Физические свойства алюминия зависят от его чистоты
Основные свойства
Алюминий — химический элемент третей группы периодической системы Д.И. Менделеева.
| Плотность , (кг/м3) | 2,7 |
| Температура плавления Тпл, °С | 660 |
| Температура кипения Ткип, °С | 2 327 |
| Скрытая теплота плавления, Дж/г | 393,6 |
| Теплопроводность l , Вт/м град (при 20° С) | 228 |
| Теплоемкость Ср, Дж/(г · град) (при 0–100°С) | 0,88 |
| Коэффициент линейного расширения α × 10-6, 1/°С (пр°С) | 24,3 |
| Удельное электросопротивление ρ × 10-8 | 2,7 |
| Предел прочности σ в, МПа | 40–60 |
| Относительное удлинение δ , % | 40–50 |
| Твердость по Бринеллю НВ | 25 |
| Модуль нормальной упругости E , ГПа | 70 |
Плотность алюминия
Плотность твердого и расплавленного алюминия снижается по мере увеличения его чистоты:
| Степень чистоты, % | 99,25 | 99,40 | 99,75 | 99. 97 | 99,996 | 99.9998 |
| Плотность при 20°С, г/см3 | 2,727 | 2,706 | 2,703 | 2,6996 | 2,6989 | 2,69808 |
| Степень чистоты, % | 99,25 | 99.40 | 99.75 |
| Плотность, г/см3 | 2,311 | 2,291 | 2,289 |
Температура плавления и кипения.
В момент плавления алюминия возрастает объем металла: для алюминия чистотой 99,65 % — на 6,25%, для более чистого металла — на 6,60 %. По мере повышения степени чистоты алюминия температура его плавления возрастает:
| Степень чистоты, % | 99,2 | 99,5 | 99,6 | 99,996 | |
| Температура плавления, °С | 657 | 658 | 659,7 | 659,8 | 660,24 |
Теплопроводность алюминия
Теплопроводность алюминия повышается с увеличением степени его чистоты.
Для технического алюминия (99,49 и 99,70%) теплопроводность при 200°С равна соответственно 209 и 222 Вт/(м×К). Для электролитически рафинированного алюминия чистотой 99,9% теплопроводность при 190°С возрастает до 343 Вт/(м×К). Примеси меди, магния и марганца в алюминии снижают его теплопроводность. Например, добавка 2 % Mn к алюминию снижает теплопроводность с 209 до 126 Вт/(м×К).
Электропроводность алюминия
Алюминий отличается высокой электропроводностью (четвертое место среди металлов — после серебра, меди и золота). Удельная электропроводность алюминия чистотой 99,99 % при 20°С равна 37,9 мкСм×м, что составляет 63,7% от электропроводности меди [59,5 мкСм×м]. Более чистый алюминий [99,999 %] обладает электропроводностью, равной 65,9% от электропроводности меди.
Наиболее отрицательное влияние на электросопротивление алюминия оказывают примеси Сг, V, Мп и Ti . Поэтому в алюминии для электротехнической промышленности сумма Cr+V+Mn+Ti не должна превышать 0,015% (марка А5Е) и даже 0,01 % (А7Е) при содержании кремния соответственно 0,12 и 0,16 %.Влияние примесей на электропроводность алюминия
Основными примесями в алюминии являются кремний, железо, медь, цинк и титан. При малых содержаниях кремния в алюминии (0,06%) величина Fe : Si (в пределах от 0,8 до 3,8) сравнительно мало влияет на его электросопротивление. При увеличении содержания кремния до 0,15—0,16% влияние Fe : Si возрастает. Ниже приведено влияние Fe : Si на электропроводность алюминия:
| Fe : Si | 1,07 | 1,44 | 2,00 | 2,68 | 3,56 |
| Удельное электросопротивление алюминия, ×10-2 мкОм·мм: | |||||
| нагартованного | 2,812 | 2,816 | 2,822 | 2,829 | 2,838 |
| отожженного | 2,769 | 2,771 | 2,778 | 2,783 | 2,788 |
Удельное электрическое сопротивление отожженной алюминиевой проволоки (ρ, мкОм·м) при 20°С в зависимости от содержания примесей можно приблизительно определить по следующей формуле: ρ=0,0264+0,007×(% Si)+0,0007×(% Fe) + 0,04×[% (Cr+V + Mn + Ti)].
Отражательная способность
С повышением степени чистоты алюминия возрастает его способность отражать свет от поверхности. Так, степень отражения белого света от прокатанных алюминиевых листов (фольги) в зависимости от чистоты металла, возрастает следующим образом: для Аl 99,2%—75%, Аl 99,5%—84% и для Аl 99,8%—86%. Поверхность листа, изготовленного из электролитически рафинированного алюминия чистотой 99,996%, отражает 90% падающего на него белого света.
Алюминий в электротехнике
Алюминий для электротехнической промышленности
Так сложилось много лет назад, что большинство инженеров, конструкторов и проектировщиков в электротехнической промышленности считают медь и сталь практически единственными материалами, с которыми можно работать. Это связывают, в частности, с тем, что в конце 19-го века, когда зарождалась электрическая промышленность, доступного алюминия практически еще не было.
В настоящее время ситуация совершено другая: алюминия в мире производят где-то в два раза больше чем меди и объемы производства алюминия уступают только объемам производства стали.
В последние годы цены на сталь и медь растут значительно быстрее, чем цены на алюминий. В результате некоторые потребители, которые традиционно применяли медь, переходят на алюминий. Однако сравнение физических и экономических характеристик этих металлов «кричит» о том, что замен стали и меди на алюминий должно быть намного больше. Поэтому не удивительно, что применение алюминия в электротехнической отрасли неуклонно возрастает.
Свойства материала как электрического проводника
Для инженера-электрика наиболее важными свойствами и характеристиками материалов являются:
- плотность,
- электрическая проводимость,
- прочность,
- термическое расширение и
- коррозионная стойкость.
Алюминий, сталь и медь
Сравнение свойств алюминия, стали и меди [1]:
- Плотность (г/см3):
Алюминий 1350: 2,70
Сталь: 7,86 - Объемная проводимость (% IACS):
Алюминий 1350: 61
Сталь: 8
Медь (отожженная): 100 - Удельная проводимость (на единицу массы):
Алюминий 1350: 100 %
Сталь: 4 %
Медь (отожженная): 50 % - Предел прочности (МПа):
Алюминий 1350: 125
Сталь: 300
Медь (отожженная): 235 - Предел текучести (МПа):
Алюминий 1350: 110
Сталь: 170
Медь (отожженная): 104 - Линейное термическое расширение (10-6 м/м·°С):
Алюминий 1350: 22
Сталь: 13
Медь (отожженная): 17
Электрические свойства
Отожженная медь имеет проводимость 100 % IACS.
Сокращение IACS – обозначает «Международный стандарт по отожженной меди» – сравнительная единица измерения электрической проводимости.Электропроводность алюминия чистотой 99,99 % при 200 °C составляет 63,8 % Международного стандарта на отожженную медь (IACS). Из-за низкого удельного веса массовая электропроводность чистого алюминия более чем в два раза выше, чем у отожженной меди, и выше, чем у любого другого металла (Fig. 1). Удельное сопротивление при 200 °C составляет 2,69 мкОм·см [2].
Электропроводность, обратная удельному сопротивлению, является одним из наиболее чувствительных свойств алюминия, на которое влияют как изменения состава, так и термическая обработка. Добавление других металлов в алюминиевые сплавы снижает электропроводность алюминия, поэтому это должно компенсироваться любыми дополнительными преимуществами, которые могут быть получены, такими как увеличение прочности. Термическая обработка также влияет на проводимость, поскольку легирующие элементы в твердом растворе производят большее сопротвление электрическому току, чем они же в нерастворенном состоянии.
Алюминий 1350-Н116 имеет проводимость 61 % IACS, то есть эквивалентная меди проводимость будет достигаться при большем поперечном сечении алюминия. Однако поскольку алюминий намного легче меди этот увеличенный алюминиевый проводник будет весить в два раза меньше чем медный (8,93/2,70×0,61=2,02). В результате один килограмм алюминия будет обеспечивать ту же проводимость что и два килограмма меди. Поэтому, когда нет жестких ограничений по размерам проводника, для токопроводящих шин, кабелей и проводов вместо меди все чаще применяют алюминий [2].
Прочность
При одинаковых сечениях и медь, и сталь, конечно, прочнее алюминия. Однако прочность алюминия можно увеличить легированием и термомеханической обработкой, а также увеличить его толщину. Кроме того, поскольку технология прессования алюминия позволяет получать в отличие, например, от стали, поперечные сечения очень сложной формы. Поэтому алюминиевый элемент может быть сконструирован таким образом, чтобы конструкционно быть более эффективным, чем стальные элементы.
Сопротивление коррозии
В отличие от стали поверхность алюминия не нужно красить или покрывать, например, цинком, а потом следить, чтобы она не заржавела. Естественный слой оксида алюминия изолирует металл от дальнейшего контакта с воздухом и предотвращает дальнейшее окисление. При малейшем повреждении этого слоя он мгновенно сам восстанавливается.
Заблуждения и мифы
Алюминиевые проводники являются достаточно надежными. Все провода воздушных линий электропередач – алюминиевые. Они имеют многолетнюю репутацию надежной службы.
Однако еще в 60-70-е годы прошлого века сложилось мнение о проблемах с алюминиевой проводкой в жилых домах и квартирах, в частности, возможном перегреве их соединений. Тщательные исследования этого вопроса, например, в Канаде, показали, что алюминиевые провода не являются в этом смысле какими-то особенными: при неправильном обращении перегреваться могут любые провода. Более того, в сотнях тысяч домов и квартир по всему миру алюминиевые провода продолжают работать.
Другое дело, в 60-70-е годы никто не предполагал, что дома и квартиры будут так «напичканы» электрическим приборами: сечения алюминиевых проводов можно было заложить и потолще.
Aluminum Electrical Conductors
Очень хорошие электрические свойства алюминия сделали его очевидным выбором для применения в электротехнической промышленности, особенно в распределении электроэнергии, где он используется почти исключительно для воздушных линий электропередач и сборных шин. Первая крупная алюминиевая линия электропередачи была завершена в 1898 году в США: трехфазная линия протяженностью 46 миль для Standard Electric Company of California от Блю-Лейкс до Стоктона.
Позже его использование стало гораздо более распространенным, когда была обнаружена возможность армировать трос (обычно из сплава 1350) оцинкованной стальной проволокой, которая увеличивала пролеты без слишком большого провисания. Хотя этот продукт все еще используется, высокопрочные (сплав 6061) полностью алюминиевые многожильные кабели в настоящее время предпочтительны для некоторых линий, поскольку можно достичь более высокого натяжения линии, что может быть применено для увеличения расстояния между опорами или, альтернативно, для уменьшения их высоты [2] (Fig.
2).
Fig. 2 – Применение алюминиевых проводов в США и Канаде [3]
Electrical uses of aluminium extrusion
Уличные и шоссейные осветительные столбы
Алюминиевые прессованные столбы имеют преимущества перед, например, стальными столбами, за счет их меньшего веса, меньшего соотношения прочность-вес, хорошего внешнего вида, долговременной коррозионной стойкости, низкой стоимости обслуживания, а также большей безопасности, особенно при применении специальных безопасных оснований. Когда на такой столб наезжает на большой скорости автомобиль, это основание разрушается и позволяет столбу двигаться вместе с автомобилем. Это снижает мощность удара по автомобилю и степень повреждений водителя и пассажиров. Это основание так «хитро» спроектировано, что оно разрушается от удара об столб, но выдерживает воздействующие на столб ветровые нагрузки.
Токопроводящие шины
Для всех типов шин применяют прессованный алюминий там, где это позволяет место для их размещения, так как они, в первую очередь, намного дешевле, а также их намного легче гнуть (Fig.
3).
Fig. 3 – Aluminium bus bars
Electrical connector bodies
Кабельные наконечники и гильзы из прессованных алюминиевых труб имеют преимущества над аналогами из стали или меди по прочности, проводимости, стоимости, коррозионной стойкости и легкости механической обработки (Fig. 4).
Fig, 4 – Electrical connector bodies
Каналы для прокладки кабелей
Каналы для прокладки кабелей все чаще применяют из прессованного алюминия, а не из стали или пластика, так как они обеспечивают достаточную прочность, имеют малый вес, обладают высокой коррозионной стойкостью, являются немагнитными и огнестойкими (Fig. 5).
Fig. 5 – An electrical chanel
Шкафы электрических подстанций
Алюминиевые профили предпочтительнее, например, оцинкованной стали, за счет минимального технического обслуживания, прочности, коррозионной стойкости, малого веса (особенно при монтаже в полевых условиях и на высоте). Алюминиевые профили и листы легко подрезать и сверлить прямо «по месту», а главное, их не надо красить для защиты от коррозии.
Распределительные траверсы электрических столбов
Распределительные траверсы электрических столбов (те, которые горизонтальные) из прессованного алюминия обеспечивают необходимую прочность, но при этом мало весят и не требуют никакого технического обслуживания.
Радиаторы-гребенки
Прессованные алюминиевые пластинчатые радиаторы для рассеивания тепла («гребенки») весьма эффективны за счет высокой теплопроводности, малого веса, низкой стоимости. Главное преимущество алюминия – способность прессоваться во много очень тонких ребер (Fig. 6).
Fig. 6 – An aluminium heat sink
Outer conductor of CATV cable
Наружный проводник коаксильного телевизионного кабеля чаще всего выполняют не из медной трубы, а из более дешевой алюминиевой. Технология изготовления такого кабеля представлена на рисунке 5.
Fig. 7 – The manufacturing steps of outer conductor of CATV cable
Источники:
- P. Pollak / ET 2008.
- TALAT 1501
- Stabiloy, Aluminum or copper? /Alex Mak – Alcan – 2008
Что такое алюминий и его электропроводность?
20 декабря 2022 г. 20 декабря 2022 г. | 11:50
Алюминий — широко распространенный металл, который широко используется в повседневной жизни. Одним из наиболее важных его свойств является его способность проводить электричество, но как алюминий соотносится с другими металлами, когда дело доходит до проведения электричества? Давайте исследуем электропроводность алюминия и то, что делает его уникальным.
Что такое алюминий и почему он так популярен?
Алюминий — это серебристо-белый металл, легкий, прочный и устойчивый к коррозии. По этим причинам он имеет широкий спектр применения в современной жизни, от автомобилей и самолетов до электроники и строительных материалов. Но одним из важнейших свойств алюминия является его электропроводность.
Как алюминий сравнивается с другими металлами, когда дело доходит до проведения электричества?
Все металлы являются хорошими проводниками электричества, но некоторые лучше других. Медь имеет самую высокую электропроводность среди всех металлов, за ней следуют серебро, золото, алюминий, железо и т. д. Алюминий имеет примерно одну треть электропроводности электропроводность меди (59 процентов по IACS). Это означает, что алюминий будет генерировать больше тепла, чем медь, при том же количестве энергии, проходящей через проводник, что может привести к таким проблемам, как короткое замыкание или отказ оборудования в определенных ситуациях. Однако это также означает, что алюминий может работать с более высокими токами более эффективно, чем медь, что делает его идеальным для таких приложений, как воздушные линии электропередач или электродвигатели, где важно снижение веса.
Алюминий также имеет более низкое удельное сопротивление, чем медь, , что означает, что он может выдерживать более высокие напряжения без риска искрения или искрения между компонентами.
Это делает его идеальным для высоковольтных линий электропередачи и других приложений, где необходимо минимизировать изоляцию или сопротивление. Кроме того, алюминий обладает лучшими тепловыми свойствами, чем другие металлы, поэтому он может быстро рассеивать тепло, что делает его пригодным для электронных компонентов, таких как радиаторы или печатные платы, где рассеивание тепла имеет решающее значение.
Заключение
Таким образом, алюминий предлагает много преимуществ по сравнению с другими металлами, когда речь идет об электропроводности и сопротивлении, благодаря более низкому удельному сопротивлению и лучшим термическим свойствам. Его меньший вес делает его идеальным выбором для высоковольтных линий электропередачи, а также для сильноточных приложений, таких как электродвигатели или печатные платы, где требуется максимальное рассеивание тепла. В общем, алюминий зарекомендовал себя как отличный проводник электричества!
Piping Mart
Pipingmart — это портал B2B, специализирующийся на промышленных, металлических и трубопроводных изделиях.
Кроме того, делитесь последней информацией и новостями, касающимися продуктов, материалов и различных типов марок, чтобы помочь бизнесу в этой отрасли.
Металлы, металлические элементы и сплавы
Теплопроводность обычных металлов, металлических элементов и сплавов.
Рекламные ссылки
Теплопроводность — k — это количество тепла, передаваемое за счет единичного градиента температуры в единицу времени в установившихся условиях в направлении, нормальном к поверхности единицы площади. Теплопроводность — k — используется в уравнении Фурье.
- Расчет кондуктивной теплопередачи
- Расчет общего коэффициента теплопередачи
Отожженный
3
3
1
0
д., в свою модель Sketchup с помощью Engineering ToolBox — расширения SketchUp, которое можно использовать с потрясающими, увлекательными и бесплатными программами SketchUp Make и SketchUp Pro. .Добавьте расширение Engineering ToolBox в свой SketchUp из хранилища расширений SketchUp Pro Sketchup!