Физические свойства чистого алюминия

Алюминий имеет атомный номер 13; по последним данным атомный вес алюминия составляет 26,9815 (по углероду С12) и 26,98974 (по кислороду О16). Основным изотопом является Al27, который устойчив и состоит из 14 нейтронов и 13 протонов. Кроме одного изотопа Al26, период полураспада которого равен 10в6 лет, все остальные имеют очень малые периоды полураспада и пренебрежимо малую распространенность в природе (табл. 1.2). Алюминий трехвалентен, при этом 13 его электронов следующим образом распределены на электронных оболочках: 1s2, 2s2, 2р6, 3s2, 3р1.

Распространенный в природе изотоп алюминия имеет малое эффективное сечение захвата тепловых нейтронов, равное 0,232±0,003 барна, которое неравномерно увеличивается до 0,6 барна при изменении напряжения в интервале от 700 до 800 МэВ. При напряжениях от 20 до 50 кэВ наблюдаются резонансные пики, максимальные значения которых достигают 15 барн. Массовый коэффициент поглощения для 7-лучей перекрывается фотоэлектрическим эффектом при напряжениях вплоть до 0,04 МэВ, после чего начинает доминировать эффект Комптона при напряжениях до 10 МэВ. Свыше 30 МэВ основным становится механизм рождения пар. Значения массового коэффициента падают с 2,5 м2/кг при 0,01 МэВ до 0,05 м2/кг при 0,04 МэВ, а затем относительно медленно снижаются с возрастанием энергии 7-лучей со значения, равного 0,02 м2/кг при 0,1 эВ до 0,002 м2/кг при 100 МэВ. Ядерный магнитный и квадрупольный моменты составляют +3,6414 ядерных магнетонов и +0,15 барн соответственно. Энергия резонанса при поглощении протонов в реакции Al27 (р, 7)Si28 составляет 991,9±0,04 кэВ при полуширине 0,10±0,02 кэВ, а критический уровень энергии для реакции Al27 (р, n) Si27 равен 5796,9±3,8 кэВ.



Атомный спектр алюминия был недавно исследован Мартином и Залукасом, которые приводят спектр излучения для всех разновидностей атомов алюминия от атомарного Al I до полностью ионизированного алюминия Al XIII. Минимальный потенциал ионизации равен 3,13 В, первые три значения энергий ионизации составляют 5,98580+0,00002, 18,82873±0,00006 и 28,44787±0,00008 эВ. Наиболее интенсивная линия в спектре соответствует переходу 3р2Р32 — 4s2 S1 при длине волны 396,15200 нм. Схема энергетических уровней для Al I, построенная по результатам исследования Эрикссона и Айсберга, показана на рис. 1.1.



Алюминий имеет решетку гранецентрированного куба, устойчивую при температурах от 4 К до точки плавления.

В алюминии нет аллотропических превращений. Координационное число алюминия равно 12, элементарная ячейка состоит из четырех атомов. Параметр решетки алюминия составляет 4,049596*10в-10 м при 25 °C, атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в кристаллической решетке) равен 2,86*10в-10 м, а атомный объем 9,999*10в-6 м3/г-атом. Примеси в алюминии очень незначительно влияют на величину параметра решетки.



Теоретическая плотность алюминия, подсчитанная по периоду решетки, равна 2698,72 кг/м3. Экспериментальные значения для поликристаллического материала находятся в пределах от 2696,6 до 2698,8 кг/м3, а для монокристаллов — на 0,34 % выше. Плотность расплавленного алюминия чистотой 99,996 % приведена ниже:



Рекомендуемые значения термического коэффициента расширения приведены ниже. Они получены для полностью отожженного алюминия чистотой 99,99 % с точностью до 5 % при температурах от 100 К до температуры плавления. Считается, что коэффициент термического расширения обладает изотропностью, и значения этой характеристики для металла промышленной чистоты лежат в интервале значений для чистого металла с отклонениями в пределах погрешности эксперимента.

Уиллей вывел три уравнения, которые могут быть использованы для приближенного подсчета коэффициента термического расширения в указанных температурах:

где L0 — длина образца при 273 К; L — длина образца при температуре Т; С — константа для сплава, равная 1 для чистого алюминия. Значения констант для различных алюминиевых сплавов приведены в работе. Подробные сведения о влиянии легирующих элементов на величину коэффициента термического расширения опубликованы в работе.



При температурах > 100 К истинная теплопроводность к полностью отожженного алюминия высокой чистоты (99,99 %) относительно нечувствительна к степени чистоты, а при температурах < 100 К очень чувствительна к чистоте материала, контролируемой остаточным удельным сопротивлением р0 при 0 К. Рекомендуемые значения теплопроводности для полностью отожженного алюминия высокой чистоты приведены в табл. 1.3а и 1.3б. Считается, что приведенные значения даны с точностью ±5 % для температур ниже комнатной, (±2 )/(±3) % выше комнатной температуры и ± 8 % выше температуры плавления. Для образцов с известным значением P0 теплопроводность к при температурах ниже 1,5 Tm (где Tm — максимальная температура в К) выражается зависимостью



Общепринято, что электросопротивление алюминия высокой чистоты (99,990 %) при 20 °С составляет 2,6548*10в-8 Ом*м, или 64,94 % электросопротивления международного эталона из отожженной меди. Электросопротивление алюминия различной степени чистоты показано на рис. 1.2 и в табл. 1.4. Электропроводность является изотропным свойством, несмотря на присутствие ориентированных дислокаций. Величина зерна в промышленном алюминии очень незначительно влияет на электросопротивление. Однако значения электропроводности нагартованного алюминия на 0,5-1 % выше в направлении деформации. Алюминий обладает внутренним фотоэффектом.

Электросопротивление чистого алюминия при очень низких температурах (< 100 К) сильно чувствительно к степени чистоты материала. Следовательно, отношение величины электросопротивления при 290 К к значениям его при 4,2 К иногда может использоваться в качестве критерия чистоты материала. Величина этого отношения согласно данным работы составляет 30000 для алюминия чистотой 99,999 %. Степень чистоты материала влияет на длину свободного пробега электрона X: чем выше чистота, тем больше X. Следовательно, длина свободного пробега электрона X для материалов высокой чистоты может стать соизмеримой с размером образца. Для образцов из очень чистых материалов произведение рХ (где р -электросопротивление) должно быть постоянной величиной, пропорциональной количеству валентных электронов. Это было подтверждено Форсоллом и Холлвечем и Монтариолем; величина этой константы равна приблизительно 7*10в-16 Ом-м2. Обширный обзор информации по указанному вопросу опубликован Монтариолем.

Алюминий обладает сверхпроводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю. Каплан и Чэвин установили, что температура перехода в сверхпроводящее состояние Tс находится в интервале 1,164-1,200 К. По результатам исследований этих авторов, Tс = 1,175 ± 0,001 К, а критическое поле описывается параболической кривой вида



где H0 = 8340 ± А/м; (dHс/dT)Tс = 12570 ± 30А (мв-1 К-1). Увеличение степени чистоты материала снижает Tс, что установлено Боато с сотрудниками при исследовании влияния добавок хрома, марганца и железа. Высокие концентрации примесей могут вызвать повышение Tс.

Температурная зависимость электросопротивления алюминия при низких температурах (< 100 К) выражается уравнением



где р(0) — остаточное электросопротивление; T — температура, К; А и В — константы, которые необходимо определять для каждой степени чистоты; члены AT2 и BT5 указанного выше полинома характеризуют электрон-электронное и электрон-фотонное рассеяние соответственно. В интервале 273-573 К температурная зависимость электросопротивления чистого алюминия почти линейна при постоянном коэффициенте 1,15*10в-8 Ом-м/К.



Константа Холла (RН) и коэффициент магнитного сопротивления Ар/р (0), где р(0) — электросопротивление в отсутствие магнитного поля, широко используются в исследованиях в связи с тем, что с помощью этих характеристик можно получить информацию о поверхности Ферми и рассеянии электронов. Однако большая часть опубликованных данных относится к низким температурам (< 20 К).

Коэффициенты RН и Ар/р (0) применимы к металлам со свободными электронами и в значительной степени зависят от переменной величины В/р0, где В - напряженность магнитного поля (вб/м2) и Po — сопротивление (Ом-м) при температуре абсолютного нуля. Представляют интерес две области в магнитном поле: слабые поля, где В/р0 < 10в2, и сильные поля, где В/р (0) больше 10в2. В слабых полях коэффициент Холла чистого алюминия и низколегированных сплавов не зависит от величины магнитного поля и изотропен, принимая значения от -0,4*10в2 мм2/A*с до +0,8*10в-2 мм3/А*с при 4,2 К в зависимости от типа, но не от концентрации дефектов кристаллической решетки на примесях. Опубликовано очень мало данных о значениях BН для алюминия при более высоких температурах; имеющиеся сведения, приведенные Мондольфо для различных температур, суммированы ниже:

В сильных магнитных полях RН становится снова не зависящим от напряженности поля, однако имеет довольно большие и положительные значения, приближающиеся к теоретическому уровню [+10,23*10в-2 мм3/(А*с)]. В средних полях (B/p8 ~ 10в2) коэффициент Холла плавно меняется с изменением напряженности поля. В слабых магнитных полях коэффициент магнитного сопротивления в продольном и поперечном направлениях выражается как Ар/р(0) = KBn, где n - постоянная, равная 2, и АГ-постоянная, зависящая от типа дефектов в решетке металла. Оба коэффициента почти изотропны, т.е. разница в значениях Ap/р (0) составляет < 2 %. В сильных магнитных полях) В/p0 больше 10в2) Ар/р0 становится в значительной мере анизотропным (рис. 1.3). Остается спорным вопрос о том, являются ли предельными значения Ар/р0 в сильных магнитных полях, как этого требует теория для металлов с заполненной поверхностью Ферми. Кестернич предполагает, что доля Ар/р (0), которая увеличивается с возрастанием напряженности поля, связана с геометрическими эффектами, вызванными несовершенным распределением тока и расположением образца, что создает ложное впечатление увеличения коэффициента с возрастанием чистоты материала. Значения Ар/р(0) в поперечном направлении при 4,2 К в интервале насыщения составляют 1,2-30 в зависимости от ориентации и типа дефекта.



Алюминий парамагнитен вследствие того, что он имеет нечетное число (3) валентных электронов. Графики изменения магнитной восприимчивости в зависимости от температуры в интервале от 0 до 1000 К представлены на рис. 1.4. Легирование алюминия небольшими добавками железа и марганца очень незначительно повышает магнитную восприимчивость; при введении других добавок отмечается тенденция к ее снижению. Вопрос о влиянии деформации на магнитную восприимчивость остается спорным до сих пор, хотя имеются данные о снижение этой характеристики на 5—15 % при 50 %-ной деформации. Есть мнение, что закрепленные дислокации уменьшают магнитную восприимчивость на несколько процентов.



Вайда и Кеннеди определили объемное сжатие алюминия чистотой 99,999 % при давлении до 45*10в2 МПа. Значения отношения объема при высоком давлении (V) к объему при давлении окружающей среды (V0) приведены ниже:

Рой и Стюард сообщают о частичном превращении решетки алюминия из гранецентрированной кубической в плотноупакованную гексагональную при давлении 205*10в2 МПа. При давлении 200*10в2 МПа V/V0 = 0,85. В paботe Мондольфо приводятся сведения о сжимаемости алюминия при комнатной температуре и указывается среднее значение ее, равное 13,3 м2/TH для алюминия высокой и промышленной чистоты. Указывается также, что величина сжимаемости находится в интервале от 12 до 13,7 м2/ТН. Сжимаемость при 0 К составляет 12 м3/TH, а в жидком состоянии при температуре плавления - около 20 м2/TH.



Мондольфо указывает, что отражательная способность полированной поверхности алюминия составляет более 90 % при длинах волн от 0,9 до 1,2 мкм. При длинах волн менее 0,2 мкм отражательная способность равна около 70 % для полированного алюминия. Самую высокую отражательную способность имеет покрытие, полученное методом осаждения из паровой фазы и обеспечивающее очень гладкую поверхность. Для обеспечения наилучшей отражательной способности максимальная толщина пленок, полученных указанным методом, должна быть около 10в-5 см. Отражательная способность алюминиевой поверхности снижается с увеличением ее шероховатости; так, после пескоструйной обработки она составляет только 15—25% этой характеристики для полированной поверхности при одинаковом составе металла. На рис. 1.5 показана отражательная способность различных алюминиевых поверхностей. Излучательная способность полированного алюминия при комнатной температуре составляет всего несколько процентов относительно черного тела. Грубая обработка поверхности может повысить излучательную способность до 20—30 %. Она возрастает с повышением температуры, достигая значений 15—20 % в жидком состоянии. Общая излучательная способность для полусферы из хорошо полированного алюминия чистотой 99,999 % составляет 1,0 % при 180 К и 1,8 % при 290 К. Обзор литературы по оптическим свойствам алюминия приведен в работе Мондольфо; критическая оценка данных по тепловой излучательной способности алюминия различной степени чистоты дана в работе Тулукяна и ДеУитта.