Теплопроводность алюминиевых сплавов

Алюминий проводит ток, кроме того, металл является одним из лучших существующих проводников. Из него изготавливают токопроводящие шины, кабельные наконечники и гильзы, кабель для воздушных линий электропередач, СИП (самонесущий изолированный провод) и провода меньшего сечения (для бытовых или производственных нужд), коаксиальный телевизионный кабель.

Разновидности алюминиевого электрического кабеля Источник ru.prom.st

Иные свойства

Сегодня алюминия производится практически в 2 раза больше, чем меди. А в сравнении со всеми добываемыми металлами, он уступает только стали. Это подтверждает, что с каждым годом электротехническая отрасль наращивает обороты его использования. Объясняется это целым рядом причин, которые мы рассмотрим далее.

Электрические показатели алюминия

Согласно «Международному стандарту по отожженной меди» (IACS), последней присвоен показатель в 100% проводимости. В соответствии с вышеперечисленной информацией, алюминий проводит электричество лишь со значением в 61% в эквиваленте общепринятому стандарту.

Таким образом, равное процентное соотношение будет достигнуто только при больших поперечных сечениях. В виду того, что медь существенно тяжелее алюминия, такой «увеличенный» в массе проводник всё равно окажется легче медного.

Сравнительная плотность алюминия и меди Источник aluminium-guide.com

Этот факт доказан путём сложных математических расчётов, результат которых показывает, что 1 кг. алюминия обеспечивает равную скорость проводимости, что 2 кг. меди. Потому, если этого не требуют определённые технические условия к размеру проводников, медь заменяется алюминием.

Полезно! Если для использования в домашней проводке вес электрического провода особой роли не имеет, то в применении на ВЛЭ (воздушных линиях электропередач) масса токоведущих жил сказывается значительно. Поэтому берётся тот, который легче, то есть алюминиевый.

Показатель прочности

При условии одинакового сечения медные жилы прочнее алюминиевых. Хотя, этот показатель легко увеличить за счёт легирования или термомеханической обработки, либо увеличить сечение.

Таблица отображает, что алюминий в 2 раза слабее на разрыв Источник aluminium-guide.com

Значения, приведённые в таблице, показывают, что алюминий проводит ток, но уступает меди в показателе «на разрыв». Тем не менее, он способен выдерживать собственный вес и не так перегружает опоры ВЛЭ, как медный.

Помимо этого, прессование алюминия подразумевает получение поперечных сечений сложных форм, чего нельзя получить из стали. Исходя из таких объективных причин новые элементы могут быть сконструированы так, что они окажутся наиболее эффективными в сравнении с допустимыми аналогами из других материалов.

Комбинация свойств алюминия и его сплавов

Алюминий и его сплавы обладают уникальными комбинациями физических и других свойств. Это сделало алюминий одним из наиболее разносторонних, экономически выгодных и привлекательных конструкционных и потребительских материалов. Алюминий находит применение в очень широком диапазоне – от мягкой, очень пластичной упаковочной фольги до самых ответственных космических проектов. Алюминий по праву является вторым после стали среди многочисленных конструкционных материалов.

Низкая плотность

Алюминий – это один из самых легких промышленных конструкционных. Плотность алюминия приблизительно в три раза ниже, чем у стали или меди. Это физическое свойство обеспечивает ему высокую удельную прочность – прочность на единицу массы.

Рисунок 1.1 – Объем единицы веса алюминия в сравнении с другими металлами [3]

Рисунок 1.2 – Влияние легирующих элементов на прочностные свойства, твердость, хрупкость и пластичность [3]

Рисунок 1 – Прочность на единицу плотности алюминия в сравнении с различными металлами и сплавами [3]

Рисунок 2 – Кривые растяжения алюминия в сравнении с различными металлами и сплавами [3]

Поэтому алюминиевые сплавы широко применяют в транспортном машиностроении для увеличения грузоподъемности транспортных средств и экономии топлива.

• Паромные катамараны,
• нефтяные танкеры и
• самолеты –

вот лучшие примеры применения алюминия в транспорте.

Рисунок 3 – Плотность алюминия в зависимости от его чистоты и температуры [2]

Коррозионная стойкость

Алюминий имеет высокую коррозионную стойкость благодаря тонкому слою оксида алюминия на его поверхности. Эта оксидная пленка мгновенно образуется, как только свежая поверхность алюминия входит в контакт с воздухом (рисунок 4). Во многих случаях это свойство позволяет применение алюминия без какой-либо специальной обработки поверхности. Если требуется дополнительное защитное или декоративное покрытие, то применяют анодирование или окраску его поверхности.

Рисунок 4 а – естественное оксидное покрытие на сверхчистом алюминии; б – коррозия алюминия чистотой 99,5 % с естественным оксидным покрытием в коорозионно агрессивной среде [2]

Рисунок 5.1 – Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость и усталостную прочность [3]

Рисунок 5.2 – Точечная коррозия (питтинговая коррозия) алюминиевых листов из сплава 3103 в различных коррозионных условиях [3]

Прочность

Прочностные свойства чистого алюминия являются довольно низкими (рисунок 6). Однако эти механические свойства могут возрастать очень сильно, если в алюминий добавляют легирующие элементы и, кроме того, его подвергают термическому (рисунок 6) или деформационному (рисунок 7) упрочнению.

Типичными легирующими элементами являются:

• марганец,
• кремний,
• медь,
• магний
• и цинк.

Рисунок 6 – Влияние чистоты алюминия на его прочность и твердость [2]

Рисунок 7 – Прочностные свойства высокочистых деформируемых алюминиево-медных сплавов в различных состояниях [2] (О – отожженный, W – сразу после закалки, Т4 – естественно состаренный, Т6 – искусственно состаренный)

Рисунок 8 – Механические свойства алюминия 99,50 % в зависимости от степени полученной холодной деформации [2]

Рисунок 2 – Влияние легирующих элементов на плотность и модуль Юнга [3]

Прочность при низких температурах

Известно, что сталь становится хрупкой при низких температурах. Алюминий же, напротив, при низких температурах повышает свою прочность и сохраняет высокую вязкость. Именно это физическое свойство дало возможность его применения в космических аппаратах, которые работают в условиях космического холода.

Рисунок 9 – Изменение механические свойства алюминиевого сплава 6061 с понижением температуры

Теплопроводность

Алюминий проводит тепло в три раза быстрее, чем сталь. Это физическое свойство является очень важным в теплообменных аппаратах для нагрева или охлаждения рабочей среды. Отсюда – широкое применение алюминия и его сплавов в кухонной посуде, кондиционерах воздуха, примышленных и автомобильных теплообменниках.

Рисунок 10 – Теплопроводность алюминия в сравнении с другими металлами [3]

Отражательная способность

Алюминий является отличным отражателем лучистой энергии во всем интервале длин волн. Это физическое свойство позволяет применять его в приборах, которые работают от ультрафиолетового спектра через видимый спектр до инфракрасного спектра и тепловых волн, а также таких электромагнитных волн, как радиоволны и радарные волны [1].

Алюминий имеет способность отражать более 80 % световых волн, что обеспечивает ему широкое применение в осветительных приборах (рисунок 11). Благодаря этому физическому свойству он находит применение в теплоизоляционных материалах. Например, алюминиевая кровля отражает большую долю солнечного излучения, что обеспечивает в помещениях прохладную атмосферу летом и, в то же время, сохраняет тепло помещения зимой.

Рисунок 11 – Отражательные свойства алюминия [2]

Рисунок 12 – Отражательные свойства и эмиссивность алюминия с различной обработкой поверхности [3]

Рисунок 13 – Сравнение отражательных свойств различных металлов [3]

Электрические свойства

• Алюминий является одним из двух доступных металлов, которые имеют достаточно высокую электрическую проводимость, чтобы применять их в качестве электрических проводников.
• Электрическая проводимость «электрической» марки алюминия 1350 составляет около 62 % от международного стандарта IACS – электрической проводимости отожженной меди.
• Однако удельный вес алюминия составляет только треть от удельного веса меди. Это означает, что он проводит в два раза больше электричества, чем медь того же веса. Это физическое свойство обеспечивает алюминию широкое применение в высоковольтных линиях электропередачи (ЛЭП), трансформаторах, электрических шинах и цоколях электрических лампочек.

Рисунок 14 – Электрические свойства алюминия [3]

Магнитные свойства

Алюминий обладает свойством не намагничиваться в электромагнитных полях. Это делает его полезным при защите оборудования от воздействия электромагнитных полей. Другим применением этого свойства является компьютерные диски и параболические антенны.

Рисунок 15 – Намагничиваемость алюминиевого сплава AlCu [3]

Токсические свойства

Это свойство алюминия – отсутствие токсичности – было обнаружено еще в начале его промышленного освоения. Именно это свойство алюминия дало возможность его применения для изготовления кухонной посуды и приборов без какого-либо вредного воздействия для тела человека. Алюминий со своей гладкой поверхностью легко поддается чистке, что важно для обеспечения высокой гигиены при приготовлении пищи. Алюминиевая фольга и контейнеры широко и безопасно применяются при упаковке с прямым контактом с продуктами.

Звукоизоляционные свойства

Это свойство алюминия дает ему применение при выполнении звукоизоляции потолков.

Способность поглощать энергию удара

Алюминий имеет модуль упругости в три раза меньший, чем у стали. Это физическое свойство дает большое преимущество для изготовления автомобильных бамперов и других средств безопасности автомобилей.

Рисунок 16 – Автомобильные алюминиевые профили для поглощения энергии удара при аварии

Пожаробезопасные свойства

Алюминиевые детали не образует искр при ударе друг о друга, а также другие цветные металлы. Это физическое свойство находит применение при повышенных мерах пожарной безопасности конструкций, например, на морских нефтяных вышках.

Вместе с тем, с повышением температуры выше 100 градусов Цельсия прочность алюминиевых сплавов значительно снижается (рисунок 17).

Рисунок 17 – Прочность при растяжении алюминиевого сплава 2014-Т6 при различных температурах испытания [3]

Преимущества и недостатки алюминиевой проводки

Повальное применение алюминиевой проводки практиковалось в зданиях старой постройки. Основный критерий в те времена был – лёгкая доступность и низкая себестоимость металла. Вероятности недостатка сечения кабеля в те времена не рассматривались из-за отсутствие электрической бытовой техники в квартирах среднестатистических граждан.

Разновидности СИП-кабеля для подключения коттеджа Источник yandex.net

Положительные факторы

Небольшая масса алюминиевого провода делает его популярным при монтаже высоковольтных линий электропередач. Это условие уже озвучивалось ранее, поэтому рассмотрим ещё ряд иных аспектов:

• Сравнительно низкая цена металла и изделий из него. Этот фактор играет роль при прокладывании длинных линий. Например, для полной электрификации загородного дома может понадобиться более 1 000 м. провода.
• Стойкость к химическим окислениям. Это условие актуально с учетом того, что жилы скрыты пластмассовой изоляцией.
• Стойкость участков, не имеющих изоляции. Как упоминалось ранее, на поверхности алюминия образуется защитная плёнка, которая не допускает возникновения окислительных процессов.

Высковольтная линия с напряжением 35кВ Источник cdn.pixabay.com

Медь и алюминий

Необходимость замены участка электропроводки может возникнуть при разных обстоятельствах (при повреждении, прокладке дополнительной ветви, иных причинах). В этой ситуации соединяется «медь с медью» или «медь с алюминием». Контакты из разных металлов требуют особого внимания, а причина кроется в следующем:

• Отличаются разным удельным сопротивлением. Даже прочно закрученный контакт со временем ослабнет из-за склонности алюминия к тепловому расширению.
• Медь также имеет оксидную защитную плёнку. Однако от алюминиевой она отличается разным сопротивлением, в результате чего это отражается в повышении температуры контакта.

Безопасный контакт меди и алюминия Источник мособлжилсервис.рф

Важно! Находящиеся под нагрузкой соединения способны стать источником появления искр, что негативно сказывается на пропускной способности жилы и может стать причиной возникновения пожара.

Способы соединения алюминиевого и медного провода Источник uk-parkovaya.ru
Соединение медного и алюминиевого провода допустимо. Однако для этого необходимо придерживаться следующих способов:

• Предварительно залудить медь паяльником и припоем.
• Обработать контакт специальной антиокислительной смазкой.
• Использовать специальные металлические приспособления (переходники): «Орешек»; Выполнено из 3 параллельных пластин, в которым между крайними закладывается токоносящая жила; Клеммные самозажимные или винтовые колодки; Опрессовка; Болтовое соединение; Пружинные клеммы.

Соединение СИП и алюминиевого кабеля Источник www.volt-m.ru

Свойства и характеристики

Свойствами металла служат его высокие показатели тепло- и электропроводности, невосприимчивость к коррозии, высокая пластичность и устойчивость к низким температурам. При этом главное его свойство – это небольшая плотность (около 2,7 г/см3.).

Механические, технологические, а также физико-химические свойства этого металла имеют непосредственную зависимость от входящих в его состав примесей. К естественным его компонентам относится кремний и железо.

Давайте узнаем далее, какая температура плавления алюминия и его сплавов

Основные параметры

• Плотность алюминия составляет 2,7*103 кг/м3;
• Удельный вес — 2,7 г/cм3;
• Температура плавления алюминия 659°C;
• Температура кипения 2000°C;
• Коэффициент линейного расширения составляет — 22,9 *106(1/град).

Теперь рассмотрению подлежат теплопроводность и электропроводность алюминия.

Данное видео сравнивает температуры плавления алюминия и других наиболее часто используемых металлов:

Электропроводность

Важным показателем алюминия является его электропроводность, которая уступает по величине лишь золоту, серебру и меди. Высокий коэффициент электропроводности в сочетании с небольшой плотностью обеспечивает материалу высокую конкурентоспособность в кабельно-проводниковой области.

Помимо основных примесей на этот показатель также влияет титан, марганец и хром. Если алюминий предназначен для производства проводников тока, то суммарное количество примесей не должно превышать 0,01%.

• Показатель электропроводности может варьироваться, в зависимости от состояния, в котором находится алюминий. Процесс длительного отжига увеличивает этот показатель, а нагартовка, напротив, уменьшает его.
• Удельное сопротивление при температуре 200С в зависимости от марки металла находится в пределах 0,0277-0,029 мкОм*м.

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности металла составляет около 0,50 кал/см*с*С и увеличивается со степенью его чистоты.

Это значение меньше, чем у меди и серебра, но больше, чем у остальных металлов. Благодаря ему, алюминий активно используется в производстве теплообменников и радиаторов.

Коррозионная стойкость

Сам металл является химически активным веществом, благодаря чему его используют в алюмотермии. При контакте с воздухом на нем образуется тончайшая пленка из окиси алюминия, которая имеет химическую инертность и высокую прочность. Ее главное назначение – это защищать металл от последующего процесса окисления, а также от воздействия коррозии.

• Если алюминий обладает высокой чистотой, то эта пленка не имеет пор, полностью покрывает его поверхность и обеспечивает надежным сцеплением. В результате металл устойчив не только к воде и воздуху, но и к щелочам и неорганическим кислотам.
• В тех местах, где находятся примеси, защитный слой пленки может быть поврежденным. Такие места становятся уязвимыми для коррозии. Поэтому на поверхности может наблюдаться коррозия точечного типа. Если марка содержит 99,7% алюминия и менее 0,25% железа, скорость коррозии составляет 1.1, при содержании алюминия на 99,0% этот показатель увеличивается до 31.
• Содержащееся железо также уменьшает устойчивость металла к щелочам, но не меняет устойчивость к серной и азотной кислотам.

Взаимодействие с разными веществами

Когда алюминий обладает температурой 1000С, он способен взаимодействовать с хлором. Независимо от степени нагрева, алюминий растворяет водород, но при этом не ступает в реакцию с ним. Именно потому он является главным составляющим элементом газов, которые присутствуют в металле.

В целом алюминий устойчив в следующих средах:

• Пресная и морская вода;
• Соли магния, натрия и аммония;
• Серная кислота;
• Слабые растворы из хрома и фосфора;
• Раствор аммиака;
• Уксусная, яблочная и прочие кислоты.

Алюминий не устойчив:

• Раствор из серной кислоты;
• Соляная кислота;
• Едкие щелочи и их раствор;
• Щавелевая кислота.

Про токсичность и экологичность алюминия читайте ниже.

Электропроводность меди и алюминия, а также иные сравнения двух металлов представлены в таблице ниже.

Сравнение характеристик алюминия и меди

Токсичность

Хотя алюминий весьма распространен, но он не используется в метаболизме, ни у одного живого существа. Он обладает незначительным токсическим действием, но многие его неорганические соединения, которые растворяются в воде, способны длительное время пребывать в таком состоянии и негативно сказываться на живых организмах. Наиболее ядовитыми веществами выступают ацетаты, хлориды и нитраты.

Согласно нормативам, в воде хозяйственно-питьевого назначения может содержаться 0,2-0,5 мг на 1 л.

Еще больше полезной информации о свойствах алюминия содержит данное видео: