1.铝的性质
铝及其合金已经广泛地应用在工业、农业、交通运输业、航天航空、机器制造、文体用具、医疗器械以及人们生活的各个方面和领域。工业上广泛使用的纯铝具有以下特点：
1）熔点低。金属的熔点与纯度有关，99.996%的铝熔点为660.37℃，99.97%的铝熔点为659.8℃。金属铝熔炼、铸造和加工都比较容易。
2）密度小。金属的密度与温度和纯度有关。室温下纯度为99.996%铝，其密度为2698.9kg/m3；而纯度为99.75%的铝，其密度为2703kg/m3，约为钢铁的密度为35%，可制造轻结构，有“会飞的金属”之称。
3）可强化。纯铝强度不高，冷加工硬化能使其强度提高一倍以上。与此同时，塑性变低。但是，对于纯铝可通过添加各种元素合金化（变成铝合金），使其强度提高，而塑性下降不太大。有的铝合金还可通过热处理进一步强化，其比强度与与优质合金钢相媲美。
4）塑性好，易加工。铝可轧成薄板和箔，拉成管材和细丝，挤成各种型材，锻造成各种零件，可进行高速车削、铣削、镗削、刨削等机械加工，无低温脆性。
5）耐腐蚀。铝表面上极易生成致密而牢固的氧化铝（Al2O3）薄膜，而且此膜被破坏后又会立即生成，继续保护铝的基体不被腐蚀。因此，铝可在大气、普通水、多数酸和有机物中直接使用。
6）导热、导电性好。铝的导热、导电性仅次于金、银和铜。室温下电工铝的等体积电导率可达到62%IACS，若按单位质量导电能力计算，其导电能力为铜的两倍。
另外，铝还具有无磁性、反射性强、有吸声性、耐核辐射和美观等特性。
铝是元素周期表中第三周期ⅢA族元素，原子序数为13，相对原子质量26.98154，外层电子构型为3s23p1，原子半径为0.143nm，离子半径为0.086nm。
金属铝为银白色，铝的基本物理性质如下：
元素的化合价为3；相对原子质量为26.98；原子半径为0.143nm；晶格类型为面心立方晶格，无同素异晶转变；密度（99.97%的Al），固态（20℃）时为2.6996（g/cm3），液态（700℃）时为2.371（g/cm3），液态（1000℃）时为2.289（g/cm3）；熔点为660.24℃（含99.996%的Al）；沸点为2467℃；熔化潜热为388.1J/g；比热容为0.95kJ/（g·K）（常温、固态）；线胀系数为23.6×10-6（0～100℃）K-1；导热率为217.7W/（m·K）（0～100℃）线收缩率为1.7%～1.8%；液态→固态的体收缩率为6.6%；弹性模量为67.6～69.6GPa；抗拉强度为88.2～117.6MPa；屈服强度为19.6～88.2MPa；断后伸长率为11%～15%；冲击韧度值为9.8～19.6J/cm2；硬度为235.2～313.6HBW；电导率（99.6%的Al20℃时）为62%IACS；电阻率（99.99%的Al20℃时）为26.7nΩ·m；电阻温度系数为0.1（nΩ·m/K）。
铝的质量轻和耐腐蚀是其性能的两大突出特点。纯铝的密度约为2.7g/cm3，仅为钢铁、铜密度的1/3左右。无论是固体铝或熔融铝，其密度均随着纯度的提高而降低；同等纯度的熔融铝的密度，则随温度的提高而降低。
铝对自然界的水（含海水）、大气中的各种元素，以及油料与各种化学物品，都有良好的耐蚀性。这是由于铝的化学性质极其活泼，其最特殊的性能是具有同氧（特别是空气中的氧）强烈结合的倾向，铝在空气中被其表面生成的一层厚度约为2×10-4 mm的致密氧化膜所覆盖。它阻止了铝的继续氧化，从而使铝具有良好的耐蚀性。
铝氧化的程度，取决于温度、铝的粉碎程度及存在于其中的其他金属杂质。当温度高于铝的熔点时，其氧化速度最快。而粉碎得很细的铝粉，在空气中加热即可剧烈燃烧。铝中若存在镁、钙、钠、铜、硅时，可增加氧化程度。铝中有杂质存在的区域，氧化膜与铝的连接力大为减弱。
铝在工业用酸中的溶解度和气体在铝中的溶解度，因介质的不同而不同。工业铝易溶于盐酸，随着纯度的提高其溶解度则急剧下降。硫酸对铝溶解的作用缓慢，各种浓度的冷硝酸均不能溶解铝。若将硝酸加热，则可加速溶解。铝在乙酸等有机酸中的基本呈稳定状态。气体在铝中的溶解度随温度的升高而增加。氢、氮、一氧化碳等气体均能溶解于铝液中，其中部分气体溶解后与铝形成化合物。
铝在抛光以后，对可见光、辐射热和电磁波都有良好的反射率，可用来制作高质量的反射镜、热源反射器等，也常用作房顶，可反射大部分太阳热能。
2.铝的用途
由于铝有许多优异的性能，因此其用途十分广泛。除了直接应用纯铝之外，通常都是将纯铝配制成各种合金的使用。铝的用途用以下几个方面。
（1）建筑铝材 当今建筑业是铝的第二大消费行业，许多国家建筑铝材用量已超过了20%。日本、西班牙、意大利等国，由于木材溃乏，铝在建筑业中应用所占的比例更大。
我国在20世纪80年代开始生产铝合金建筑挤压型材并应用于建筑中。2003年，我国建筑工业用铝达到2200kt，其中轧制材为195kt、挤压材为1386kt、棒线材为71kt、铸件为288kt、其他铝材为261kt。
铝在建筑业中，主要用于公共设施、工业设施、农业设施和建筑物的构架、屋面、墙面的围护结构、骨架、门窗、吊顶、饰面、地板、遮阳构件以及装饰等方面；储存谷类的粮仓，储存酸、碱和各种液态、气态燃料的储存罐，蓄水池的内壁及输送管材，公路、人行通道和铁路桥梁的跨式结构、护拦及通行大型船舶的江河上的开合式桥梁；都市中的立交桥及闹市区横跨街道的天桥；建筑施工与修理用的脚手架、踏板、升降梯及水泥预制件的模板等。
铝及铝合金在建筑业上的应用已有100余年的历史了。早在1896年，加拿大蒙特利尔市的人寿保险大厦便装上了铝制飞檐。1987年和1903年，罗马的两座文化设施分别采用了铝制屋顶。1933年，在美国匹兹堡，第一次将铝合金应用在市内桥梁的通道上。1951年，英国伦敦建成的展览馆，其馆盖是直径为109m的圆形铝屋顶。
（2）石油化工设备方面 铝材制造的石油化工设备有卧式、立式、方形、矩形和球形等容器、塔器、热交换器及各种管道等。
铝对一些化工产品有很强的耐腐蚀性。铝及其合金在-196～0℃的低温下，其韧性不下降，而强度与塑性还会随着温度的下降有所提高，因此适合于制作液化气体容器、易爆物质容器；铝对辐射热的反射率高达95%以上，更适合于制作易挥发性物质的容器。
由于铝制设备的耐蚀性能好，不易污染产品，所以可以制造某些对铁离子污染敏感的高纯度产品设备。
铝的耐磨性能不高，因此不宜制造流体，特别是含有固态粒子的流体高速运行的设备。(www.zuozong.com)
要避免在液体介质中，同时使用铝和钢（或其他金属），以免引起电化学腐蚀。铝零件（或构件）在与其他金属零件或构件接触时，应在其表面涂以氯乙烯或酚醛清漆，以防接触类腐蚀。
铝制设备与管道，其保温材料应选择中性的。
在20世纪60年代，美国还将铝合金（2014）管应用在石油与天然气的钻探工程中。铝管代替钢管可以大幅度提高钻机的启钻提升能力达50%～100%，节约内燃机燃料消耗15%～20%，且每台设备运送的总长度可增加60%。铝钻杆的应用，大幅度提高了钻井深度，这对于钻探深井和超深井很有意义。不仅如此，铝钻杆在工作过程中不会因碰撞引起火花，从而保障了油气开发的安全。
（3）交通运输方面 铝及铝合金在交通运输业上的应用也是有百余年的历史了。1891年，瑞士人建造了一艘可乘坐8个人的铝艇；1897年，美国科拉克公司使用铝合金制作了汽车的油箱；1903年，莱特兄弟发明的第一架飞机，其上就使用了13.6kg的铝材。从此，航空事业的飞速发展，便打开了人类交通的新纪元。
2003年，全球铝（原铝与再生铝之和）的消费约为40000kt。其中，原铝消费约为28000kt。交通运输业也是用铝最多的行业之一，约占铝消费量的31.5%。
不论是轨道车辆，还是飞机、汽车，铝及铝合金的应用对于提高其速度、降低能耗都是非常有意义的。第一辆铁路车辆于1829年在英国问世，当时因为铝的产量极少，其价格比金子还贵，铁路车辆只能用钢材制造。然而，随着铝业技术的发展和技术的提高，铝材在交通运输工具中的应用比例也越来越大。不仅制作一些车内零件，甚至于连车体、底板、控制构件等都使用铝合金制造。我国制成了双浴盆式铝合金运煤敞车，还将铝合金大量地应用在“新时速”列车的制造中和磁悬浮高速列车上。铝合金应用技术最为成熟的当数德国和日本国。
作为现代社会，人类赖以生存和发展的四大交通运输工具之一的汽车，对铝合金的应用前景更是广阔无比。19世纪末，铝合金在汽车制造业中，首先用来制作汽车上的油箱、轮毂、发动机传动装置及壳体等零部件。
目前，美国轿车制造每使用0.454kg的铝合金零部件，汽车自身的质量可下降1.021kg。美国汽车工业的用铝量，已占铝全部消耗量的11%左右。1984年，小汽车用铝量平均为62.14kg；1990年，增加为90.72kg；2003年，则增加到了115kg。现在，已有全铝桥车车身构架。
此外，防冲挡铝构件、全铝散热器都在普及与推广。如将铝材应用在船舶上，其发展前景十分看好。船舶自身的轻量不仅减轻了船体的质量，增加了航行速度、续航能力和运载能力，还可使船的结构合理化，改善船体稳定性与排水量及船宽的关系。由于铝的耐蚀性好，与钢相比，铝制的船体不用涂漆，因而使保养和维修费用大为减少。
（4）航空、航天方面 由于铝的密度小，所以人们将其应用于飞机制造。铝也因此获得了“会飞的金属”的殊荣。1903年，莱特兄弟发明的飞机只用了13.6kg铝材。从那时之后的30多年里，飞机主要还是用木材、钢管和帆布来制作。以后随着飞机设计的进步和铝工业的快速发展，尤其是维尔姆在1906年发现Al-Cu-Mg合金的时效强化现象之后，铝合金以其密度小、强度大才逐步成为一种主要的航空用材；当时，铝合金的强度约为400MPa。到了1930年，美国铝业公司研究成了24S高强度铝合金。1936年，日本人五十岚制成了Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝ESD合金。1942年，美国制成同等成分的75S合金。1945年，苏联制成了B95合金。超硬铝的强度达到了500MPa。
铝材在飞机上的应用如图1-1-1所示。铝材在航天和火箭方面主要用于制造燃料箱、助燃剂箱。除此之外，火箭和航天器的许多零部件都是用铝来制造的，如整流罩、卫星安放支架、旋转台支架、低温氦气箱、液氧槽（管）、液氢槽（管）、常温氧气箱、箭体外壳、航天器内各构件、操作控制系统零部件等。
（5）兵器工业方面 铝材在兵器工业领域应用得最多的是装甲车、坦克及高速鱼雷艇。特别是防弹性能好的铝合金，其应用前景更为广阔。
此外，铝材在各种战舰、战机、运输机、舰艇的上部建筑、内装设施及军用浮桥和临时性飞机跑道等各个方面也都获得了广泛的应用。
（6）电工铝材 铝因为具有良好的导电性能（在纯金属中仅次于银、金及铜），在电工器材方面广泛地用作导体。
铝主要以线材、管材、箔材等形式而应用于电力、电信工业之中，也有用板材制造各种电器外壳与罩体等。铝合金多以各种形状结构的型材用于大功率电器元件的散热器。铝材用于导体是从1876年开始的。当时，英国在博尔顿架设了世界上第一条铝制输电导线。1910年，美国铝业公司发明了钢芯铝铰线，并架设于尼亚加拉大瀑布的上空。从此，架空高压输电线逐步为钢芯铝铰线所代替。
图1-1-1 铝材在飞机上的应用示意图
1—驾驶仓骨架 2—桁条 3—机身蒙皮 4—机身连接件 5—翼肋 6—体内桁架 7—升降舵 8—垂直翼构件 9—机尾骨架 10—地板梁构件 11—减速风板 12—襟翼紧固件 13—发动机悬挂架 14—翼内油骨架 15—发动机外壳 16—起落架构件 17—机身机翼连接件 18—大梁 19—坐椅构件
现在，全世界生产的铝大约有14%用作电工材料。其中，电力导体几乎全为铝材。
此外，在通信设施中，各种天线和波导管均用铝型材制成，还有铝质电子零件应用在家用电器、音响设备、录像录音设备、照明与照像器材、光学仪器、通信器材、自动控制仪表以及电饭煲、冷藏车、冷库（柜）、冰箱、空调、洗衣机等各个方面。
（7）包装铝材 第二次世界大战之后，铝材从军用逐步全面地转向民用。其中，包装用铝材也是一个主要领域。目前，包装行业用铝量约为全部铝消费量的25%左右。铝材主要以薄板与箔材形式用于包装行业。早在1902年，铝箔就开始用于香烟的包装。1931年开始用铝板材生产牛奶瓶盖。到20世纪60年代之后，铝材在包装行业中的应用剧增，主要是应用于饮料与食品的包装。
现在，铝在容器包装业中，其主要应用形式有刚性全铝的罐、盒、瓶、壶、桶、锅等；半刚性容器有盒、杯、罐、浅盘、碟等有柔性的包装；家用箔、食品包装箔；各类瓶件的密封片、盖；复合材料容器；软管（牙膏及药类包装）及其他制品的包装等。
（8）文体用品 由于体育器材向着质量轻、强度高及耐用性强的方向发展，因此铝材受到了重视。在其设计制造时，将比强度（强度/密度）与比刚度（弹性模量/密度）列为研发的主要课题，同时还要考虑抗冲击性能。
用铝材可以制造棒球类的硬、软棒球棒、球盒、投球位；网球和羽毛球类的拍框、拍把手铆钉、拍接头等；滑雪板的受力部件、板边、后护板、斜护板、底护板等；滑雪仗及扣环；弓箭的弓身和箭杆；田径类的撑竿、支柱、横杆、栏架、标枪、接力棒及起跑器等。
除上述之外，铝材在农用机械、食品加工机械、工具与容器、温室粮仓，以及在核工业的一些设施建设上也都有应用。
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