铝：绿色金属当之无愧

　　现在人们都把铝称为绿色的金属、节能减排的金属、循环性最好的金属，贮能的金属、质轻的金属、取之不尽用之不竭的金属，它为什么会享有这么多的美誉呢？因为它具有一系列的优秀的性能，在此仅简略地谈一谈，在以后的一些文章中将较详细地介绍。 

　　密度小，有时不规范地说它质量轻，简称质轻。根据晶体结构计算，单晶体铝的理论密度为2698.72kt/m3，比单晶体的高0.34%，约为钢及铜密度的1/3。这一点非常重要，没有这一点，就没有今天这样兴旺发达的航空航天事业，虽然不能说没有铝就不会有今天的航空航天产业，但没有铝，航空航天就不会这样兴旺发达、蓬蓬勃勃；没有低密度的铝及铝合金哪有今天疾驶如飞的高速铁路列车，比直升机的速度还快呢！

　　适中的力学性能。铝的纯度越大，其力学性能也越低，现在可以制成抗拉强度达750N/mm2的工程合金，当然这是个别的，大多数铝合金的抗拉强度都在500N/mm2以下。几种不同纯度铝的力学性能如下：

　　同其他任何金属及合金一样，铝及铝合金的力学性能也随着温度的升高而下降，即使最耐热的高温铝合金，其长期工作温度也不宜超过250℃。不过，其他金属及合金的一大缺点是，各项力学性能均随着温度的下降，其强度升高，而伸长率及韧性则下降，也就是说发脆了。可是铝及铝合金则不然，它们的各项力学性能均随着温度下降，而全面升高，这使它们成为一种非常好的制造低温装备的绝妙材料，如液化低温天然气船（LNG）的诺大容器、制氧机部件、火箭燃料（液氧、液氢）贮罐等。

　　良好的导电导热性能。铝有良好的导热与导电性能，如0~27℃时完全退火的高纯铝的热导率为2.367W/（CM·K）；20℃时超纯铝（99.990%）的电阻率为2.6548×10-8 Ω·m即为64.94%IACS（国际退火铜标准，International Annealed Copper Standard）。铝的良好导电性能与低密度相结合，使它成为一种良好的远距离输电导体。没有铝，就不会这样经济而有效地将内蒙的电输送到北京、输送到华北，将西部的电顺利运送到华东的工厂与千家万户，将三峡的电输送到珠江三角洲；没有铝，跨越长江上空的特高压超长特大输电工程将成为空想而望江兴叹。

    在笔记本电脑与诸多电子设备中都有一些铝制元件，它们各自起着不可或缺的作用，其中的散热元件就是利用了铝的良好导热性能与低的密度。

    超强的抗腐蚀性能。铝及铝合金表面有一层比蝉翼还薄得无法比拟的氧化铝膜，这是一层与空气中的氧形成的天然氧化膜，在室温下形成的这层膜的极限厚度为2.5~3.0nm（25~30A）。这层膜不但薄得出奇，而且极密实，不能渗透氧，与铝接合得牢牢的，使铝不再遭受腐蚀，也就是不会再氧化，使铝及铝合金在使用期限到了后，经过处理与重熔后可得95%以上的再生铝。

    集清洁卫生美观与隔绝性于一体。铝及铝合金为一种银白的金属，在普通的大气条件下，能永葆熠熠生辉、洁白无瑕的色彩，且无毒无味。虽然曾有报道，如果人脑海马神经中积存的铝过量可能会致人痴呆，但后来世界卫生组织称，现在还没有足够证据证明人类的痴呆与铝有关。铝的洁净卫生使它成为一种优秀的食品、饮料、药品与酒类等的包装材料，它还有非常好的可印刷性能，可印上各种图案、色彩与花纹。

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    包装食品、药品等用的是铝箔，铝箔是厚度小于0.2mm的平轧产品。在此需指出是，当质量相等时，箔材越薄，面积就越大，可以包装更多的东西，因此，人们总希望包装用箔的厚度小一些。不过研究显示，在当前的生产技术条件下，包装食品、药品的铝箔厚度不得小于0.006mm，否则就会失去隔绝性能，氧分子会通过箔上的针孔进入内部与被包装物发生氧化作用，使其变质。

    节能及可回收性最强。由于铝及铝合金有很强的抗腐蚀性能，在通常的大气条件下也不用维护保养，即使使用几十年甚至上百年仍完好如初不会腐蚀，如门窗、桥梁等，报废再生处理与熔炼后可获得95%以上的再生铝，比任何其他工程材料都高，即使不锈钢也自叹不如，因为不锈钢在使用过程中虽不发生腐蚀，但废不锈钢在熔炼再生过程中的烧损比铝大得多。

    废铝在再生处理与熔炼过程中的能耗（含预处理的）约900kWh/t，仅相当于原铝提取总能耗约18000kWh/t（含铝土矿开采、氧化铝提取、原铝电解）的5%，而废钢、废铜的再生能耗几乎与原生钢、铜的冶炼能耗相等。废铝再生能耗的降低，也意味着温室气体与固液废弃物的相应减少。

    防爆防火，消防安全性强。铝是一种防火、防爆与消防安全材料，它的良好成型性、低温性能与低密度性相结合，使之成为一种轻便的家用与车载消防瓶的好材料。铝的熔点不高，仅约660℃，但有高的热容量为0.90J（g·k）与高的熔化潜热为397kj/kg，因此，用铝合金制的安全防火门，可在失火时吸收更多的热量，降低燃烧温度，延迟火势漫延。有人认为铝的熔点低，不宜用作防火材料，甚至认为不宜制造地铁车辆，这是一种误解。同时，铝箔还是油品、液化天然气等运输槽罐内的有效防火防爆材料。将一定数量用铝箔窄条搓成的小球装填于易燃易爆流体的槽、罐、瓶内能及时消除静电，避免火花，即使发生火花，铝箔球会吸收热量，降低温度，不会引发火灾与爆炸。

    良好的表面处理性能。铝及大多数铝合金有良好的表面处理性能，经过阳极氧化处理后可印刷各种各样的颜色，拓宽了它们的应用领域，提高了它们的装饰效果，延长其使用期限，因而表面处理对铝及铝合金来说是不可缺少的，特别是建筑铝材与航空器用的铝合金零部件。工业规模的铝及铝合金的表面处理工艺有：阳极氧化处理、化学转化处理（有些文献直接使用日语“化成”处理，最好不这样，还是用化学转化处理确切）、电镀与化学镀处理、表面有机物涂装（喷粉、喷漆、电泳涂漆）等。铝及铝合金表面处理目的就是为了解决或提高其防护性、装蚀性和功能性等方面的要求，例如建筑铝材的表面处理主要是为了提高装饰效果，防护性能的提高次之。

    可形成多种合金。铝可与铜、锰、镁、硅、锌、锂、镍、铁、银等形成有不同独特性能的合金，满足不同工程与零部件的需求。当前常用的（active alloys）及非常用的（inactive alloys）在美国铝业协会公司注册的变形铝合金有670种，形成8个系列，从工业纯铝1XXX系列到8XXX系列。许多铝合金的强度性能可以通过热处理得到进一步的提高。现在有些铝合金的比强度（强度/密度比值）可以与优质合金钢相当。

    光反射性强。抛光铝的表面对波长0.9~12.0μm的光的反射率大于90%，对波长小于0.2μm的光的反射率低于70%。铝对无线电波、可见光波的反射率随着表面粗糙度的提高而急剧下降。由于铝对可见光有很强的反射性，所以在探照灯、日用灯具等方面获得广泛应用。

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    耐核辐照性。铝的热中子吸收截面小，约为0.23×105pa，在核反应堆中用作核燃料工艺管（铝-镁-硅合金），特别适合于热中子核反应堆使用。

    吸收冲击能的性能。铝及铝合金有相当强的吸收震动与冲击能的特性，是制造轿车保险杠系统的良好材料。

    非磁性。铝及铝合金是非磁性的，对生产某些特殊用途的产品是极为难能可贵的材料，可作为电器及电子设备的屏蔽材料。例如，可在铝合金厚板构建的房间内制造LED（液晶显示）与组装其元器件。

    可焊性好。铝及铝合金的可焊性能虽然不如钢的那么好，但其有良好的氩弧焊接性能，钎焊性能也不错，气焊、点焊与接触焊都可以，还有良好的粘接性能。特别适合于摩擦搅拌焊（FSW），这是焊接新技术，在国外焊接设备及工艺都已成熟，国内已引进了5套FSW焊接线，尚处于起步阶段。

    资源丰富。铝是地球与月球表层最丰富的金属元素，虽然中国当前可供开采的铝土矿并不充裕，品质也不尽人意，但就全世界而言是取之不尽用之不竭，不象铁那样，也不象铜那样，面临着资源日益枯竭的严竣挑战。

    当然，尽管铝具有上述的一系列优点，但也有一些本身固有的缺点与不足之处，不过可以合金化与工艺处理得到改进与弥补。主要缺点有：

    硬度与强度较低，耐磨性也较差。

    凝固时的体积收缩率比较大，约为6.6%，铸造时必须注意。

    线膨胀系数比较大，20℃时的为23×10-6/k。

    铝的熔点较低，为660.37℃，合金的熔点当然更低，因此铝及铝合金应用领域受到一定限制。

    铝的弹性模量比较低，20℃时退火状态的1050工业纯铝的正弹性模量70GN/mm2，切变模量26GN/mm2，泊松比0.31，它们分别为钢的相应值的1/3。

    铝有很强的负电性。铝的电极电位负电性很强，因此当铝及铝合金与异种金属接触时，往往作为阳极而产生严重的电偶腐蚀。