Nội dung Trang I. Giới thiệu sự dẫn điện 3 II. Giới thiệu, các tính chất và thành phần cấu tạo của Nhôm 3 II.1. Giới thiệu 3 II.2. Các tính chất 5 II.2.1. Cấu trúc mạng tinh thể của nhôm 5 II.2.2. Các hằng số vật lý và hóa học quan trọng 5 II.2.3. Tính chất hóa học của nhôm 6 II.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng 7 III. Ứng dụng của các vật liệu kim loại NHÔM hiện nay 8 IV. Quy trình sản xuất nhôm 12
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH - - BÀI BÁO CÁO: ĐỀ TÀI 2: KIM LOẠI DẪN ĐIỆN NHƠM (Mơn học: Vật liệu điện – điện tử) GVHD: ThS Phạm Xuân Hổ Nhóm sinh viên thực hiện: TP.HỒ CHÍ MINH – 10/2018 MỤC LỤC Nội dung Trang -1- I Giới thiệu dẫn điện II Giới thiệu, tính chất thành phần cấu tạo Nhôm II.1 Giới thiệu II.2 Các tính chất .5 II.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể nhôm II.2.2 Các số vật lý hóa học quan trọng II.2.3 Tính chất hóa học nhơm II.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng III Ứng dụng vật liệu kim loại NHÔM IV Quy trình sản xuất nhơm 12 I Giới thiệu dẫn điện -2- Dẫn điện dịch chuyển có hướng hạt mang điện tác dụng điện trường ngồi để hình thành nên dịng điện Dịng điện có chiều chiều với hạt mang điện tích dương ngược chiều với hạt mang điện tích âm Hạt mang điện bao gồm hạt electron ion Độ dẫn điện đăc trưng để đo dẫn điện vật dẫn Kí hiệu σ Điện trở đại lượng vật lý thể mức độ cản trở dòng điện vật cho dòng điện chạy qua Và đại lượng đặc trưng cho điện trở Điện trở suất ( ρ hay Ω.Cm) Những kim loại dẫn điện tốt: Bạc, Đồng, Vàng, Nhơm, Kẽm, Platin, Sắt, Thiết,… II Giới thiệu, tính chất thành phần cấu tạo Nhôm II.1 Giới thiệu Nhơm hay cịn gọi aluminium ngun tố hóa học tuần hồn ngun tố có kí hiệu Al Nhơm lần phát Đan Mạch nhà vật lý hóa học người Đan Mạch tên Hans Christian Ørsted Trạng thái tiêu chuẩn: Chất rắn 298oK -3- Số nguyên tố z = 13 Chu kỳ Cấu hình electron lớp: 2, 8, Nhôm kim loại có màu trắng bạc ánh kim, theo thời gian, trở thành màu trắng oxit hóa bề mặt Có đặc điểm dễ dát mỏng, mềm, dễ dàng thi cơng máy móc hay đúc Nhơm có khả chống ăn mịn bền vững lớp ơxít bảo vệ Nó khơng nhiễm từ khơng cháy để ngồi khơng khí điều kiện thông thường Do lớp màng mỏng oxit có điện trở lớn, nên cản trở việc thực tiếp xúc dây dẫn Cũng tương tự, lớp tạo khó khăn cho hàn dính kết dây dẫn, nên phải sử dụng số chất đăc biệt để dính kết Nhơm vật liệu phổ biến có nhiều vỏ trái đất dạng quặng Ở nước ta, việc khai thác quặng nhôm phát triển đặc biệt khu vực Tây Nguyên với trữ lượng lớn tập trung thúc đẩy kinh tế phát triển với nhu cầu ngày cao nước quốc tế Nhà máy Alumin Nhân Cơ (Đắk Nông) Sau vật liệu đồng, nhôm vật liệu quan trọng thứ hai sử dụng kỹ thuật điện; nhơm có điện dẫn suất cao (chỉ sau bạc đồng vàng), trọng lượng riêng giảm tính chất vật lý hóa học cho ta khả dùng làm dây dẫn điện Và cịn nhiều lợi ích mà nhôm mang lại cho nhiều lĩnh vực -4- Bên cạnh đó, sức bền khí nhơm tương đối bé gặp khó khăn việc thực tiếp xúc điện tốt nối với II.2 Các tính chất II.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể nhơm Nhơm có cấu trúc tinh thể hình lập phương tâm mặt Tham số ơ: a = 404,96 pm Bán kính nguyên tử : r = 173,17 pm Với mật độ xếp chặt Nhôm ứng với ô sở : ML l L MS s S MV v V 128 Mật độ nguyên tử : N N Mật độ e : Songuyentu /1o 6, 023.1028 x (404,96.10 12 ) a N e N N x Soe / nguyentu 18, 069.1028 II.2.2 Các số vật lý hóa học quan trọng Tính chất Chỉ tiêu -5- Đơn vị đo - Trọng lượng riêng 20oC 2,7 Kg/dm3 - Điện trở suất 20oC 2,941 Ω.cm 10-6 - Điện dẫn suất 20oC 0,34 Ω-1.cm-1 106 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ 20oC 0,004 1/độ C - Nhiệt dẫn suất 20oC 2,1 W/cm độ C 0,503 (Cal/cm.s độ) 657 Độ C 0,2259 Kcal/kg 93 Kcalo/kg 2270 Độ 23,81-6 1/độ C - Nhiệt độ nóng chảy bình thường - Nhiệt lượng riêng trung bình - Nhiệt lượng nóng chảy tiềm tàn riêng - Điểm sôi 700mm cột thủy ngân o - Hệ số giãn nở dài trung bình (20 - 100 C) 250 - 300 Độ - Nhiệt độ tái tạo tinh thể 7200 kG/mm2 - Môđun đàn hồi mềm kG/mm2 - Sức bền đứt kéo 17 kéo 45 % - Độ dẫn dài riêng kéo ( chiều dài 50mm) 80 % - Độ cao tương đối 22 kG/mm2 - Độ cứng Brinell 27 đvC - Khối lượng nguyên tử - Độ âm điện 1,61 Pauling II.2.3 Tính chất hóa học nhơm - Phản ứng với khơng khí: Al + O2 → Al2O3 Xảy q trình bị ăn mịn điện hóa - Tác dụng mạnh với Clo khơng khí tạo nên lỗ nhỏ xung quanh lớp bọc làm hỏng bề mặt dây dẫn điện, đồng thời tạo nên clorat natri - Hơi axit clorhydric axit axetic tác động nhôm nước biển hay dung dịch giặt quần áo -6- II.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng II.2.4.1 Ảnh hưởng chất có nhơm: Điện trở nhơm tinh khiết với độ tinh khiết 99,997 % to = 20oC Ở nhiệt độ 320oC, điện trở suất nhôm 0.0263 Ω.mm2/m điện dẫn suất 38 m/ Ω.mm2 Hình điện dẫn suất nhôm ủ nhiệt tùy theo hàm lượng chất đưa vào chứng tỏ hợp nhơm tạp chất có độ dẫn điện yếu nhôm tinh khiết II.2.4.2 Ảnh hưởng gia cơng khí -7- Điện dẫn suất 20oC sức bền đứt nhôm phụ thuộc vào mức độ tinh khiết Nhơm tinh khiết có sức bền kéo khoảng 6kG/mm 2, cịn nhơm lẫn 0,5% tạp chất trạng thái mềm có sức bền ÷ 11 kG/mm Ở đường dây không sức bền phải đạt khoảng 15 ÷ 20 kG/mm2 , thơng qua phương pháp kéo dây dẫn điện thành sợi nguội Việc kéo thành sợi để tăng sức bền khí nhơm, song làm giảm điện dẫn suất nhơm khoảng 1,2 % hình vẽ -8- Điện dẫn suất trọng lượng riêng nhôm xử lý kéo nguội tùy theo mức độ giọt mỏng ( SO – tiết diện ban đầu, Si tiết diện cuối cùng.) Mức độ giọt mỏng : SO S i SO II.2.4.3 Ảnh hưởng xử lý nhiệt nhiệt độ Ở 20oC, điện trở suất nhôm xử lý nhiệt : Nhôm mềm: ρ = 0, 02788 Ω.mm2/m 36 Nhôm cứng: ρ = 0.02941 Ω.mm2/m 34 Cho thấy việc xử lý nhiệt ảnh hưởng nhôm lẫn nhiều tạp chất thông qua việc nung nóng, tạp chất dễ hịa tan nhôm III Ứng dụng vật liệu kim loại NHÔM vật liệu dẫn điện Do tính chất điện, với sức bền tốt thời tiết xấu nhôm phổ biến thiên nhiên nhiều đồng, nên nhôm ngày sử dụng phổ biến kỷ thuật điện để chế tạo: - Cáp điện - Ống nối - Các góp chi tiết cho trang thiết bị điện - Dây dẫn điện -9- - Các rôto động điện không đồng - Các chi tiết nhôm, đầu nối, nối, móc, … - Ngồi ra, Nhơm cịn sử dụng rộng rãi lĩnh vực khác – Nhôm dùng để làm vỏ phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu nhằm tăng nhiệt độ nhờ nhơm có tính hấp thụ xạ điện từ Mặt Trời tốt – Với tính chất nhẹ bền hợp kim nhôm dùng ngành công nghiệp chế tạo, cụ thể tạo chi tiết cho xe ô tô, xe tải, tàu hỏa, tàu biển máy bay,… – Có cơng dụng việc đóng gói can, giấy gói,… – Có khả xử lý nước – Là nguồn vật liệu thiếu ngành xây dựng, dùng làm cửa sổ, cửa chính,ván,… – Là vật liệu để chế tạo nên đồ dùng gia đình, nội thất có độ bền cao trang thiết bị nấu bếp, bàn ghế, thau, … – Ngành chế tạo máy móc – Đặc biệt với nhơm siêu tinh khiết (SPA) có chứa 99,980%-99,999% sử dụng công nghiệp điện từ, sản xuất đĩa CD,… – Với nhơm dạng bột dùng vào việc tạo màu bạc sơn, bơng nhơm dùng sơn lót việc xử lý gỗ để kháng nước – Còn có nhơm dương cực hóa chống ơxi hóa thường sử dụng nhiều nhành xây dựng với nhiều lĩnh vực – Các tản nhiệt CPU máy tính laptop thường làm từ nhơm – Có ơxít nhơm tự nhiên dạng corunđum, emery, ruby saphia dùng để sản xuất thủy tinh Ruby saphia tổng hợp ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả giao thoa – Nhơm ơxi hóa tạo nhiệt độ cao, nên dùng làm nguyên liệu rắn cho tên lửa, thành phần phóa hoa – Nhơm có phản ứng nhiệt dùng điều chế lim loại có nhiệt độ nóng chày cao crôm Cr Vonfarm W,… - 10 - Nhơm có nhiều loại hợp kim dùng để đúc kéo dây dẫn dây dẫn, loại hợp kim thông thường sử đụng là: Zn-Al-Cu, Zn-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Si-Mg, AL-Mg,Al-Mg-Mn Hợp kim aldrey hợp sử dụng phổ biến dùng để chế tạo dây dẫn Chúng hợp kim nhôm với Magie (0.3 ÷ 0.5%) Silic (0.4 ÷ 0.7%) Sắt (0.2 ÷ 0.3%) Tổ hợp làm hợp kim có tính chất tơt Mg2Si - 11 - Ngoài dây dẫn điện hợp kim nhơm cịn ứng dụng rộng rãi đời sống vật chất người Các ơxít nhơm tự nhiên dạng corunđum, emery, ruby saphia dùng để sản xuất thủy tinh Ruby saphia tổng hợp ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả giao thoa Đura hợp kim chủ yếu nguyên tố Al-Cu-Mg với Cu < 5%, Mg < 2% Ngồi thành phần cịn có thêm Fe, Si, Mn Hợp kim nhơm điển hình dùng rộng rãi kỹ thuật hàng không Silumin hợp kim nhơm dùng rộng rãi Nó hợp kim tạo nên từ sở hệ hợp kim Al – Si Ngồi thành phần cịn có thêm Mg, Mn, Cu, Zn… Phân loại theo thành phần hóa học người ta chia silumin làm nhóm: Silumin - 12 - đơn giản: có tính đúc tốt (độ chảy loãng cao, khả điền đầy khuôn lớn, độ nhẵn bề mặt cao) nên dùng để đúc định hình chi tiết có hình dạng phức tạp Thường dùng làm vật liệu để đúc chi tiết máy có hình dáng phức tạp, chịu tải trọng nhẹ Silumin phức tạp hợp kim nhôm với – 10% Si có thêm nguyên tố hợp kim đặc biệt Cu, Mg, Zn, Mn… (Ví dụ: AlSi8Mg, AlSi6MgMnCu7, AlSi5MnCu3…) Thường dùng làm chi tiết máy quan trọng như: thân máy nén, thân nắp động ô tô (AЛ4), pit tông (AЛ26 hay AA 390.0) Nhôm 6061 hợp kim đa dụng tuyệt vời, có độ bền cao, chống ăn mịn tốt có tính hàn tốt Nó sử dụng cho tất ứng dụng kết cấu chẳng hạn hàng khơng, bán dẫn, đồ gá lắp cố định Nó có thành phần chủ yếu nhơm, magiê hợp kim silicon Nhôm 6061 dùng cho linh kiện tự động hóa khí, khn gia cơng thực phẩm, khn gia cơng chế tạo - 13 - Ngồi ra, Nhôm không ứng dụng kỹ thuật điện mà kim loại quan trọng phổ biến với ứng dụng đa số tất ngành IV Quy trình sản xuất nhơm Hiện giới quy trình sản xuất nhơm thực qua giai đoạn là: khai thác quặng bauxite, chế biến alumina (Al 2O3) luyện nhơm Trong đó, giai đoạn chế biến alumin luyện nhơm thực theo quy trình: quy trình Bayer-chế biến bơ xít thành alumina quy trình Hall-Heroult-điện phân alumina thành nhơm - Khai thác quặng bauxite: Hầu hết quặng bauxite khai thác giới mỏ lộ thiên Việc khai thác quặng theo kiểu lộ thiên hồn tồn gần chúng nằm sát mặt đất Quặng bauxit có chứa 30-54% alumina, Al2O3, phần lại silica, nhiều dạng ơxít sắt, điơxít titan Vì sau khai thác đưa trực tiếp đến nhà máy sơ chế thô để loại bỏ thành phần tạp chất trình hình thành quặng Sau đưa sàng rửa để lấy quặng lớn, quặng nhỏ đưa qua máy li tâm để thu hôi hạt nhỏ Quặng sau tinh chế đưa đến nhà máy tinh chế quặng - 14 - - 15 - - Quá trình tinh chế quặng Quá trình Bayer: Cơng nghệ Bayer Karl Bayer sáng tạo vào năm 1887 Khi làm việc Saint Petersburg, Nga Trong q trình Bayer, quặng bauxite đun nóng bình áp lực với dung dịch natri hydroxit (xút ăn da) nhiệt độ 150 đến 200 ° C Ở nhiệt độ này, nhơm hịa tan Sau tách cặn cách lọc, hydroxit nhôm kết tủa chất lỏng làm lạnh sau gieo hạt hydroxit nhơm hạt mịn Q trình chiết chuyển đổi oxit nhôm quặng thành natri aluminat hịa tan, 2NaAlO 2, theo phương trình hóa học: Al O + NaOH → NaAlO + H 2O Các thành phần hóa học khác bauxit khơng hịa tan theo phản ứng lọc loại bỏ khỏi dung dịch tạo thành bùn đỏ, quặng đuôi hay đuôi quặng loại quặng bauxit Chính thành phần bùn đỏ gây nên vấn nạn môi trường vấn đề đổ thải giống loại quặng khống sản kim loại màu nói chung Tiếp theo, dung dịch hydroxit làm lạnh hydroxit nhơm dạng hịa tan - 16 - phân lắng tạo thành dạng chất rắn, bơng, có màu trắng Khi nung nóng lên tới 1050 °C (q trình canxit hóa), hydroxit nhơm phân rã nhiệt trở thành alumina giải phóng nước: Al(OH)3 → Al2O3 + H2O - Quy trình Hall-Heroult: - 17 - Cơng nghệ Hall-Heroult q trình tách nhơm theo phương pháp điện phân nóng chảy có sử dụng cryolit (sodium aluminum fluoride, Na 3AlF3) chất xúc tác để giảm độ nóng chảy tinh quặng alumin Hỗn hợp dung dịch cryolit với tinh quặng alumin bị hịa tan điện phân khiến nhơm thể lỏng chuyển dịch phía cathode tích tụ dương cực cực âm anode carbon bị oxi hóa thành carbon dioxit Nguồn điện sử dụng nhiều lị luyện nhơm thường có điện thấp (thường 3-5V), địi hỏi dòng phải lớn – buồng điện phân cường độ dịng từ 220kA lên đến 340kA Nhôm lỏng tách nhờ xi phông máy hút (để tránh phải sử dụng máy bơm val chịu nhiệt độ cao) Nhôm lỏng chuyển vào thùng chứa hay đưa qua đường ống dẫn liên tục chịu nhiệt sang sở mạ Nhơm kim loại sau mạ thành hình dạng cuối với hợp kim khác hay mạ vào thỏi vật liệu tạp khác để sau bán cho sở luyện kim để tái luyện - 18 -