آلومینیوم یا آلومینیم (به انگلیسی: Aluminum) عنصری شیمیایی با عدد اتمی ۱۳ و نشان شیمیایی Al است. چگالی آلومینیوم کمتر از سایر فلزات رایج است، و تقریباً یک سوم چگالی فولاد است. این عنصر میل زیادی به اکسیژن دارد و هنگام قرار گرفتن در معرض هوا ، یک لایه اکسید محافظ بر روی سطح تشکیل می دهد. آلومینیوم از نظر ظاهری، هم از نظر رنگ و هم از نظر توانایی زیاد در انعکاس نور، به نقره شباهت دارد.

این عنصر نرم، غیر مغناطیسی و شکل پذیر است. آلومینیوم یک ایزوتوپ پایدار دارد، 27Al؛ این ایزوتوپ بسیار رایج است و آلومینیوم را به دوازدهمین عنصر رایج در جهان تبدیل می کند. خاصیت رادیواکتیویته 26Al در تاریخ‌یابی رادیومتریک استفاده می‌شود.

ویژگی‌های کلی آلومینیوم

پایین بودن نسبی قیمت و بالا بودن استحکام آلومینیوم و آلیاژهای آن سبب شده‌است که آلومینیوم در بین فلزات غیر آهنی بیشترین کاربرد را در ساخت قطعات داشته باشد. قطعات آلومینیومی را می‌توان به روش‌های ریخته‌گری ماسه ای، ریخته‌گری تحت فشار، کارسرد (Cold Working) یا کار گرم (Hot Working) و اکستروژن ساخت.

آلیاژهای آلومینیوم دارای قابلیت ماشینکاری، پرسکاری، لحیم کاری نرم، لحیم کاری سخت و جوشکاری می‌باشند. آلومینیوم خالص در دمای ۶۶۰ درجه سلسیوس ذوب می‌شود، که برای تولید قطعات به روش ریخته‌گری ماسه ای یا ریخته‌گری تحت فشار بسیار مناسب است.
شیت آلومینیوم که به صورت رول درآمده است.

آلومینیوم به صورت ورق، مفتول، تسمه، فویل، میل گرد، لوله و پروفیل‌های ساختمانی و اکسترود شده در بازار موجود است. در جوشکاری یا لحیم کاری قطعات آلومینیومی بایستی به نکات خاصی توجه کرد چرا که همه آلیاژهای آلومینیوم قابلیت جوشکاری ندارند.

مقاومت به خوردگی آلیاژهای آلومینیوم بستگی به کیفیت پوشش اکسیدی نازکی دارد که بر روی آنها تشکیل می‌شود. از آنجا که آلومینیوم فلز فعالی است، این پوشش به سرعت بر روی آن شکل می‌گیرد. خراش یا سایش این پوشش امکان خوردگی این فلز را به وجود می‌آورد. به روش آنودایز کردن می‌توان یک پوشش اکسیدی ضخیم بر روی سطح آلومینیوم ایجاد کرد.

ویژگی‌های قابل توجه آلومینیوم

آلومینیوم، فلزی نرم و سبک، اما قوی است، با ظاهری نقره‌ای – خاکستری مات و لایه نازک اکسایش که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می‌شود، از زنگ خوردگی بیشتر جلوگیری می‌کند. وزن آلومینیوم تقریبأ یک سوم فولاد یا مس است.ِ چکش خوار، انعطاف‌پذیر و به راحتی خم می‌شود. همچنین بسیار بادوام و مقاوم در برابر زنگ‌زدگی است. به‌علاوه، این عنصر غیر مغناطیسی، بدون جرقه، دومین فلز چکش‌خوار و ششمین فلز انعطاف‌پذیر است.

تاریخچه آلومینیوم

فریدریش وولر، شیمیدانی که اولین بار عناصر فلزی آلومینیوم را به‌طور کامل شرح داد.

تاریخچه آلومینیوم در ارتباط با میزان مصرف آلوم شکل گرفته‌است. اولین مطلب نوشته شدهٔ راجع به آلوم توسط مورخ یونانی هرودوت، به قرن پنجم قبل از میلاد بازمی‌گردد. مشخص شده‌است که گذشتگان از آلوم به عنوان یک تثبیت‌کننده رنگ و دفاع از شهر استفاده می‌کردند. پس از جنگ‌های صلیبی، آلوم، به عنوان یک مادهٔ ضروری در صنعت نساجی اروپا، موضوع تجارت بین‌المللی بود؛ که آن را تا اواسط قرن بیستم از غرب دریای مدیترانه وارد اروپا می‌کردند.

ماهیت آلوم ناشناخته باقی ماند تا اینکه در حدود سال ۱۵۳۰ میلادی، پاراسلسوس پزشک سوئیسی پیشنهاد کرد که آلوم نمکی از خاک آلوم است. در سال ۱۵۹۵ میلادی، شیمیدان آلمانی آندریاس لیباویوس این فرضیه را به صورت تجربی تأیید کرد؛ در سال ۱۷۲۲ میلادی، فردریش هافمن، شیمیدان آلمانی، اعتقاد خود را مبنی بر اینکه پایه آلوم یک خاک مجزا است، اعلام کرد. در سال ۱۷۵۴ میلادی، آندریاس سیگیزموند مارگراف، شیمیدان آلمانی، آلومینا را با جوشاندن خاک رس در اسید سولفوریک و سپس افزودن پتاسیم به آن، ترکیب کرد.

تلاش‌ها برای تولید فلز آلومینیوم به تاریخ ۱۷۶۰ میلادی برمیگردد. با این حال اولین تلاش موفق در سال ۱۸۲۴ میلادی توسط فیزیکدان و شیمیدان دانمارکی هانس کریستین اورستد به انجام رسید. او آلومینیم کلرید بی آب را با آمالگام پتاسیم واکنش داد، که محصول این واکنش کلوخی از فلز مشابه قلع بود.

او نتایج خود را ارائه داد و نمونه ای از این فلز جدید را در سال ۱۸۲۵ میلادی به نمایش گذاشت. در سال ۱۸۲۷ میلادی، فردریش وولر، شیمیدان آلمانی، آزمایش‌های اورستد را تکرار کرد اما هیچگونه آلومینیومی را شناسایی نکرد. (دلیل این ناسازگاری در سال ۱۹۲۱ میلادی کشف شد) او آزمایش مشابهی را در سال ۱۸۲۷ میلادی با مخلوط کردن کلرید آلومینیوم بدون آب با پتاسیم انجام داد و یک پودر آلومینیوم تولید کرد. در سال ۱۸۴۵ میلادی او قادر به تولید قطعات کوچکی از فلز بود و برخی از خواص فیزیکی این فلز را شرح داد.

سال‌ها پس از آن، وهلر به عنوان کاشف آلومینیوم شناخته شد. با استفاده از روش وهلر نمی‌توان مقدار زیادی از آلومینیوم تولید کرد و فلز آلومینیوم نادر بود؛ به‌طوری که هزینه آن بیش از طلا بود.

شیمیدان فرانسوی هنری اتین سنت-کلیر دویل یک روش صنعتی برای تولید آلومینیوم در سال ۱۸۵۴ میلادی در فرهنگستان علوم فرانسه ارائه کرد. تری کلرید آلومینیوم را می‌توان با سدیم کاهش داد، که فرایندی راحت‌تر و ارزان‌تر از پتاسیم بود، که وهلر از آن استفاده کرده بود.

در سال ۱۸۵۶ میلادی، دویل همراه با همکارانش اولین تولید صنعتی آلومینیوم را تأسیس کرد. از سال ۱۸۵۵ میلادی تا ۱۸۵۹ میلادی، قیمت آلومینیوم به ترتیب از ۵۰۰ دلار تا ۴۰ دلار به ازای هر کیلوگرم کاهش یافت. حتی پس از آن، آلومینیوم تولیدی هنوز خلوص زیادی نداشت و آلومینیوم تولید شده از نظر خواص از نمونه ای به نمونه دیگر متفاوت بود.

اولین روش تولید صنعتی در مقیاس بزرگ به‌طور مستقل در سال ۱۸۸۶ میلادی توسط مهندس فرانسوی پل هرولت و مهندس آمریکایی چارلز مارتین هال توسعه یافت، اکنون به عنوان فرایند هال-هرولت معروف است. فرایند هال-هرولت آلومینا را به فلز تبدیل می‌کند.

کارل جوزف بایر، شیمیدان اتریشی، در سال ۱۸۸۹ میلادی راهی برای خالص سازی بوکسیت برای تولید آلومینا، که در حال حاضر به عنوان فرایند بایر شناخته می‌شود، کشف کرد. تولید مدرن فلز آلومینیوم بر اساس فرایندهای بایر و هال-هرولت است.

قیمت آلومینیوم کاهش یافت و آلومینیوم در سال‌های ۱۸۹۰ میلادی و اوایل قرن بیستم به‌طور گسترده‌ای در جواهرات، وسایل روزمره، قاب عینک، ابزارهای نوری، کارد و چنگال و فویل مورد استفاده قرار گرفت. توانایی آلومینیوم برای تولید آلیاژهای سخت در عین حال سبک در قیاس با فلزات دیگر، باعث شد که به صورت گسترده‌ای مورد استفاده قرار گیرد. در طول جنگ جهانی اول، دولت‌های اصلی خواستار حمل محموله‌های آلومینیومی برای ساخت هواپیماهای سبک مستحکم بودند.

در اواسط قرن بیستم، آلومینیوم به بخشی از زندگی روزمره و جزئی از لوازم خانگی تبدیل شده بود. در اواسط قرن بیستم، آلومینیوم به عنوان یک ماده در مهندسی عمران، با کاربردهای ساختمانی در هر دو مرحلهٔ ساخت و ساز پایه ای و کار داخلی پایانی، و به‌طور فزاینده ای در مهندسی نظامی برای هواپیما و همچنین موتورهای وسایل نقلیه زره پوش مورد استفاده قرار گرفت. اولین ماهواره مصنوعی زمین، که در سال ۱۹۵۷ میلادی به فضا پرتاب شد، شامل دو نیم کرهٔ آلومینیومی جدا از هم که به هم متصل شده بودند و تمام وسایل نقلیه هوایی پس از آن از آلومینیوم ساخته شدند.

قوطی‌های آلومینیومی در سال ۱۹۵۶ میلادی اختراع شده و به عنوان ذخیره‌سازی برای نوشیدنی‌ها در سال ۱۹۵۸ میلادی به کار گرفته شدند.

در طول قرن بیستم، تولید آلومینیوم به سرعت افزایش یافت: در حالی که تولید جهانی آلومینیوم در سال ۱۹۰۰ میلادی ۶٬۸۰۰ تن بود، تولید سالیانه در سال ۱۹۱۶میلادی از ۱۰۰۰۰۰ تن در سال تجاوز کرد؛ ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تن در سال ۱۹۴۱؛ ۱۰٬۰۰۰٬۰۰۰ تن در سال ۱۹۷۱. در دهه ۱۹۷۰ میلادی، افزایش تقاضا برای آلومینیوم آن را به یک کالای مبادلاتی تبدیل کرد؛ در سال ۱۹۷۸ میلادی آلومینیوم وارد بورس فلزات لندن شد که قدیمی‌ترین بورس مبادلاتی فلزات صنعتی در جهان به‌شمار می‌آید. خروجی همچنان به رشد ادامه داد: تولید سالانه آلومینیوم بیش از ۵۰٬۰۰۰٬۰۰۰ تن در سال ۲۰۱۳ میلادی است.

قیمت واقعی آلومینیوم از ۱۴۰۰۰ دلار به ازای هر تن در سال ۱۹۰۰ به ۲٬۳۴۰ دلار در سال ۱۹۴۸ کاهش یافت (به دلار آمریکا در سال ۱۹۹۸ میلادی). هزینه‌های استخراج و پردازش با پیشرفت تکنولوژی و اندازه بنگاه‌های اقتصادی کاهش یافته‌است. با این حال، نیاز به بهره‌برداری از ذخایر کم کیفیت درجه پایین و استفاده از هزینه‌های در حال افزایش (به ویژه انرژی) هزینه‌های خالص آلومینیوم را افزایش داد؛ قیمت واقعی در دهه ۱۹۷۰ میلادی با افزایش قیمت انرژی رشد کرد. تولید از کشورهای صنعتی به کشورهایی منتقل شد که تولید در آن کشورها ارزانتر بود.

هزینه‌های تولید در اواخر قرن بیستم به دلیل پیشرفت تکنولوژی، کاهش قیمت‌های انرژی، نرخ ارز دلار ایالات متحده و قیمت آلومینا تغییر کرد. سهم مشترک کشورهای BRIC در دهه اول قرن بیست و یکم از ۳۲٫۶ درصد به ۵۶٫۵ درصد در تولید اولیه و از ۲۱٫۴ درصد در مصرف اولیه به ۴۷٫۸ درصد رشد کرد. چین با توجه به فراوانی منابع، انرژی ارزان و محرک‌های دولتی، سهم بزرگی از تولید جهانی را به خود اختصاص می‌دهد؛ همچنین سهم مصرف خود را از ۲٪ در سال ۱۹۷۲ میلادی به ۴۰٪ در سال ۲۰۱۰ میلادی افزایش داد. در ایالات متحده، اروپای غربی و ژاپن، اکثر آلومینیوم در حمل و نقل، مهندسی، ساخت و ساز و بسته‌بندی مصرف شده‌است

پیدایش و منایع آلومینیوم

اگر چه Al، یک عنصر فراوان در پوسته زمین است (۱۸٪)، این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی گرانبهاتر از طلا به حساب می‌آمد؛ بنابراین، به‌عنوان فلزی صنعتی اخیراً مورد توجه قرار گرفته و در مقیاس‌های تجاری تنها بیش از ۱۰۰ سال است که مورد استفاده‌است. در ابتدا که این فلز کشف شد، جدا کردن آن از سنگ‌ها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین به صورت ترکیب بود، مشکل‌ترین فلز از نظر تهیه به‌شمار می‌آمد.

آلومینیوم در قرن نوزدهم برای مدتی از طلا با ارزش‌تر بود، اما بعد از ابداع یک روش آسان برای استخراج آن در سال ۱۸۸۹، قیمت آن رو به کاهش گذاشت و سقوط کرد. تهیه مجدد این فلز از قطعات اسقاط (از طریق بازیافت) تبدیل به بخش مهمی از صنعت آلومینیوم شد.

بازیافت آلومینیوم موضوع تازه‌ای نیست، بلکه از قرن نوزدهم یک روش رایج برای این کار وجود داشت. با اینهمه تا اواخر دهه ۶۰ این یک کار کم منفعت بود تا زمانی‌که بازیافت قوطی‌های آلومینیومی آشامیدنی‌ها بالاخره بازیافت این فلز را مورد توجه قرار داد.

منابع بازیافت آلومینیوم عبارت‌اند از:

  • اتومبیل‌ها
  • پنجره‌ها
  • درها
  • لوازم منزل
  • کانتینرها و سایر محصولات.

یکی از ویژگی‌های مهم آلومینیوم که بازیافت آن را مورد توجه قرار می‌دهد آن است که هیچ تفاوتی بین کیفیت آلومینیوم بازیافتی و آلومینیوم تازه تولید شده وجود ندارد.

کاربردهای آلومینیوم

از نظر کیفیت و از نظر ارزش، آلومینیوم کاربردی‌ترین فلز بعد از آهن است، به عبارتی آلومینیوم پرکاربردترین آلیاژ غیر آهنی است و تقریباً در تمامی بخش‌های صنعت دارای اهمیت می‌باشد. آلومینیوم خالص، نرم و ضعیف است، اما می‌تواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس، منیزیم، منگنز، سیلیکن و دیگر عناصر به وجود آورد که این آلیاژها ویژگی‌های مفید گوناگونی دارند. این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکت‌ها را می‌سازند.

وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند، پوششی تشکیل می‌دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می‌کند. این پوشش‌ها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را به وجود می‌آورند که همانند پوشش‌های نقره خاصیت خود را از دست نمی‌دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه‌های تلسکوپ‌های نجومی است.

برخی از کاربردهای اصلی آلومینیوم عبارت‌اند از:

حمل و نقل (اتومبیل‌ها، هواپیماها، کامیون‌ها، کشتی‌ها، ناوگان‌های دریایی، راه‌آهن و…). از آلومینیوم به دلیل چگالی پایین آن استفاده می‌شود؛
بسته‌بندی (قوطی‌ها، فویل و…). از آلومینیوم به دلیل غیرسمی بودن، جاذب نبودن و تراشه‌تراشه نشدن استفاده می‌شود؛
ساختمان‌ها و ساخت‌وساز (درب، پنجره، دیوار پوش‌ها و…). از آنجایی که فولاد ارزان‌تر از آلومینیوم است، زمانی از آن استفاده می‌شود که عواملی مثل زنگ‌نزن بودن، سبکی یا عوامل مهندسی مدنظر باشد؛
بسیاری از لوازم خانگی (وسایل برقی خانگی، وسایل آشپزخانه،…)
خطوط انتقال برق (هدایت الکتریکی آلومینیوم از مس و طلا کمتر می‌باشد. استحکام مکانیکی ان در برابر کشش نیز از مس کمتر می‌باشد و لذا برای ساخت هادی‌های آلومینیوم به منظور استفاده در خطوط انتقال از هسته ای فولادی برای تقویت استحکام ان در برابر کشش استفاده می‌کنند معروف‌ترین هادی آلومینیومی با ویژگی‌های بالا که در ۹۰ درصد خطوط انتقال استفاده می‌شود هادی ACSR می‌باشد)
ماشین آلات اکسید آلومینیوم (آلومینا) به‌طور طبیعی و به صورت کوراندوم، سنگ سنباده، یاقوت و یاقوت کبود یافت می‌شود که در صنعت شیشه‌سازی کاربرد دارد.

یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم‌نوسان بکار می‌روند.
آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می‌شود و در نتیجه در سوخت موشک‌های با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می‌شود.
استفاده از ورق‌های آلومینیوم برای ساخت انواع عایق رطوبتی و ساختمان سازی کاربرد دارد. برای مثال در ساخت مصالح ساختمانی پیش ساخته پنل ساندویچی، سوله، کانکس کاربرد بسیاری دارد.

استخراج، تولید و خالص سازی آلومینیوم

برای تولید آلومینیم به انرژی فراوانی نیاز است، به همین دلیل تولیدکنندگان سعی می‌کنند کارخانه‌های ذوب خود را در مکان‌هایی بنا کنند که هم برق فراوان موجود و هم ارزان باشد.

در سال ۲۰۱۲ بزرگترین کارخانه‌های ذوب آلومینیم در چین، روسیه، بحرین، امارات متحده عربی و آفریقای جنوبی واقع شده بود.در سال ۲۰۱۶، چین بزرگترین تولیدکننده آلومینیوم در جهان با سهم ۵۵ درصد بود. بزرگترین کشورهای تولیدکننده بعدی روسیه، کانادا، هند و امارات متحده عربی بودند.

اسکرول به بالا