Металлический алюминий было сложно и дорого производить. Исторические записи Международного института алюминия показывают, что до процесса Холла-Эру алюминий считался драгоценным металлом. Алюминиевая пирамида весом около 100 унций, установленная на вершине памятника Вашингтону в 1884 году, была одним из замечательных применений своего времени. (Международный институт алюминия)
Впоследствии технология производства изменилась.
Металл не изменился.
Но экономика металла полностью изменилась.
Это яркий пример того, как производственные технологии могут изменить роль материала в мире.
3. Блестящий алюминий добывается не из бокситового рудника.
Фраза «алюминиевый рудник» иногда может создать неправильный мысленный образ.
Под землей нет блестящих серебряных металлических блоков, которые мы видим сегодня на фабриках.
Путь алюминия сильно отличается:
Боксит → Глинозем (Al₂O₃) → Электролитическое восстановление → Металлический алюминий
Процесс Байера используется для получения глинозема из бокситов. Полученный оксид алюминия представляет собой белый мелкозернистый материал. Затем его преобразуют в жидкий металлический алюминий путем электролитического восстановления в процессе Холла-Эру. (Алюстория)
Поэтому история литых деталей, которые мы используем, начинается задолго до появления плавильной печи.
Оно начинается в земной коре.
4. Алюминий может образовывать собственный защитный слой.
Одним из наиболее интересных свойств алюминия является поведение поверхности, которое мы не можем увидеть невооруженным глазом.
Когда чистая алюминиевая поверхность вступает в контакт с воздухом, на ней быстро образуется тонкий и плотный слой оксида алюминия.
Этот слой действует как защитный барьер между основным металлом и окружающей средой и вносит значительный вклад в коррозионную стойкость алюминия во многих средах.
Другими словами, один из важных механизмов защиты алюминия не добавляется извне.
Он образован естественным путем из металла.
Такое поведение естественного оксида также связано с одним из фундаментальных принципов, лежащих в основе контролируемых поверхностных процессов, таких как анодирование.
Поэтому поверхность алюминия – это не только эстетическая проблема.
Это также предмет материаловедения.
5. Быть легким не значит быть слабым
Плотность алюминия составляет примерно 2,7 г/см³; Это значение составляет примерно одну треть от значения стали.
Однако с инженерной точки зрения простого рассмотрения плотности недостаточно.
Одно из важных понятий:
Соотношение прочности и веса
Следует различать чистый алюминий и конструкционные сплавы. Благодаря конструкции сплава и соответствующим технологиям производства/термообработки разные алюминиевые сплавы могут иметь очень разные механические свойства.
Поэтому вопрос, который интересует инженеров только:
«Насколько легкий этот металл? »
Но это не единственный вопрос.
Более содержательный вопрос:
«Насколько малая масса может обеспечить требуемые инженерные характеристики? »
«Какая минимальная масса необходима для обеспечения требуемых инженерных характеристик? »
может быть более содержательным вопросом.
6. Алюминий сыграл важную роль в развитии полета.
В 1903 году на автомобиле Wright Flyer братьев Райт использовался легкий алюминиевый блок двигателя. В последующие годы алюминиевые сплавы стали одним из основных материалов аэрокосмической техники. (Алюстория)
Алюминиевые сплавы в авиации исторически были:
- в структурах тела,
- в конструкциях крыла,
- в обшивочных панелях,
- в рамках,
- и различные структурные компоненты
сыграл важную роль.
И дело не только в том, что алюминий легкий.
Низкая плотность + благоприятные механические свойства + технологичность
Если рассматривать все вместе, возникает значительное инженерное преимущество.
Таким образом, путешествие алюминия покинуло земную кору и достигло неба.
Но и на этом он не остановился.
7. Затем алюминий отправился в космос
Когда «Аполлон-11» достиг Луны в 1969 году, алюминий был частью материальной системы этого исторического инженерного достижения.
По данным Международного института алюминия, в космическом корабле «Аполлон» между пластинами из алюминиевого сплава использовались алюминиевые сотовые конструкции; Алюминий также использовался в ракете Сатурн-5, которая доставила Аполлона в космос, из-за его преимуществ в виде малого веса и высокой прочности. (Международный институт алюминия)
Масса является важнейшим параметром в аэрокосмической технике.
Потому что вес компонента влияет не только на этот компонент.
Это также влияет на общую массу, которую необходимо перевезти.
Поэтому:
Когда целью является орбита, каждый килограмм имеет значение.
Низкая плотность, обрабатываемость и механические свойства алюминия, достигаемые благодаря технологии сплавов, сделали его одним из исторически важных материалов в космической и авиационной промышленности.
Тот факт, что элемент, обнаруженный в минералах, связанных в земной коре, достиг Луны благодаря человеческой инженерии, является одной из самых впечатляющих историй материаловедения.
8. Алюминий – это не просто конструкционный металл
Когда упоминается алюминий, первые особенности, которые обычно приходят на ум:
легкость, прочность и устойчивость к коррозии
являются.
Однако промышленная ценность алюминия этим не ограничивается.
Алюминий также является хорошим проводником тепла.
Эта функция:
- в электронных корпусах,
- в теплораспределителях,
- В системах светодиодного освещения
- в двигателях и компонентах машин,
- в различных продуктах, требующих терморегулирования
Это может быть важно.
Здесь выбор материала напрямую связан с геометрией изделия.
Материал → Геометрия → Площадь поверхности → Теплопередача
По этой причине геометрия отливки некоторых алюминиевых компонентов предназначена не только для выполнения механических функций.
Это также часть тепловой функции.
9. Его также можно использовать для управления светом и теплом.
Поверхностные свойства алюминия и высокая отражательная способность также делают его ценным для различных оптических и термических применений.
Алюминий с соответствующим состоянием поверхности и покрытиями;
- в светоотражателях,
- в оптических системах,
- в приложениях терморегулирования,
- на отражающих поверхностях
может применяться.
Это показывает нам что-то важное:
Один и тот же основной металл может быть несущим элементом конструкции в одном применении, элементом терморегулирования в другом и отражающей поверхностью в другом.
Инженерная мощь алюминия обусловлена не только одной превосходной особенностью.
Это связано с возможностью объединения различных свойств в одном семействе материалов.
10. В электричестве также используется алюминий
Медь, естественно, является одним из первых металлов, который приходит на ум, когда упоминается электропроводность.
Однако алюминий также используется во многих приложениях, требующих электропроводности.
Здесь важна не просто проводимость на объем.
Производительность на вес может предложить другую точку зрения, когда в уравнение входит плотность.
По этой причине алюминий уже давно стал важным материалом, особенно в системах передачи энергии.
Этот пример еще раз показывает, почему при выборе материалов недостаточно учитывать одну особенность.
Инженерный вопрос:
«Какой металл имеет самую высокую проводимость? »
перестает быть:
«Каков оптимальный баланс проводимости, веса, механических характеристик, стоимости и условий окружающей среды для этой системы? »
становится.
11. Банка для напитков также изготовлена из алюминия, прецизионного литья OEM, но из другого материала.
Возможно, здесь возникает одно из самых важных заблуждений об алюминии.
Банка для напитков изготовлена из алюминия.
Компонент самолета - алюминий.
Экструзионный профиль – алюминиевый.
Литой корпус машины также выполнен из алюминия.
Но говорить, что это один и тот же инженерный материал, неверно.
Потому что «алюминий» говорит нам об основном элементе.
С инженерной точки зрения нам необходимо знать следующее:
Сплав → Производственный процесс → Микроструктура → Термическая обработка → Механические свойства → Требования к поверхности → Функция
Поэтому:
«Алюминий» описывает элемент. Инженерное дело требует сплава.
По-турецки:
«Алюминий» идентифицирует элемент. Инженеры должны знать сплав.
Это различие было одним из ключевых вопросов, которые мы рассмотрели в нашей предыдущей статье в журнале, посвященной использованию переработанного алюминия в прецизионных OEM-компонентах.
Будет ли он переработан или нет, само по себе недостаточно информации.
Химический состав и производительность должны быть проверены.
12. Алюминий может иметь более одной жизни
История алюминия не обязательно закончится, даже когда он достигнет космоса.
Алюминиевый компонент с истекшим сроком службы при надлежащих условиях может
Восстановление → Сепарация → Переплавка → Химический контроль → Корректировка сплава → Новое производство
войти в следующий производственный маршрут.
Согласно прогнозу потока материалов Международного института алюминия до 2021 года, из примерно 1,6 млрд тонн первичного алюминия, произведенного с 1888 года, примерно 74,5% все еще использовалось. (Международный институт алюминия)
Более того, переработка имеет огромное преимущество в энергетическом уравнении.
Согласно сравнению IAI, в глобальных данных за 2019 год потребность в энергии от шахты до литейного цеха при производстве первичного алюминия оценивается примерно в 186 ГДж/тонну, а потребность в энергии при производстве переработанного алюминия составляет примерно 8,3 ГДж/тонну; Это соответствует примерно 95,5% экономии энергии. Опять же важно правильно понимать границы системы и маршруты производства. (Международный институт алюминия)
Но, как мы видели в предыдущих статьях журнала, переработка – это не просто переплавка.
Также необходимо проверить идентичность сплава, загрязнение, металлургию и требования к качеству.
Поэтому вторая жизнь алюминия возникает не случайно.
Это становится возможным благодаря инженерному подходу.
Из земной коры в космос — и, возможно, обратно в исходную точку
Теперь давайте еще раз посмотрим на путь алюминия:
корка
↓
боксит
↓
глинозем
↓
Металлический Алюминий
↓
Инженерный сплав
↓
Литье/формовка
↓
Прецизионный компонент
↓
Машина/транспортное средство/самолет/космический корабль
↓
Продолжительность жизни
↓
Восстановление
↓
Новый материальный цикл
Очень немногие материалы имеют настолько обширную историю, что начинаются в земной коре, выходят за пределы атмосферы, а затем возвращаются в производственный цикл в качестве сырья для следующего поколения продуктов.
Алюминий интересен не только своим легким весом.
Дело не только в том, что оно подлежит вторичной переработке.
Дело не только в том, что его можно отлить или обработать на станке с ЧПУ.
Главное преимущество заключается в сочетании:
Легкий вес + Технология сплавов + Технологичность + Термические свойства + Коррозионная стойкость + Возможность вторичной переработки
Это сочетание различных характеристик, например, в одном семействе материалов.
Так что алюминий – это не просто легкий металл.
Это материал с чрезвычайно длинной инженерной историей.