1.2 Lịch sử Vào thế kỷ XVI , nhà vạn vật học người Đức tên là Philippus Aureolus Theo phratus Bombastus Von Hohenheim biệt danh Paraxen đã nghiên cứu các chất và khoáng vật của các loại
Tổng quát về Aluminium
Sự xuất hiện và lịch sử của Nhôm ( Al )
Nhôm là kim loại phổ biến thứ ba trong vỏ Trái Đất, chiếm khoảng 8% khối lượng chất rắn Nó xuất hiện chủ yếu trong các loại đá lửa dưới dạng hợp chất, và nhôm tinh khiết không tồn tại trong tự nhiên Thay vào đó, nhôm được tìm thấy dưới dạng các hợp chất như đất sét (Al2O3.2SiO2.2H2O), mica (K2O.Al2O3.6SiO2.2H2O), bauxite (Al2O3.nH2O) và criolit (3NaF.AlF3).
Hình 1.1.1: Đất sét Hình 1.1.2: Mica
Vào thế kỷ XVI, nhà vạn vật học người Đức Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus Von Hohenheim, còn được gọi là Paracelsus, đã nghiên cứu các chất và khoáng vật của các loại phèn Ông xác định rằng đây là muối của một loại đất phèn nào đó.
’’ mà hợp chất của chúng chứa một oxit kim loại mà chưa ai biết , loại oxit kim loại này về sau được gọi là đất phèn
Vào năm 1754, nhà hóa học người Đức Andreas Sigismund Marggaf đã thành công trong việc tách đất chứa phèn Sau đó, sau vài chục năm, nhà bác học người Anh Humphry Davy đã phát triển phương pháp tách kim loại có trong phèn.
Vào năm 1807, nhà bác học người Anh Humphry Davy đã tiến hành thí nghiệm điện phân các chất kiềm và phát hiện ra hai kim loại quan trọng là Natri và Nhôm Tuy nhiên, ông không thành công trong việc phân giải đất phèn bằng dòng điện.
Năm 1825, nhà bác học Đan Mạch Hans Christian Oersted đã thành công trong việc điều chế kim loại nhôm qua nhiều thí nghiệm, tương tự như kỹ thuật thời La Mã Mặc dù ông đã công bố kết quả trên một tạp chí khoa học, nhưng do tạp chí không nổi tiếng, phát hiện của ông đã bị giới khoa học lãng quên.
Năm 1827, nhà hóa học người Đức Friederich Wohler đã phát triển một phương pháp mới để chế tạo kim loại, tuy nhiên, phương pháp này không thể thu được nhôm nguyên chất.
Vào năm 1855, tại triển lãm quốc tế ở Paris, đã có sự xuất hiện của "bạc lấy từ đất sét", bao gồm các tấm và thỏi nhôm được chế tạo bởi nhà bác học người Pháp Henri Etienne Sainte Claire Deville.
Vào năm 1886, Charles Martin Hall, một nhà bác học người Mỹ, cùng với Paul Louis Toussaint Heroult, nhà bác học người Pháp, đã đạt được thành công lớn trong việc chiết xuất nhôm nguyên chất thông qua phương pháp điện phân Đây được coi là một cột mốc quan trọng trong quá trình chế tạo nhôm nguyên chất.
Vào năm 1889, nhà hóa học người Áo Carl Josef Bayer đã phát minh ra phương pháp sản xuất nhôm oxit, một dạng biến thể của nhôm Hiện nay, khoảng 90% nhôm oxit trên toàn cầu được sản xuất theo quy trình do Bayer phát triển.
2.Tính chất chung của Aluminium (Al)
Nhôm (Al) là một kim loại nhẹ, phổ biến và linh hoạt, chiếm khoảng 8% trong vỏ trái đất Trong tự nhiên, nhôm thường tồn tại dưới dạng các hợp chất như đất sét, boxit và criolit Với nhiều tính chất vượt trội, nhôm được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau Trong bảng tuần hoàn hóa học, nhôm đứng ở vị trí số 13, chu kỳ 3 và thuộc nhóm IIIA.
Nhôm có khối lượng riêng chỉ khoảng 2.7 g/cm³, nhẹ hơn khoảng 3 lần so với thép, khiến nó trở thành một trong những kim loại nhẹ nhất Đặc tính này làm cho nhôm trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần tính nhẹ, đặc biệt trong ngành hàng không và ô tô.
Hình 1.2: Phương pháp của Bayer
Nhôm có tính dẻo dai cao, cho phép biến dạng và định hình dễ dàng mà không bị phá vỡ, điều này giúp quá trình gia công trở nên thuận tiện Chính vì vậy, nhôm trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp.
Nhôm là một trong những kim loại có độ dẫn điện tốt, chỉ sau bạc, đồng và vàng Điều này nhờ vào sự di chuyển dễ dàng của các electron tự do trong cấu trúc kim loại của nó, giúp tạo ra khả năng truyền dẫn điện hiệu quả Chính vì vậy, nhôm rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu truyền tải năng lượng điện, đặc biệt là trong các mạch điện tử.
Nhôm có khả năng phản xạ ánh sáng rất cao, cho phép một phần lớn ánh sáng được phản xạ trở lại khi đập vào bề mặt của nó Hiệu ứng này tạo ra tính chất giống như gương, khiến nhôm trở thành vật liệu lý tưởng trong sản xuất gương, gương soi và các bề mặt phản xạ ánh sáng khác.
Nhôm là một chất dẫn nhiệt xuất sắc với hệ số dẫn nhiệt lên đến 237 W/mK, cho phép nhiệt độ truyền qua nhanh chóng Điều này khiến nhôm trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu truyền nhiệt hiệu quả, như bộ tản nhiệt trong máy tính và nồi nấu ăn Khả năng dẫn nhiệt tốt của nhôm xuất phát từ cấu trúc tinh thể đặc biệt, tính chất kim loại dẫn điện và khả năng phản xạ của nó.
Ứng Dụng của Nhôm(Al)
3.1 Ứng dụng trong công nghiệp
Trong ngành công nghiệp, nhôm ngày càng trở thành nguyên liệu thiết yếu tại các nhà máy và xưởng sản xuất Những thiết bị như máy cắt, máy vận hành và máy khoan được chế tạo từ nhôm nhờ vào tính năng nổi bật là độ bền cao và khả năng chống hoen rỉ, giúp nâng cao hiệu suất sản xuất.
Nhôm là vật liệu phổ biến trong nhiều sản phẩm, bao gồm cửa đi, cửa sổ, khung xe máy và ô tô Ngoài ra, nhôm còn được sử dụng trong các thanh tản nhiệt của CPU máy tính, vỏ máy tính và thùng xe tải, nhờ vào tính năng nhẹ và bền của nó.
Nhôm là vật liệu quan trọng trong ngành hàng không, được sử dụng để sản xuất cánh và thân máy bay Việc sử dụng nhôm giúp giảm trọng lượng tối đa của máy bay trong quá trình cất hạ cánh và bay, nhờ vào khối lượng riêng nhẹ và độ bền cao theo thời gian.
3.2 Ứng dụng nhôm trong y học
-Dùng làm các vật liệu sinh học
-Các bộ phận giả trên cơ thể như các khớp nối của chân, tay giả
Nhôm oxit không chỉ được sử dụng trong mỹ phẩm như phấn và son môi mà còn giúp che khuyết điểm hiệu quả Các hãng mỹ phẩm ưa chuộng nhôm vì tính năng làm bóng và làm mịn da của nó.
3.3 Ứng dụng nhôm vào ngành chiếu sáng
- Làm đèn chiếu sáng LED
Với mức giá hợp lý so với các loại đèn điện làm từ hợp kim hoặc đồng, đèn nhôm mang lại khả năng chịu nhiệt tốt, giúp khách hàng sở hữu sản phẩm bền bỉ và ổn định theo thời gian.
3.4 Ứng dụng nhôm trong cuộc sống hằng ngày
Nhôm được ưa chuộng trong các gia đình nhờ tính thẩm mỹ cao và khả năng bền bỉ chống hoen rỉ theo thời gian Sau khi chế tác, nhôm được sử dụng để tạo ra nhiều vật dụng thiết yếu trong đời sống hàng ngày.
+ Móc quần áo bằng nhôm
Video kham khảo : https://www.youtube.com/watch?v%BnOmWwgKg https://www.youtube.com/watch?v=k3hChcKaxIQ
Nhôm, với đặc tính nhẹ và bền, là vật liệu lý tưởng trong ngành chế tạo máy bay, giúp giảm trọng lượng và tăng hiệu suất bay Sử dụng nhôm không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn cải thiện khả năng chịu lực và độ bền của cấu trúc máy bay Ngoài ra, khả năng chống ăn mòn của nhôm cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kéo dài tuổi thọ của máy bay Việc ứng dụng nhôm trong thiết kế máy bay đã trở thành xu hướng nổi bật, khẳng định vai trò quan trọng của kim loại này trong ngành hàng không.
Khung xe ôtô được làm từ nhôm
Tài liệu tiếng anh: https://www.britannica.com/science/aluminum
Tổng hợp về Aluminium
Xử lý quặng Bauxite
1 Khai thác : Quặng Bauxite được khai thác từ mỏ và được đưa đến nhà máy để biến đổi
2 Tiền xử lý : Quặng Bauxite chứa các tạp chất gồm đất sét , silic , đất đá và sắt Vì thế quặng Bauxite cần phải xử lý trước khi đưa vào sản xuất Các công đoạn của tiền xử lý gồm : Ghiền nát , rửa và tách các tạp chất ( đất đá , đất sét ).
3 Loại bỏ tạp chất : Sau khi trải qua giai đoạn tiền xử lý , quặng Bauxite sẽ được xử lý để loại bỏ nhưng tạp chất gồm : Sắt và silic Công nghệ phổ biến để loại bỏ sắt là quá trình Bayer
Quá trình Bayer
Dùng kiềm để triết alumina ( nhôm oxit ) từ boxit ở nhiệt độ và áp xuất cao
Quặng được nghiền nát và trộn với xút (Natri hydroxide) để tạo thành một loại bùn Bùn này sau đó được bơm vào bể phân hủy, nơi nó được làm nóng đến 270°C dưới áp suất 340 kPa trong khoảng 30 phút đến vài giờ.
Bùn được bơm vào bể lắng, nơi bùn đỏ và các tạp chất không tan trong xút sẽ lắng xuống đáy bể, bao gồm cát mịn, oxit sắt và oxit của các nguyên tố vi lượng Chất lỏng còn lại sau quá trình này sẽ được lọc để loại bỏ các tạp chất còn sót lại.
Bước 3 – Kết tủa: Các bể kết tủa cao sẽ được thiết lập để bơm chất lỏng đã lọc qua Hạt tinh thể Alumina hydrat sẽ được thêm vào đỉnh mỗi bể, giúp lắng đọng chất lỏng và alumin hòa tan.
Bước 4 – Nung: Sau khi lắng xuống đáy bể, các tinh thể kết tủa được loại bỏ và chuyển vào lò nung hình trụ quay Nhiệt độ đạt 2.000 °F (1.100 °C) giúp loại bỏ các phân tử nước, để lại các tinh thể alumin khan Cuối cùng, các tinh thể sau khi ra khỏi lò nung sẽ được làm lạnh qua một tủ lạnh.
Quá trình điện phân nóng chảy Al
Nguyên liệu chính để sản xuất nhôm là nhôm oxit (Al2O3), được điện phân nóng chảy cùng với chất xúc tác criolit (Na3AlF6) Quá trình này bao gồm nhiều bước, bắt đầu từ việc chuẩn bị nguyên liệu.
- Nhôm oxit ( Al2O3) : Nguyên liệu chính để điều chế kim loại Al
- Chất xúc tác criolit (Na3AlF6) : Chất này được dùng để trợ giúp quá trình điện phân và làm giảm nhiệt độ nung chảy của hỗn hợp
Bước 2 : Làm chảy hỗn hợp
Nhôm oxit và criolit được trộn lẫn theo tỷ lệ nhất định để tạo thành một hỗn hợp đồng nhất Hỗn hợp này sau đó được đưa vào lò điện phân để tiến hành quá trình sản xuất nhôm.
Bước 3 : Điện phân hỗn hợp
- Hỗn hợp trên được đặt vào một ổ điện phân có cathode ( cực âm ) và anode ( cực dương )
Dòng điện được dẫn vào lò điện phân, tạo ra hiệu ứng điện phân cho hỗn hợp hai cất Quá trình này sản sinh ra ion Al3+ từ nhôm oxit.
Bước 4 : Phản ứng điện phân
- Khi xảy ra quá trình điện phân , các ion Al3+ trong nhôm oxit bị khử tạo thành những nguyên tử nhôm
-Những nguyên tử nhôm sẽ được đưa đến cathode ( cực âm ) sang anode ( cực dương ) và được thu nhập ở anode
Bước 5 : Thu nhập kim loại Al
- Sau khi kim loại nhôm đã được thu nhập ở anode thì sẽ được tách ra để sử dụng trong những ứng dụng của các ngành công nghiệp
Hình 2.3.1 : Sơ đồ bể điện phân nhôm oxit nóng chảy
Tinh chế Al
Sau khi điện phân, kim loại nhôm thu được cần được tinh chế để loại bỏ tạp chất như sắt, silic và các chất khác Tinh chế nhôm thường sử dụng phương pháp Hall-Héroult, giúp đạt được độ tinh khiết cao Quá trình tinh chế nhôm bao gồm bốn bước chính.
Bước 1 – Nấu chảy alumin: Các tinh thể alumin được hòa tan trong criolit nóng chảy ở nhiệt độ 1.760 – 1.780 °F (960-970 °C) tạo thành dung dịch điện phân.
Dòng điện một chiều với cường độ từ 4 – 6 V và 100.000-230.000 ampe được dẫn qua dung dịch, làm phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử nhôm và oxy trong phân tử alumin Quá trình này tạo ra cacbon đioxit khi các nguyên tử nhôm được hút vào các thanh cacbon.
Bước 3 – Tích tụ nhôm nguyên chất: Các nguyên tử nhôm được thả xuống lắng dưới đáy nồi ở dạng kim loại nóng chảy.
Bước 4 trong quy trình sản xuất nhôm là đổ nhôm vào khuôn Kim loại được nung nóng và sau đó được đổ vào khuôn, nơi mà nó được làm mát bằng nước, giúp nhôm đông đặc lại Sau một khoảng thời gian thích hợp, trục rắn sẽ nhô ra từ đầu xa của khuôn và được cưa để tạo ra các thỏi nhôm hoàn chỉnh.
Hình 2.4.1 : Sơ đồ buồng điện phân công nghiệp Hall-Heroult
Tổng hợp Aluminium bằng phương pháp Carbothermal Reduction ( khử nhiệt )12 CHƯƠNG 3 : Cấu trúc tinh thể aluminium
Quy trình điều chế nhôm trong phòng thí nghiệm là một phương pháp đơn giản hơn so với quy trình công nghiệp, phù hợp cho các phòng thí nghiệm nhỏ Thông thường, nhôm được điều chế từ nhôm oxit (Al2O3) thông qua phản ứng giảm với chất khử như than hoạt tính hoặc bột graphite.
+Trộn đều nhôm oxit và chất khử trong một bát hoặc ống nghiệm.
Quá trình nung chảy nhôm oxit để sản xuất nhôm kim loại diễn ra ở nhiệt độ cao, thường trên 2000 độ C Nhiệt độ này đủ để phá vỡ liên kết oxi trong nhôm oxit, giúp tạo ra nhôm kim loại Để tránh hiện tượng oxi hóa sản phẩm, quá trình này thường được thực hiện trong môi trường không có oxi hoặc có nồng độ oxi thấp.
Quá trình này sẽ tạo ra nhôm và khí CO (carbon monoxide).
Kim loại Al (nhôm) là một trong những vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại, nhờ vào tính nhẹ, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn Việc chế biến nhôm bao gồm nhiều phương pháp như đúc, gia công và hàn, giúp tạo ra các sản phẩm đa dạng phục vụ cho xây dựng, ô tô và điện tử Nhôm cũng có khả năng tái chế cao, góp phần bảo vệ môi trường Hiểu biết về tính chất và ứng dụng của kim loại Al là cần thiết cho các kỹ sư và nhà thiết kế trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và phát triển sản phẩm mới.
YN4iiBkuGETACcx99MbjA https://nhomdinostar.vn/qua-trinh-san-xuat-nhom.html https://nhomdonga.vn/dieu-che-nhom-trong-cong-nghiep
Hình 2.3.1 : Sơ đồ bể điện phân nhôm oxit nóng chảy
(1) (PDF) Carbothermic reduction of alumina: A review of developed processes and novel concepts (researchgate.net)
Hình 2.4.1 : Sơ đồ buồng điện phân công nghiệp Hall-Heroult
CHƯƠNG 3 : Cấu trúc tinh thể aluminium
Cấu trúc tinh thể của aluminum
Nhôm có cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC - face-centered cubic), trong đó mỗi nguyên tử nhôm nằm ở trung tâm của hình lập phương và được bao quanh bởi tám nguyên tử nhôm khác ở các góc Cấu trúc này tạo ra một mạng lưới tinh thể có mật độ cao, với các nguyên tử nhôm được sắp xếp chặt chẽ, mang lại tính chất cơ học và vật lý vượt trội cho kim loại nhôm.
Cấu trúc FCC của nhôm giải thích nhiều đặc tính nổi bật của kim loại này, như tính dẫn điện tốt, khả năng chịu nhiệt cao và độ bền vượt trội Điều này cũng khiến nhôm trở thành một trong những kim loại dễ uốn và dễ gia công nhất trên thị trường.
Hình 3.1: Cấu trúc mạng tinh thể aluminumđược mô tả bằng phần 14
-Theo khảo sát Aluminum có cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) ở vùng không gian
Liên kết kim loại, đặc biệt là liên kết kim loại đa phương, xảy ra khi các nguyên tử kim loại chia sẻ electron dẫn tự do trong cấu trúc của chúng Trong nhôm, mỗi nguyên tử đóng góp electron vào "biển" electron chung, tạo ra mạng lưới electron tự do di chuyển Theo khảo sát, khoảng cách giữa các cạnh của nhôm là a=b=c=4.0389 với các góc α=β=γ=90° Độ dày khít đạt 68% với số phối trí là 8, trong khi mỗi nguyên tử nhôm có thể tích 65.89 ų.
Hình 3.2: Đồ thị nhiễu xạ tia X theo Diamond
Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là công cụ thiết yếu để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu Đồ thị nhiễu xạ của nhôm (Aluminum) cung cấp các đỉnh phản xạ tương ứng với khoảng cách giữa các mặt tinh thể, từ đó cho phép xác định vị trí và tính chất của chúng Qua đó, XRD giúp xác định cấu trúc tinh thể của nhôm, các thông số như khoảng cách giữa các mặt tinh thể, độ tinh khiết của mẫu vật liệu, đánh giá kích thước hạt và nghiên cứu các biến đổi trong cấu trúc.
Nhiễu xạ tia X qua nhôm với bước sóng λ = 0,15406 nm cho thấy các vị trí mạng tinh thể có độ kết tinh cao, đặc trưng ở các góc 2θ = 38,578°, 44,8465° và 65,290° tương ứng với các mặt [111], [002] và [022].
Hình 3.3: Khảo sát bằng phương pháp XRD
TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ALUMINUM
Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ nóng chảy của nhôm vào khoảng 660°C (1,220°F), tại điểm này, các liên kết giữa các nguyên tử nhôm trở nên yếu hơn, cho phép chúng di chuyển tự do, dẫn đến sự chuyển đổi từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng.
Nhiệt độ nóng chảy của nhôm thấp hơn so với nhiều kim loại khác, điều này khiến nhôm trở thành lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng cần độ bền cơ học ở nhiệt độ phòng hoặc ở nhiệt độ cao.
Độ dẫn nhiệt của Aluminum
Độ dẫn nhiệt (Thermal conductivity) là chỉ số đo lường khả năng truyền nhiệt của vật liệu từ vị trí này sang vị trí khác Đặc biệt, độ dẫn nhiệt của nhôm phản ánh khả năng kim loại này trong việc truyền nhiệt giữa các điểm trong cấu trúc của nó.
Độ dẫn nhiệt của nhôm dao động từ 205 đến 235 watts trên mỗi mét-kelvin (W/(m·K)) ở nhiệt độ phòng (25°C hoặc 77°F) Điều này có nghĩa là mỗi mét của vật liệu nhôm có khả năng truyền tải nhiệt từ 205 đến 235 watts khi có sự chênh lệch nhiệt độ 1 độ K (hoặc C) giữa hai điểm.
-Độ dẫn nhiệt của nhôm được giải thích bởi cấu trúc tinh thể và tính chất của nguyên tử nhôm:
Nhôm có cấu trúc tinh thể đơn giản với các nguyên tử được sắp xếp theo lưới lập phương (FCC), giúp cho chúng dễ dàng di chuyển và truyền nhiệt.
Nguyên tử nhôm có khối lượng nhẹ và kích thước nhỏ, giúp chúng di chuyển nhanh chóng trong cấu trúc tinh thể Tính chất này đóng vai trò quan trọng trong khả năng truyền nhiệt nhanh của nhôm.
Nhôm có các electron tự do, không gắn liền với nguyên tử nào trong cấu trúc tinh thể, giúp dẫn điện hiệu quả Những electron này di chuyển tự do trong cấu trúc, chịu trách nhiệm chính trong việc dẫn nhiệt bằng cách truyền năng lượng từ vị trí này sang vị trí khác.
Cấu trúc tinh thể đơn giản, kích thước nhỏ và tính chất dẫn điện của electron tự do là những yếu tố chính giúp giải thích độ dẫn nhiệt cao của nhôm.
Nhôm là một trong những vật liệu dẫn nhiệt tốt nhất, nhờ vào khả năng truyền nhiệt hiệu quả qua cấu trúc của nó Vì vậy, nhôm thường được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cần tản nhiệt hoặc truyền nhiệt hiệu quả, như công nghiệp, điện tử và xây dựng.
Dao động mạng tinh thể
Để có được những tính chất nhiệt của tinh thể, ta phải tìm đến các dao động và
Phonon là hạt giả trong cơ học lượng tử, mô tả chuyển động dao động cơ bản của mạng nguyên tử hoặc phân tử với tần số chung Chúng có thể được coi là sóng rung truyền qua tinh thể, với đồ thị phonon thể hiện mối quan hệ giữa các mode dao động của nguyên tử thông qua các vector sóng trong không gian động lượng Các mode dao động này được chia thành phonon âm học và phonon quang học Trong vật liệu nhôm, phonon âm học có tần số thấp, tương ứng với đường cong hình chữ U, trong khi các mode dao động siêu âm với tần số cao có dạng gần giống như nửa đường tròn Tần số của phonon được miêu tả bằng cách dịch chuyển một ion trong mạng tinh thể, với nhôm có ba nhánh âm: TA, 2TA và LA.
Do không có nhánh quang là do nhôm nguyên chất Có vector sóng theo hương X,T vàL
Ô đơn vị của nhôm được mô tả với các vòng tròn màu đen/xám đại diện cho các ion nhôm, trong khi vòng tròn màu đỏ biểu thị cho ion dịch chuyển Các trục trực giao thể hiện các tham số của ô đơn vị.
Hình ảnh mô tả ô đơn vị của nhôm, trong đó các ion nhôm được biểu thị bằng vòng tròn màu đen hoặc xám Các đường màu đỏ thể hiện các vị trí mà tần số phonon đã được tính toán.
Các trục trực giao biểu thị ô đơn vị
Nhôm gồm ba nhánh âm là : TA,2TA và LA Do không có nhánh quang là do nhôm nguyên chất Có vector sóng theo hương X,T và L
Hình: Mô tả sự phân tán phonon của nhôm
MÔ HÌNH KHÍ TỰ DO
Các giá trị Fermi
Hóa trị Kim loại Nồng độ n.10 28 ( m ) -3
Điện trở suất
Điện trở suất của nhôm cho thấy khả năng cản trở dòng điện của vật liệu này, với giá trị thấp chứng tỏ nhôm là một trong những chất dẫn điện tốt Nhôm có điện trở suất thấp thứ tư, chỉ sau bạc, đồng và vàng, với giá trị dao động từ 2,65 đến 2,82 x 10−8 Ω·m.
Hình 5.1 : Điện trở suất của nhôm ở những nhiệt độ khác nhau
Độ dẫn điện
Nhôm là một trong những chất dẫn điện tốt nhất, chỉ đứng sau đồng về độ dẫn điện Độ dẫn điện của nhôm nguyên chất đạt 1,77*10^5 (Ω − 1 cm -1) Cấu trúc tinh thể của nhôm là mạng tinh thể chặt chẽ, cho phép các electron tự do di chuyển dễ dàng qua các hạt kim loại, từ đó tạo ra dòng điện hiệu quả.
Hình 5.2 : Độ thị biểu diễn độ dẫn nhiệt của nhôm
Độ linh động
Độ linh động trôi dạt điện tử μn ≈ 300 cm 2 V -1 s tại nhiệt độ 300 K -1 Độ linh động trôi dạt điện tử giới hạn phonon μn ≈200 cm 2 V -1 s tại nhiệt độ 77 K -1
Lỗ di động μ 14 cmp = 2.V -1 s tại nhiệt độ 290 K -1
Hình 5.4.1 : Đồ thị miêu tả độ linh động của nhôm
Hình 5.4.2: Đồ thị miêu tả sự phụ thuộc của độ linh động vào nhiệt độ
Hằng số Hall
Kim loại Phương pháp Dựa vào thí nghiệm RH, trong 10 ô đơn vị CGS -24 Hạt tải giả trên mỗi nguyên tử
Tính toán -1/nec, trong 10 ô đơn vị -24 CGS
5.6 Độ dẫn nhiệt của kim loại Độ dẫn nhiệt của kim loại phụ thuộc chủ yếu vào electron Vì không có sự tham gia của tạp chất nên thời gian va chạm không bị giảm Nhìn vào đồ thị ta có thể thấy khi nhiệt độ đạt gần tới 400 C thì hằng số Lorenz L sẽ tăng lên mức cao nhất nhưng khi o hằng số Lorenz L đạt tới ngưỡng cao nhất nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì hằng số Lorenz
Hình 5.6 : Đồ thị miêu tả sự phụ thuộc của hằng số Lorenz L vào nhiệt độ
CHƯƠNG 6 : MÔ HÌNH KHÍ TỰ DO
Các dải năng lượng điện tử của nhôm rất quan trọng trong việc xác định tính chất và hành vi điện tử của vật liệu này trong nhiều ứng dụng khác nhau Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về các dải năng lượng điện tử của nhôm.
Dải hóa trị của nhôm biểu thị phạm vi mức năng lượng mà các electron ngoài cùng của nguyên tử nhôm tồn tại Những electron này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành liên kết hóa học và có mối liên hệ chặt chẽ với các nguyên tử nhôm Dải hóa trị thường được lấp đầy electron đến một mức năng lượng nhất định, từ đó ảnh hưởng đến tính chất hóa học và khả năng phản ứng của nhôm.
Dải dẫn nằm trên dải hóa trị, đại diện cho mức năng lượng cho phép các electron di chuyển tự do trong điện trường Trong nhôm, dải dẫn được lấp đầy một phần bởi các electron, điều này làm tăng độ dẫn điện và các tính chất kim loại của nó.
Mức Fermi là khái niệm quan trọng trong vật lý trạng thái rắn, thể hiện mức năng lượng mà tại đó xác suất tìm thấy electron đạt 50% ở nhiệt độ không tuyệt đối Ở các kim loại như nhôm, mức Fermi nằm trong dải dẫn, cho thấy có sẵn các trạng thái điện tử để dẫn điện ngay cả ở độ không tuyệt đối.
Khoảng cách năng lượng của kim loại như nhôm khác biệt so với chất cách điện và chất bán dẫn, vì chúng không có khoảng cách băng tần riêng biệt giữa các dải hóa trị và dẫn Sự thiếu hụt này cho phép electron di chuyển tự do giữa các dải, dẫn đến độ dẫn điện cao của nhôm.
Mật độ trạng thái (DOS) là chỉ số cho biết số lượng trạng thái điện tử có sẵn tại mỗi mức năng lượng Trong trường hợp của nhôm, DOS cao gần mức Fermi, điều này cho thấy có nhiều trạng thái điện tử khả dụng cho quá trình dẫn điện.
Nhôm có cấu trúc hình khối tập trung vào mặt (FCC) trong tự nhiên, do đó, phương pháp PAW potential được áp dụng Trong lĩnh vực tính toán vật lý lượng tử, PAW là công cụ quan trọng để tính toán cấu trúc điện tử của vật liệu dựa trên lý thuyết mật độ chức năng (DFT) Phương pháp PAW giúp mô tả tương tác giữa electron và nhân hạt trong vật liệu, cung cấp cách tiếp cận hiệu quả để tính toán các tính chất điện tử phức tạp của chúng.
Theo sơ đồ, chỉ số Fermi được thể hiện bằng đường màu tím, cho thấy rằng chỉ số này vượt qua các dải và khoảng cách băng tần bằng không Điều này khẳng định rằng nhôm là một kim loại.
CHƯƠNG 7 : TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU NHÔM
Khi bức xạ tiếp xúc với bề mặt vật thể, một phần sẽ bị phản xạ, một phần sẽ được truyền qua, và một phần sẽ được hấp thụ Trong lĩnh vực quang học, chúng ta định nghĩa độ phản xạ của bề mặt là ρ, độ truyền qua là τ, và độ hấp thụ là α Tổng các giá trị này luôn thỏa mãn phương trình ρ + τ + α = 1.
Khi vật đục có τ = 0, độ hấp thụ chất được xác định là α = 1− ρ Nếu bức xạ của cơ thể diễn ra trong trạng thái cân bằng nhiệt động với môi trường xung quanh, thì theo định luật Kirchhoff, độ phát xạ quang phổ ε(λ,T) của vật thể sẽ bằng độ hấp thụ α(λ,T), tức là ε(λ,T) = α(λ,T) = 1− ρ(λ,T).
Chiết suất của một chất là một đại lượng phức, bao gồm tốc độ truyền ánh sáng trong chân không và tốc độ phức tạp của sóng điện từ trong chất Công thức chiết suất phức được biểu diễn là n = n − jκ, trong đó n là phần thực và κ là phần ảo, phản ánh sự tương tác giữa ánh sáng và chất liệu.
Trong đó n - phần thực là chiết suất của chất, κ - phần ảo là hằng số của độ hấp thụ của chất, j = −1 là đơn vị ảo.
Trong số các đại lượng quang n, κ và các đại lượng điện từ đặc trưng cho chất lượng của chất, độ dẫn điện χ, độ thấm E, độ thấm à bằng: n 2 −k 2 =E μ
Trong đú ω = 2πν và ν là tần số bức xạ, Eo à o , là độ thấm và độ thấm của chõn không.
Khi chiết xuất nhôm từ quặng hoặc hỗn hợp chứa nhôm, chúng ta có thể thu được khoảng 30% đến 40% lượng nhôm từ mẫu ban đầu Tuy nhiên, hệ số chiết xuất này có thể thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện và phương pháp chiết xuất được áp dụng.
=> Từ đó suy ra ta có hệ số chiết xuất của vật liệu nhôm đước đo trong khoảng từ 0.3- 0.4.
Hệ số phản xạ của nhôm rất cao, đặc biệt trong dải bước sóng ánh sáng nhìn thấy, với khoảng 85% đến 95% ánh sáng được phản xạ Nhờ đặc tính này, nhôm được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm như gương, lớp phản xạ trong đèn chiếu sáng và trong ngành công nghiệp điện tử, giúp nâng cao hiệu suất phản xạ.
=>Hệ số phản xạ của vật liệu nhôm được đo từ khoảng 0.85-0.95
Hệ số hấp thụ của nhôm trong dải bước sóng ánh sáng nhìn thấy của con người thường rất thấp, dẫn đến việc chỉ một phần nhỏ ánh sáng bị hấp thụ khi xuyên qua vật liệu này Tuy nhiên, hệ số hấp thụ của nhôm có thể thay đổi tùy thuộc vào dải bước sóng cụ thể và các điều kiện môi trường khác nhau.
=>Hệ số hấp thụ của vật liệu nhôm được đo từ khoảng 0.1-0.5
