Физические свойства алюминия и меди: теплопроводность
Физические свойства алюминия.
Основные свойства
Алюминий — химический элемент третей группы периодической системы Д.И. Менделеева.
| Плотность , (кг/м 3 ) | 2,7 |
| Температура плавления Т пл, °С | 660 |
| Температура кипения Т кип, °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 , Ом× м (при 20°С) | 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/см 3 | 2,727 | 2,706 | 2,703 | 2,6996 | 2,6989 | 2,69808 |
| Степень чистоты, % | 99,25 | 99.40 | 99.75 |
| Плотность, г/см 3 | 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 | 99,97 | 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.
На электропроводность алюминия влияет ряд факторов: степень деформации, режим термической обработки и т. д., решающую же роль играет природа примесей, присутствующих в алюминии. Примеси по их отрицательному влиянию на электропроводность алюминия можно расположить в следующий ряд: Cr, V, Mn, Ti, Mg, Ag, Сu, Zn, Si, Fe Ni.
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 %.
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.
Физические и химические свойства металлов. Цвет, плотность металла, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропро-водность. Магнитные свойства.
. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАФизические свойства. К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий — серебристо-белый.Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м3) и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стремятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.
Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416°С, тантал 2950°С, титан 1725°С, и др.) и легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Температура плавления имеет большое значение при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).Теплопроводностью называют способность металлов передавать тепло от более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро, медь, алюминии обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для деталей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образуются трещины. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с хорошей теплопроводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/(м∙К).Тепловым расширением называют способность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаждении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения α=(l2-l1)/[l1(t2-t1)], где l1 и l2длины тела при температурах t1 и t2. Коэффициент объемного расширения равен 3α. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, укладке железнодорожных рельс.
Теплоемкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеет размерность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемкости — количеству тепла, выраженному в больших калориях, которое требуется для повышения температуры 1 кг металла на 1°С (в единицах СИ — Дж/(кг∙К).Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя взаимно противоположными характеристиками -электропроводностью и электросопротивлением. Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), а удельная электропроводность — в Cм/м, аналогично электросопротивление выражают в омах (Ом), а удельное электросопротивление — в Ом/м. Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (медь, алюминий). При изготовлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением — увеличивается.Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В единицах СИ магнитная постоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.
Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды называют коррозией.Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур.Сопротивление металлов коррозии, окалинообразованию и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.
Химические свойства.
Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды называют коррозией.
Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур.
Сопротивление металлов коррозии, окалинообразованию и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.
Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.
Физические свойства алюминия и меди: теплопроводность
Содержание:
Марки алюминия.
Алюминий характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, пластичностью, морозостойкостью. Важнейшим свойством алюминия является его малая плотность (примерно 2.70 г/куб.см). Температура плавления алюминия около 660 С.
Физико-химические, механические и технологические свойства алюминия очень сильно зависят от вида и количества примесей, ухудшая большинство свойств чистого металла. Основными естественными примесями в алюминии являются железо и кремний. Железо, например, присутствуя в виде самостоятельной фазы Fe-Al , снижает электропроводность и коррозионную стойкость, ухудшает пластичность, но несколько повышает прочность алюминия.
В зависимости от степени очистки первичный алюминий разделяют на алюминий высокой и технической чистоты (ГОСТ 11069-2001). К техническому алюминию относятся также марки с маркировкой АД, АД1, АД0, АД00 (ГОСТ 4784-97). Технический алюминий всех марок получают электролизом криолит-глиноземных расплавов. Алюминий высокой чистоты получают дополнительной очисткой технического алюминия. Особенности свойств алюминия высокой и особой чистоты рассмотрены в книгах
1) Металловедение алюминия и его сплавов. Под ред. И.Н.Фридляндер. М. 1971. 2) Механические и технологические свойства металлов. А.В.Бобылев. М. 1980.
Ниже в таблице приведена сокращенная информация о большей части марок алюминия. Также указано содержание его основных естественных примесей – кремния и железа.
— Фольга для обкладок конденсаторов
— Катанка для производства
— Сырье для производства алюминиевых сплавов
— Прокат (прутки, ленты, листы, проволока, трубы)
Главное практическое различие между техническим и высоокоочищенным алюминием связано с отличиями в коррозионной устойчивости к некоторым средам. Естественно, что чем выше степень очистки алюминия, тем он дороже.
В специальных целях используется алюминий высокой чистоты. Для производства алюминиевых сплавов, кабельно-проводниковой продукции и проката используется технический алюминий. Далее речь будет идти о техническом алюминии.
Электропроводность.
Важнейшее свойство алюминия – высокая электропроводность, по которой он уступает только серебру, меди и золоту. Сочетание высокой электропроводности с малой плотностью позволяет алюминию конкурировать с медью в сфере кабельно-проводниковой продукции.
На электропроводность алюминия кроме железа и кремния сильно влияет хром, марганец, титан. Поэтому в алюминии, предназначенном для изготовления проводников тока, регламентируется содержание ещё нескольких примесей. Так, в алюминии марки А5Е при допускаемом содержании железа 0.35%, а кремния 0.12%, сумма примесей Cr + V + Ti + Mn не должна превышать всего лишь 0.01%.
Электропроводность зависит от состояния материала. Длительный отжиг при 350 С улучшает проводимость, а нагартовка проводимость ухудшает.
Величина удельного электрического сопротивления при температуре 20 С составляет Ом*мм 2 /м или мкОм*м :
0.0277 – отожженная проволока из алюминия марки А7Е
0.0280 – отожженная проволока из алюминия марки А5Е
0.0290 – после прессования, без термообработки из алюминия марки АД0
Таким образом удельное электросопротивление проводников из алюминия примерно в 1.5 раза выше электросопротивления медных проводников. Соответственно электропроводность (величина обратная удельному сопротивлению) алюминия составляет 60-65% от электропроводности меди. Электропроводность алюминия растет с уменьшением количества примесей.
Температурный коэффициент электросопротивления алюминия (0.004) приблизительно такой же, как у меди.
Теплопроводность
Теплопроводность алюминия при 20 С составляет примерно 0.50 кал/см*с*С и возрастает с увеличением чистоты металла. По теплопроводности алюминий уступает только серебру и меди (примерно 0.90), втрое превышая теплопроводность малоуглеродистой стали. Это свойство определяет применение алюминия в радиаторах охлаждения и теплообменниках.
Другие физические свойства.
Алюминий имеет очень высокую удельную теплоемкость (примерно 0.22 кал/г*С). Это значительно больше, чем для большинства металлов (у меди – 0.09). Удельная теплота плавления также очень высока (примерно 93 кал/г). Для сравнения – у меди и железа эта величина составляет примерно 41-49 кал/г.
Отражательная способность алюминия сильно зависит от его чистоты. Для алюминиевой фольги чистотой 99.2% коэфициент отражения белого света равен 75%, а для фольги с содержанием алюминия 99.5% отражаемость составляет уже 84%.
Коррозионные свойства алюминия.
Сам по себе алюминий является очень химически активным металлом. С этим связано его применение в алюмотермии и в производстве ВВ. Однако на воздухе алюминий покрывается тонкой (около микрона), пленкой окиси алюминия. Обладая высокой прочностью и химической инертностью, она защищает алюминий от дальнейшего окисления и определяет его высокие антикоррозионные свойства во многих средах.
В алюминии высокой чистоты окисная пленка сплошная и беспористая, имеет очень прочное сцепление с алюминием. Поэтому алюминий высокой и особой чистоты очень стоек к действию неорганических кислот, щелочей, морской воды и воздуха. Сцепление окисной пленки с алюминием в местах нахождения примесей значительно ухудшается и эти места становятся уязвимы для коррозии. Поэтому алюминий технической чистоты имеет меньшую стойкость. Например по отношению к слабой соляной кислоте стойкость рафинированного и технического алюминия различается в 10 раз.
На алюминии (и его сплавах) обычно наблюдается точечная коррозия. Поэтому устойчивость алюминия и его сплавов во многих средах определяется не по изменению веса образцов и не по скорости проникновения коррозии, а по изменению механических свойств.
Основное влияние на коррозионные свойства технического алюминия оказывает содержание железа. Так, скорость коррозии в 5% растворе HCl для разных марок составляет (в ):
| Марка | Содержание Al | Содержание Fe | Скорость коррозии |
| А7 | 99.7 % | 0.16 % | 0.25 – 1.1 |
| А6 | 99.6% | 1.2 – 1.6 | |
| А0 | 99.0% | 27 — 31 |
Наличие железа уменьшает стойкость алюминия также к щелочам, но не сказывается на стойкости к серной и азотной кислоте. В целом коррозионная стойкость технического алюминия в зависимости от чистоты ухудшается в таком порядке: А8 и АД000, А7 и АД00, А6, А5 и АД0, АД1, А0 и АД.
При температуре свыше 100С алюминий взаимодействует с хлором. С водородом алюминий не взаимодействует, но хорошо его растворяет, поэтому он является основной составляющей газов, присутствующих в алюминии. Вредное влияние на алюминий оказывает водяной пар, диссоциирующий при 500 С, при более низких температурах действие пара незначительно.
Алюминий устойчив в следующих средах:
— естественная пресная вода до температур 180 С. Скорость коррозии возрастает при аэрации,
примесях едкого натра, соляной кислоты и соды.
— концентрированная азотная кислота
— кислые соли натрия, магния, аммония, гипосульфит.
— слабые (до 10%) растворы серной кислоты,
— 100% серная кислота
— слабые растворы фосфорной (до 1%), хромовой (до 10%)
— борная кислота в любых концентрациях
— уксусная, лимонная, винная. яблочная кислота, кислые фруктовые соки, вино
Алюминий неустойчив в таких средах:
— разбавленная азотная кислота
— разбавленная серная кислота
— плавиковая и бромистоводородная кислота
— щавелевая, муравьиная кислота
— растворы едких щелочей
— вода, содержащая соли ртути, меди, ионов хлора, разрушающих окисную пленку.
В контакте с большинством технических металлов и сплавов алюминий служит анодом и его коррозия будет увеличиваться.
Механические свойства
Модуль упругости E = 7000-7100 кгс/мм 2 для технического алюминия при 20 С. При повышении чистоты алюминия его величина уменьшается (6700 для А99).
Модуль сдвига G = 2700 кгс/мм 2 .
Основные параметры механических свойств технического алюминия приведены ниже:
Алюминий
Медь
Лекция 4. Материалы высокой проводимости
К группе проводниковых материалов принято относить проводники с удельным электрическим сопротивлением в нормальных условиях не более 10 -7 Ом×м. Наиболее распространенными среди этих материалов являются медь и алюминий.
Медь – элемент побочной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum). Простое вещество медь – это пластичный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). Медь на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.
Преимущества меди, обеспечивающие её широкое применение в качестве проводникового материала, следующие: 1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь); 2) достаточно высокая механическая прочность; 3) удовлетворительная в большинстве случаев стойкость к коррозии (даже в условиях повышенной влажности медь окисляется на воздухе значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах; 4) хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра; 5) относительная легкость пайки и сварки.
Свойства меди.Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра, удельная проводимость при 20 °C 55 – 58 МСм/м). Плотность 8,96 г/см 3 , Тпл = 1083 о С,
Существует ряд сплавов меди: латуни – с цинком, бронзы – с оловом и другими элементами, мельхиор – с никелем, баббиты – со свинцом, и другие.
Удельная проводимость меди весьма чувствительна к наличию примесей и снижается в зависимости от вида примеси: Zn, Cd, Ag – на 5% ; Ni, Sn, Al ‒ на 25–40%; Be, As, Fe, Si, P – на 55%. В то же время присадки многих металлов повышают механическую прочность и твердость меди.
Получение меди.Медь получают путем переработки сульфидных руд, чаще других встречающихся в природе. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем, медь обязательно подвергают электролитической очистке. Можно получить различную по физическим свойствам медь:
– методом холодной протяжки получают твердую медь (ТМ), которая имеет высокий предел прочности при растяжении, твердость и упругость при изгибе; проволока из твердой меди несколько пружинит. Имеет малое относительное удлинение при изгибе;
– методом отжига получится мягкая медь (ММ), которая пластична, обладает малой твердостью и прочностью, более высокой удельной проводимостью. Также обладает весьма большим относительным удлинением при разрыве.
Применение меди.Медь применяют в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих деталей приборов и аппаратов, анодов в гальваностегии и гальванопластике. Медные ленты используют в качестве экранов кабелей. Твердую медь употребляют в тех случаях, когда необходимо обеспечить особенно высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию, например, для изготовления неизолированных проводов. Если же требуется хорошая гибкость и пластичность, а предел прочности на растяжение не имеет существенного значения, то предпочтительнее мягкая медь (например, для монтажных проводов и шнуров). Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают детали клистронов, магнетронов, аноды мощных генераторных ламп, выводы энергии приборов СВЧ, некоторые типы волноводов и резонаторов. Кроме того, медь используют для изготовления фольгированного гетинакса и применяют в микроэлектронике в виде осажденных на подложки пленок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы. Несмотря на большой коэффициент линейного расширения по сравнению с коэффициентом расширения стекол, медь применяют для спаев со стеклами, поскольку она обладает рядом замечательных свойств: низким пределом текучести, мягкостью и высокой теплопроводностью. Для впаивания в стекла медному электроду придают специальную форму в виде тонкого рантика, благодаря чему такие спаи называют рантовыми.
Недостатком меди является ее подверженность атмосферной коррозии с образованием окисных и сульфидных пленок. Скорость окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления окисной пленки с металлом невелика. Вследствие окисления медь не пригодна для слаботочных контактов. При высокой температуре в электрической дуге окись меди диссоциирует, обнажая металлическую поверхность. Металлическое отслаивание и термическое разложение вызывает повышенный износ медных контактов при сильных токах.
Алюми́ний – элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния). Простое вещество алюминий – лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия. Плотность 2,7 г/см 3 , Тпл = 660 о С.
Алюминий – второй по значению (после меди) проводниковый материал – металл серебристо-белого цвета, важнейший из так называемых легких металлов. Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Благодаря малой плотности обеспечивается большая проводимость на единицу массы, т. е. при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных несмотря на большее поперечное сечение. К тому же по сравнению с медью алюминий намного больше распространен в природе и характеризуется меньшей стоимостью. Отмеченные обстоятельства обусловливают широкое применение алюминия в электротехнике. Алюминий получают электролизом глинозема Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6.
Преимущества алюминия, которые обеспечивают ему широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:
– малая плотность (легкий материал);
– дешевизна и доступность;
– распространенность в природе (1-е место по количеству среди металлов в земной коре).
Пленки алюминия широко используют в интегральных микросхемах в качестве контактов и межсоединений. Последние обеспечивают связь между отдельными элементами схемы и внешние присоединения. Нанесение пленок на кремниевые пластинки обычно производят методом испарения и конденсации в вакууме. Требуемый рисунок межсоединений создается с помощью фотолитографии. Преимущества алюминия как контактного материала состоит в том, что этот материал легко напыляется, обладает хорошей адгезией к кремнию и плёночной изоляции из SiO2, широко используемой в полупроводниковых интегральных схемах, обеспечивает хорошее разрешение при фотолитографии. Пленки алюминия широко используют в интегральных микросхемах в качестве контактов и межсоединений. Последние обеспечивают связь между отдельными элементами схемы и внешние присоединения. Преимущества алюминия как контактного материала состоят в том, что этот материал легко напыляется, обладает хорошей адгезией к кремнию.
Недостатком алюминия является значительная подверженность электромиграции, что приводит к увеличению сопротивления или даже разрыву межсоединения, также у алюминия низкая механическая прочность. Отожженный алюминий в три раза менее прочен на разрыв, чем отожженная медь.
Отдельно стоит поговорить о поверхности алюминия, так как он активно окисляется, покрываясь тонкой пленкой окиси с большим электрическим сопротивлением. Такая пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, что делает невозможным пайку алюминия обычными методами. Поэтому для пайки алюминия используют ультразвуковые паяльники или пасты-припои. Более толстый слой окисла, который создает надежную электрическую изоляцию на сравнительно высокие напряжения, получают с помощью электрохимической обработки алюминия. Наиболее широкое применение оксидная изоляция получила в электролитических конденсаторах. Ее используют также и в некоторых типах выпрямителей и разрядников. На практике важное значение имеет вопрос защиты от гальванической коррозии в местах контакта алюминия и меди. Если область контакта подвергается воздействию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением э. д. с., причем полярность этой пары такова, что на внешние поверхности контакта ток направлен от алюминия к меди, вследствие чего алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны быть тщательно защищены от увлажнения.
| | | следующая лекция ==> | |
| Особенности электрооборудования печей сопротивления | | | Серебро |
Дата добавления: 2014-01-15 ; Просмотров: 4105 ; Нарушение авторских прав?
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Физические свойства алюминия и меди: теплопроводность
Тяжело представить современный мир без такого металла, как алюминий. Благодаря таким своим качествам, как лёгкость, стойкость к коррозии, прочность и возможности входить в соединения с другими металлами алюминий стал важнейшим конструкционным материалом XX и XXI века.
- История открытия
- Алюминиевая руда
- Роль электроэнергетики в производстве
- Свойства алюминия
- Таблицы свойств алюминия и меди
- Таблица физических свойств алюминия
- Таблица физических свойств меди
Этот серебристый металл применяется во многих отраслях промышленности: в автомобилестроении, самолётостроении, в строительстве и безусловно, в электроэнергетике. Алюминий является 13 элементом в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева. На данный момент подсчитано, что на него приходится примерно 8% от всей массы твёрдой земной коры и он является 3 химическим элементом по распространённости на планете Земля, уступая место только кислороду и кремнию.
История открытия
Но так как алюминий обладает высокой химической активностью, то в чистом виде он практически не встречается в природе, поэтому в отличие от многих других металлов о нём стало известно только в начале XIX века, когда алюминий был формально получен.
В 1824 году датский физик в процессе электролиза впервые получил алюминий. Хотя металл и содержал примеси ртути и калия, этот случай является первым доказанным случаем получения алюминия в лабораторных условиях.
Имя учёного, привёдшего к революционному методу, было Ханс Кристиан Эрстед. Но понадобилось ещё почти полвека, чтобы разработать технологии для получения его в промышленном производстве. Больше всего природный алюминий встречается в составе минералов квасцов. Именно благодаря этому минералу алюминий и получил своё название, которое на латыни звучит Alumen.
Алюминиевая руда
В современном мире при производстве алюминия применяют широко распространённую в природе алюминиевую руду — бокситы. Бокситы являются глинистой горной породой, в состав которой входят разнообразные модификации гидроксида с такими примесями, как хром, кремний, титан, сера, ванадий, карбонатные соли магния, кальций, железо.
В бокситах можно встретить почти половину таблицы химических элементов Менделеева. Ценность этой руды состоит в том, что помимо одной тонны алюминия, добытой из четырёх тонн бокситов, ценность для промышленности имеют и примеси. Из бокситов в процессе переработки получают белый порошок — оксид алюминия (Al2O3), который ещё имеет название «глинозём». Именно из глинозёма путём электролиза на современных предприятиях производят металл.
Роль электроэнергетики в производстве
При производстве алюминия затрачивается колоссальное количество электроэнергии. Для того чтобы получить одну тонну металла, энергии тратится столько, что её хватило бы на нужды 100-квартирного дома на протяжении целого месяца. А именно 15 МВт*ч. Поэтому большинство алюминиевых заводов располагаются недалеко от гидроэлектростанций, атомных электростанций или имеют собственные тепловые электростанции, а также развитую структуру электроэнергетических систем и сетей.
Свойства алюминия
В алюминии заложено редкое сочетание таких свойств, как:
- небольшой вес;
- пластика, электропроводность;
- возможность образовывать сплавы с другими металлами.
Поверхность алюминия всегда покрыта тончайшей оксидной плёнкой, которая является очень прочной и не позволяет алюминию подвергаться коррозии. Этот материал и в горячем, и в холодном состоянии легко поддаётся обработке давлением. Такие методы обработки, как прокатка, штамповка, волочение часто производятся на предприятии при производстве тех или иных деталей.
Ещё одна ценность алюминия заключается в том, что он не токсичен, не подвержен горению и не нуждается в дополнительной окраске: это делает его применение в авто- и авиастроении незаменимым элементом. Ковкость алюминия удивляет: из него удалось изготовить лист и очень тонкую проволоку толщиной всего в 4 микрона, а толщины фольги — добиться в три раза тоньше волоса человека.
Благодаря возможности алюминия образовывать соединения с большой группой химических элементов появилась большая группа сплавов. Например, сочетание алюминия и цинка используется в создании корпусов различных видов планшетов и телефонов, алюминий в сочетании магния и кремния используется при производстве различных типов двигателей, в составе элементов шасси и всевозможных двигателей. Различные сплавы применяются и в электроэнергетике.
Современная наука продолжает изучать и изобретать новейшие типы алюминиевых сплавов. Сегодня не существует ни одной отрасли промышленности, где бы не использовался алюминий. Можно с уверенностью сказать, что такие виды промышленности, как авиационная, космическая, энергетическая, автомобильная, пищевая, электронная получили своё современное развитие благодаря алюминию и его сплавам.
Нельзя не упомянуть о таком важном свойстве, как теплопроводность. Ведь именно это свойство металла требуется при производстве систем отопления, электропродукции, в авто- и авиастроении, при изготовлении тормозных систем и тому подобных. Теплоёмкость — это процесс переноса тепловой энергии в физических телах или их частицах от горячих объектов к холодным на основе закона Фурье. Конкурентом алюминия в данной области является медь.
Так какой же металл имеет большую теплопроводность? Это не совсем однозначный вопрос. Известно, что алюминий по теплопроводности уступает меди при средних температурах, но когда заходит речь о низких температурах, а именно при 50 К, тогда теплопроводность алюминия значительно возрастает, в то время как у меди теплопроводность становится ниже. Температура плавления алюминия составляет 933,61 К, это примерно 660 °C, в этот момент свойства Al, такие как теплопроводность и плотность, уменьшаются.
Плотность серебристого металла определяется его температурой и зависит от его состояния. Так, при температуре в 27 °C, плотность алюминия соответственно равна 2697 кг/м 3 , а при температуре плавления, равной 660 °C, его плотность равняется 2368 кг/м 3 . Снижение плотности метала в зависимости от температуры обуславливается его расширением при непосредственном нагревании.
Таблицы свойств алюминия и меди
Далее, рассмотрим таблицы физических свойств и теплопроводности алюминия и меди при соответствии разных температур.
- плотность Cu и Al, кг/м 3 ;
- удельная теплоёмкость Cu и Al, Дж/(кг·K);
- температуропроводность Cu и Al, м 2 /с;
- теплопроводность Cu и Al, Вт/(м·K);
- удельное электрическое сопротивление Cu и Al, Ом·м;
- функция Лоренца Cu и Al;
Таблица физических свойств алюминия
| T, K | кг/м 3 | Дж/(кг·K) | м 2 /с | Вт/(м·K) | Ом·м | L/L0 |
| 50 | — | — | 358 | 1350 | 0.0478/0.0476 | — |
| 100 | 2.725 | 483.6 | 228 | 300.4/302 | 0.442/0.440 | — |
| 200 | 2.715 | 800.2 | 109 | 236.8/237 | 1.587/1.584 | 0.78 |
| 300 | 2.697 | 903.7 | 93.8 | 235.9/237 | 2.733/2.733 | 0.88 |
| 400 | 2.675 | 951.3 | 93.6 | 238.8/240 | 3.866/3.875 | 0.94 |
| 500 | 2.665 | 991.8 | 88.8 | 234.7/236 | 4.995/5.020 | 0.96 |
| 600 | 2.652 | 1036.7 | 83.7 | 230.1/230 | 6.130/6.122 | 0.95 |
| 700 | 2.626 | 1090.2 | 78.4 | 224.4/225 | 7.350/7.322 | 0.96 |
| 800 | 2.595 | 1153.8 | 73.6 | 220.4/218 | 8.700/8.614 | 0.97 |
| 900 | 2.560 | 1228.2 | 69.2 | 217.6/210 | 10.18/10.005 | 0.99 |
| 933.61s | 2.550 | 1255.8 | 68.0 | 217.7/208 | 10.74/10.565 | 1 |
| 933.61l | 2.368 | 1176.7 | 35.2 | 98.1 | — 24.77 | 1.06 |
| 1000 | 2.350 | 1176.7 | 36.4 | 100.6 | — 25.88 | 1.06 |
| 1200 | 2.290 | 1176.7 | 39.5 | 106.4 | — 28.95 | 1.04 |
| 1400 | — | 1176.7 | 42.4 | — | — 31.77 | — |
| 1600 | — | 1176.7 | 44.8 | — | — 34.40 | — |
| 1800 | — | 1176.7 | 46.8 | — | — 36.93 | — |
Таблица физических свойств меди
| T, K | кг/м 3 | Дж/(кг·K) | м 2 /с | Вт/(м·K) | Ом·м | L/L0 |
| 50 | — | — | — | 1250 | 0.0518 | — |
| 100 | — | — | — | 482 | 0.348 | — |
| 200 | — | — | 130 | 413 | 1.048 | — |
| 300 | 8.933 | 385.0 | 117 | 401.9/401 | 1.725 | 0.945 |
| 400 | 8.870 | 3.97.7 | 111 | 391.5/393 | 2.402 | 0.961 |
| 500 | 8.628 | 408.0 | 107 | 385.4/386 | 3.090 | 0.976 |
| 600 | 8.779 | 416.9 | 103 | 376.9/379 | 3.792 | 0.976 |
| 700 | 8.726 | 425.1 | 99.7 | 369.7/373 | 4.514 | 0.976 |
| 800 | 8.656 | 432.9 | 96.3 | 360.8/366 | 5.262 | 0.973 |
| 900 | 8.622 | 441.7 | 93.3 | 355.3/359 | 6.041 | 0.979 |
| 1000 | 8.567 | 451.4 | 90.3 | 349.2/352 | 6.868 | 0.979 |
| 1100 | 8.509 | 464.3 | 85.5 | 337.6/346 | 7.717 | 0.972 |
| 1200 | 8.451 | 480.8 | 80.6 | 327.5/339 | 8.626 | 0.970 |
| 1300 | 8.394 | 506.5 | 75.8 | 322.1/332 | 9.592 | 0.972 |
| 1357.6s | 8.361 | 525.2 | 72.3 | 317 | 10.171 | 0.972 |
| 1357.6l | 8.00 | 513.9 | 41.2 | 175 | 21.01 | 1.08 |
| 1400 | 7.98 | 513.9 | 42.7 | 175 | 21.43 | 1.08 |
Из всего вышеперечисленного ясно видно, что алюминий является одним из приоритетных металлов в промышленности, но у него есть ещё одно свойство: этот металл и его сплавы можно переплавлять, причём неоднократно, без потерь его характеристик. Помимо прочего, это экономически выгоднее, чем добыча из руды. Так, на одной электроэнергии экономия превышает 14 кВт/ч. По подсчётам, 75% добытого за всё время алюминия и его сплавов используются по настоящее время.
Статьи
Свойства алюминия
Свойства алюминия
Алюминий — серебристо-белый легкий металл. Расположен в III группе Периодической системы элементов Д.И.Менделеева под номером 13; атомная масса алюминия — 26,98. Конфигурация внешней электронной оболочки 3s 2 3р; атомный радиус — 0,143 мм, ионный радиус А1 3+ (в скобках указаны координационные числа) 0,053 нм (4); 0,062 нм (5); 0,067 нм (6); энергия ионизации А1 -» А1 + -> А1 2+ —> А1 3+ — соответственно 5,984; 18,828; 28,44 эВ; сродство к электрону 0,5 эВ; электроотрицательность по Поллингу — 1,5; поперечное сечение захвата тепловых нейтронов — 215*10 -25 м 2 [3]. Алюминий имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку с параметрами: а = 0,40403 нм, z = 4, пространственная группа Fm3m. В природе существует один стабильный изотоп 27 А1.
Отличительные особенности алюминия — высокая электропроводимость, теплопроводность, коррозионная стойкость, малая плотность и отличная обрабатываемость давлением в холодном состоянии.
Физические свойства алюминия [2-6]
Механические свойства алюминия [4-6]
При охлаждении алюминия до температуры ниже 120 К его прочностные свойства в отличии от большинства металлов возрастают, а пластичность не изменяется (табл. 1.7).
Механические свойства алюминия различной чистоты
| Состояние | Содержание Аl, % | Предел прочности при растяжении σв2МПа | Предел текучести при растяжении σ.00,2, МПа | Относительное удлинение δ, % | Твердость по Бринеллю, НВ |
| Литой в землю | 99,996 | 50 | — | 45 | 13-15 |
| Литой в землю | 99,5 | 75 | — | 29 | 20 |
| Литой в землю | 99.0 | 85 | — | 20 | 25 |
| Литой в кокиль | 99,0 | 90 | — | 25 | 25 |
| Деформированный и отожженный | 99.0 | 90 | 30 | 30 | 25 |
| Деформированный | 99,0 | 140 | 100 | 12 | 32 |
| Литой в землю | 98,0 | 90 | 35 | 12,5 | 28 |
Технологические свойства алюминия [6]
Коррозионные свойства алюминия [6].
Алюминий и его сплавы характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях как сельской местности, так и городских промышленных районов.
Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия и его сплавов. Алюминий практически не корродирует в дистиллированной и чистой пресной (естественной) воде даже при высоких температурах (до 180 °С). Действие пара на алюминий и его сплавы также незначительно.
Вода, содержащая примеси щелочей, резко повышает скорость коррозии алюминия. При комнатной температуре скорость коррозии алюминия в аэрированной воде содержащей 0,1% едкого натрия — 16 мм/год; 0,1% соляной кислоты — 1 мм/год и 1% соды — 4 мм/год.
Алюминий и его сплавы, не содержащие меди, достаточно стойки в естественной (не загрязненной) морской воде. Сернокислые соли магния, натрия, алюминия, а также гипосульфит практически не действуют на технический алюминий. Скорость коррозии алюминия возрастает в присутствии в воде солей ртути, меди или ионов хлора, разрушающих защитную оксидную пленку на алюминии.
В концентрированной азотной кислоте при комнатной температуре алюминий и его сплавы устойчивы, но быстро разрушаются в разбавленных кислотах.
Слабые растворы серной кислоты, концентрацией до 10%, при комнатной температуре незначительно влияют на технический алюминий, но с повышением концентрации и температуры скорость коррозии резко возрастает. В концентрированной серной кислоте алюминий практически устойчив.
Соляная кислота быстро разрушает алюминий и его сплавы, особенно с повышением температуры. Такое же действие на алюминий оказывают растворы плавиковой и бромистоводородной кислот. Слабые растворы фосфорной (менее 1%), хромовой (до 10%) и борной (при всех концентрациях) кислот на алюминий и его сплавы действуют незначительно.
Органические кислоты — уксусная, масляная, лимонная, винная, а также кислые (незагрязненные) фруктовые соки, вино оказывают слабое действие на алюминий и его сплавы, за исключением щавелевой и муравьиной кислот.
Алюминий и его сплавы быстро разрушаются в растворах едких щелочей, однако в растворах аммиака они довольно стойки, особенно сплавы, содержащие магний. Амины на них действуют также незначительно.
Следует отметить, что алюминий и однофазные сплавы на алюминиевой основе более стойки в коррозионном отношении, чем сплавы двухфазные и многофазные.
Влияние примесей на свойства алюминия. На коррозионные, физические, механические и технологические свойства алюминия оказывают значительное влияние примеси различных элементов. Так, например, большинство примесей снижают электропроводность алюминия (рис. 1.1). Основные примеси в алюминии — железо и кремний. Железо снижает коррозионную стойкость, электропроводность и пластичность алюминия, но несколько повышает его прочность. Диаграмма состояния системы Al-Fe, приведенная на рис. 1.2, показывает, что железо незначительно растворяется в алюминии в твердом состоянии. При температуре эвтектики (655°С) растворимость железа достигает 0,052% и с понижением температуры граница твердого раствора а резко сдвигается в сторону алюминия. Железо в алюминии присутствует в виде самостоятельной фазы Al3Fe.
Железо — вредная примесь не только в алюминии, но и в сплавах алюминия с кремнием и магнием. Однако в жаропрочных алюминиевых сплавах железо (в сочетании с никелм) является полезной примесью.
Обычная примесь в алюминии — кремний. В сплавах на алюминиевой основе кремний наряду с медью, магнием, цинком, а также марганцем, никелем и хромом вводится в качестве основного компонента. Образующиеся при этом соединения CuAl2, Mg2Si, CuMgAl2 и др. являются эффективными упрочнителями алюминиевых сплавов.
Из диаграммы состояния алюминий-кремний (рис. 1.3) видно, что при температуре эвтектики 577°С в алюминии растворяется до 1,65% кремния. С понижением температуры область твердого раствора α резко уменьшается.
Примеси кальция и других элементов, присутствующих в стандартных марках алюминия в незначительном количестве, не имеют практического значения. Небольшие добавки церия, натрия и титана оказывают существенное влияние на структуру и свойства определенных алюминиевых сплавов.
Водород хорошо растворяется в алюминии и оказывает отрицательное влияние на его свойства, вызывая при литье пористость. Азот при высоких температурах вступает в реакцию с алюминием с образованием тугоплавкого соединения.
Токсикологические свойства алюминия [7]. В соответствии с ГОСТом по степени воздействия на организм человека алюминиевую пыль относят к III классу опасности. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) в воздухе пыли металлического алюминия и его оксидов составляет 2 мг/м 3 .
При постоянном вдыхании пыли металлического алюминия и его оксида может возникнуть алюминоз легких. Рабочие, подвергшиеся воздействию пыли, должны проходить периодически флюорографическое обследование. У рабочих, занятых в производстве алюминия, часты катары верхних дыхательных путей (рипиты, фарингиты).
Наибольшую опасность для здоровья представляет процесс электролиза глинозема, протекающий в расплавленном криолите (Na3AlF6) при температуре 950 °С. Электролиз расплавленных солей может сопровождаться выбросами большого количества фторидной пыли, фторсодержащих газов, а также паров и частиц битума-компонента анодной массы. Рабочим, занятым на этой операции, также грозят ожоги кожи и глаз при попадании на них расплавленного металла. Во избежании несчастных случаев электролизные ванны необходимо надежно изолировать, рабочие должны иметь средства индивидуальной защиты:, противопылевые маски, очки. перчатки, фартуки, сапоги и т.д. В электролизных цехах должен регулярно проводиться контроль за содержанием пыли в воздухе.
ПДК алюминия и его оксида по ГОСТу и нормативам США приведены ниже:
* Предел кратковременного влияния, т.е. максимальная концентрация, воздействию которой человек может подвергаться не более 15 минут подряд при условии, что в течении дня допускается не более 4-х таких воздействий с промежутками не менее 60 минут.
** Величина порогового предела концентрации вещества, устанавливаемая американской конференцией государственных гигиенистов и определенная для 8-часового рабочего дня и 40-часовой рабочей недели.
Теплопроводность металлов
Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.
Что такое теплопроводность и для чего нужна
Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.
Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.
Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности
Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.
Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.
Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С
От чего зависит показатель теплопроводности
Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:
- вида металла;
- химического состава;
- пористости;
- размеров.
Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.
Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.
Методы измерения
Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.
Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.
Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.
Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов
Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.
Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.
Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.
Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.
Применение
Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.
Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:
- кухонная посуда с различными свойствами;
- оборудование для пайки труб;
- утюги;
- подшипники качения и скольжения;
- сантехническое оборудование для подогрева воды;
- приборы отопления.
Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.
При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.
Шаг пятый. Медь vs алюминий
Шаг пятый.
Предыдущие шажки можно увидеть здесь.
Достался мне тут недавно бракованный кулер Titan D5TB/Cu35. Все было нормально, но основание не отшлифовано совсем, медный пятак имел частые борозды видимо от отрезного станка глубиной примерно 0,5 мм.
Решено было – отполировать и поставить.
Эффект превзошел все ожидания. Температура, под нагрузкой, упала до 47 градусов.
Как это возможно? Алюминий эффективней меди?
Теплопроводность:
Алюминий 180-200 Вт/м*К
Медь обычная 300-320 Вт/м*К
Плотность:
Рал=2700 кг/м3
Рмед=8940 кг/м3, где Р-плотность
Удельная теплоёмкость:
Алюминий — 880 Дж / кг*К
Медь — 385 Дж / кг*К
Шаг пятый.
Предыдущие шажки можно увидеть здесь.
Достался мне тут недавно бракованный кулер Titan D5TB/Cu35. Все было нормально, но основание не отшлифовано совсем, медный пятак имел частые борозды видимо от отрезного станка глубиной примерно 0,5 мм.
Решено было – отполировать и поставить.
Эффект превзошел все ожидания. Температура, под нагрузкой, упала до 47 градусов.
Как это возможно? Алюминий эффективней меди?
Теплопроводность:
Алюминий 180-200 Вт/м*К
Медь обычная 300-320 Вт/м*К
Плотность:
Рал=2700 кг/м3
Рмед=8940 кг/м3, где Р-плотность
Удельная теплоёмкость:
Алюминий — 880 Дж / кг*К
Медь — 385 Дж / кг*К
видим, что:
· плотность меди выше, чем у алюминия примерно в 3,31 раза
· теплопроводность меди выше, чем у алюминия примерно в 1,66-1,75 раза
· теплоёмкость медного радиатора меньше, чем у алюминиевого примерно в 2,28 раза, при равной массе.
Таким образом, если радиаторы одинаковые по размерам и форме, то выполненный из меди будет в 3,31 раза тяжелее, его теплоемкость будет примерно в 1.44 раз больше чем у алюминиевого. Следовательно, при одинаковой нагрузке медный радиатор нагреется в 1.44 раза меньше. При большей разнице температур между процессорным ядром и радиатором теплообмен проходит эффективнее, следовательно, медный радиатор лучше.
Но на практике, я заменил медный радиатор на алюминиевый и выиграл. Почему?
В данном случае я заменил небольшой, но тяжелый радиатор от Thermaltake Volcano 10, с частыми тонкими ребрами, на вдвое больший радиатор от Titan D5TB/Cu35 с достаточно редкими и толстыми ребрами. Масса радиаторов примерно равна, поэтому теплоемкость алюминиевого радиатора будет больше. Следовательно, нагреваться он будет дольше. Кроме того, сопротивление воздушному потоку меньше из-за большей ширины каналов. Следовательно, через алюминиевый радиатор проходит большее количество воздуха, и он (воздух) забирает больше тепла. Тепловой баланс устанавливается на низшей отметке температуры, так как, во-первых, за единицу времени больше тепла отдается в атмосферу вследствие большего количества проходящего воздуха, а площадь теплообмена у обоих радиаторов примерно равна. А во-вторых, сам радиатор нагревается медленнее вследствие большей теплоемкости, поэтому для достижения равной с медным радиатором температуры алюминиевому требуется больше времени, что усугубляет первое положение. Кроме того, возможно в радиаторе от Thermaltake Volcano 10 образовывались не продуваемые зоны, в которых застаивался теплый воздух.
Основное преимущество меди, большая теплопроводность, в данном случае существенного влияния не оказывает, ввиду слабого воздушного потока вследствие чего и алюминиевый и медный радиаторы успевают равномерно распределить тепло по поверхности своих ребер и, следовательно, единица площади ребер обоих радиаторов отдает воздуху примерно равное количество тепла.
Все, что здесь написано, отражает мою личную точку зрения и не более. Я не старался придерживаться классической терминологии и возможно применил неверные определения, за что прошу строго меня не судить.
Конструктивная критика принимается здесь.
Физические свойства алюминия и меди — теплопроводность
Высокая теплопроводность меди наряду с другими замечательными свойствами определила этому металлу значимое место в истории развития человеческой цивилизации. Изделия из меди и ее сплавов используются практически во всех сферах нашей жизни.
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:
| Материал | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К) |
|---|---|
| Серебро | 428 |
| Медь | 394 |
| Алюминий | 220 |
| Железо | 74 |
| Сталь | 45 |
| Свинец | 35 |
| Кирпич | 0,77 |
Медь обладает коэффициентом теплопроводности 394 Вт/(м*К) при температуре от 20 до 100 °С. Соперничать с ней может только серебро. А у стали и железа этот показатель ниже в 9 и 6 раз соответственно (см. таблицу). Стоит отметить, что теплопроводность изделий, изготовленных из меди, в значительной мере зависит от примесей (впрочем, это касается и других металлов). Например, скорость проводимости тепла снижается, если в медь попадают такие вещества, как:
- железо;
- мышьяк;
- кислород;
- селен;
- алюминий;
- сурьма;
- фосфор;
- сера.
Если добавить к меди цинк, то получится латунь, у которой коэффициент теплопроводности намного ниже. В то же время добавление других веществ в медь позволяет существенно снизить стоимость готовых изделий и придать им такие характеристики, как прочность и износостойкость. К примеру, для латуни характерны более высокие технологические, механические и антифрикционные свойства.
Поскольку для высокой теплопроводности характерно быстрым распространение энергии нагрева по всему предмету, медь получила широкое применение в системах теплообмена. На данный момент из нее изготавливают радиаторы и трубки для холодильников, вакуумных установок и автомашин для быстрого отвода тепла. Также медные элементы применяют в отопительных установках, но уже для обогрева.
Медный радиатор отопления
Чтобы поддерживать теплопроводность металла на высоком уровне (а значит, делать работу устройств из меди максимально эффективной), во всех системах теплообмена используют принудительный обдув вентиляторами. Такое решение вызвано тем, что при повышении температуры среды теплопроводность любого материала существенно понижается, ведь теплоотдача замедляется.
Алюминий и медь – что лучше?
У алюминия есть один минус по сравнению с медью: его теплопроводность в 1,5 раза меньше, а именно 201–235 Вт/(м*К). Однако по сравнению с другими металлами это достаточно высокие значения. Алюминий так же, как и медь, обладает высокими антикоррозийными свойствами. Кроме того, он имеет такие преимущества, как:
- малая плотность (удельный вес в 3 раза меньше, чем у меди);
- низкая стоимость (в 3,5 раза меньше, чем у меди).
Алюминиевый радиатор отопления
Благодаря простым расчетам получается, что алюминиевая деталь может оказаться дешевле медной практически в 10 раз, ведь она весит намного меньше и изготовлена из более дешевого материала. Этот факт наряду с высокой теплопроводностью позволяет использовать алюминий в качестве материала для посуды и пищевой фольги для духовых шкафов. Главный недостаток алюминия состоит в том, что он является более мягким, поэтому его можно использовать только в составе сплавов (например, дюралюминия).
Для эффективного теплообмена важную роль играет скорость отдачи тепла в окружающую среду, и этому активно способствует обдув радиаторов. В результате меньшая теплопроводность алюминия (относительно меди) нивелируется, а вес и стоимость оборудования снижаются. Эти важные плюсы позволяют алюминию постепенно вытеснять медь из использования в системах кондиционирования.
Использование меди в электронике
В некоторых отраслях, к примеру, в радиопромышленности и электронике, медь является незаменимой. Дело в том, что этот металл по природе своей очень пластичен: его можно вытянуть крайне тонкую проволоку (0,005 мм), а также создать другие специфические токопроводящие элементы для электронных приборов. А высокая теплопроводность позволяет меди крайне эффективно отводить неизбежно возникающее при работе электроприборов тепло, что очень важно для современной высокоточной, но в то же время компактной техники.
Актуально использование меди в тех случаях, когда требуется сделать наплавку определенной формы на стальную деталь. При этом применяется шаблон из меди, который не соединяется с привариваемым элементом. Использование алюминия для этих целей невозможно, так как он будет расплавлен или прожжен. Стоит также упомянуть, что медь способна выполнить роль катода при сварке угольной дугой.
1 — шестерня, 2 — крепления шаблонов, 3 — наплавляемый зуб шестерни, 4 — медные шаблоны
Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов
Медь обладает куда более высокой стоимостью, чем латунь или алюминий. При этом у данного металла есть свои недостатки, напрямую связанные с его достоинствами. Высокая теплопроводность приводит к необходимости создавать специальные условия во время резки, сварки и пайки медных элементов. Так как нагревать медные элементы нужно намного более концентрировано по сравнению со сталью. Также часто требуется предварительный и сопутствующий подогрев детали.
Не стоит забывать и о том, что медные трубы требуют тщательной изоляции в том случае, если из них состоит магистраль или разводка системы отопления. Что приводит к увеличению стоимости монтажа сети в сравнении с вариантами, когда применяются другие материалы.
Пример теплоизоляции медных труб
Сложности возникают и с газовой сваркой меди: для этого процесса потребуются более мощные горелки. При сварке металла толщиной 8–10 мм потребуются две-три горелки. Пока одна горелка используется для сварки, другими ведется подогрев детали. В целом сварочные работы с медью требуют повышенных расходов на расходные материалы.
Следует сказать и о необходимости использования специальных инструментов. Так, для резки латуни и бронзы толщиной до 15 см понадобится резак, способный работать с высокохромистой сталью толщиной в 30 см. Причем этого же инструмента хватит для работы с чистой медью толщиной всего лишь в 5 см.
Плазменная резка меди
Можно ли повысить теплопроводность меди?
Медь широко используется при создании микросхем электронных устройств и призвана отводить тепло от нагреваемых электрическим током деталей. При попытке увеличить быстродействие современных компьютеров разработчики столкнулись с проблемой охлаждения процессоров и других деталей. В качестве одного из решений применялся вариант разбиения процессора на несколько ядер. Однако данный способ борьбы с перегревом себя исчерпал, и сейчас требуется искать новые проводники с более высокой теплопроводностью и электропроводимостью.
Одним из решений этой проблемы является недавно открытый элемент графен. Благодаря напылению из графена теплопроводность медного элемента увеличивается на 25%. Однако пока изобретение находится на уровне разработки.
Загрузка...
