高中化学《铝金属材料》的教案（精选8篇）
【教材分析】
铝是一种非常重要的金属，铝单质及其合金在生产和生活中的用途广泛，铝及其化合物的性质是高中阶段的重要知识点，本节内容可以进一步丰富学生对金属元素及其化合物知识的认识，给他们一个更为广阔的认识物质世界的空间，也为后面学习元素周期律和元素周期表打下基础。同时让学生了解金属及其合金在工农业生产和生活等方面的重要应用，认识铝的物理、化学性质与应用之间的密切联系，激发学习兴趣。
【学情分析】
铝是日常生活中常用的一种金属，也是学生接触比较多的一种金属元素，在前面的学习中，学生已经了解了钠、镁、铁等金属单质，因此，学生学起来会有一种熟悉感。教学过程中，充分利用好这一资源，激发和调动学生的学习积极性。
【设计思路】
本节课主要采取实验、探究、启发教学方法，目的是让学生对铝的性质能认识得更深入、更透彻，同时，提高他们分析问题、解决问题的能力。对于铝的物理性质及铝与酸的反应，采用新旧知识对比的方法，目的是培养学生对所学知识进行迁移、拓展的能力。对于铝与氧气、铝与氢氧化钠及铝热反应，主要采用的是实验探究的方法，一方面培养学生的学习兴趣，另一方面培养学生透过现象看本质的能力。最后的活动与探究是为了提高学生综合运用知识以及培养学生通过设计实验解决问题的能力而设置的。
【教学目标】
知识与技能：了解铝的物理性质；掌握铝的化学性质。
过程与方法：增强学生的实验探究能力，加深对元素化合物知识学习方法的认识。
情感态度与价值观：加深学生的辩证唯物主义观点的认识。
【教学重难点】
重点：铝的还原性，氧化铝和氢氧化铝的性质
难点：铝及其化合物的特性。
【教学过程】
教学环节 教学活动 教学中可能出现的情况 设计意图
通过铝的应用创设学习情境，引入主题。
【引言】在已经发现的110多种元素中，大约有4/5是金属。金属在社会发展进程中，起着非常重要的作用。如：青铜时代、铁器时代在历史上都留下光辉的一页。钢铁是工农业生产的基础，即使在新材料层出不穷的今天，金属仍然有它不可取代的地位。我们日常生活中经常接触到各种各样的金属，因此，了解金属的性质是非常有必要的。
【展示】“神舟六号”载人飞船成功发射的图片
【设问】飞船舱体的成分有什么？
【展示】身边的铝制品
【提问】谁还能列举一些你见过的铝制品？
【课题引入】铝的性质对用途起很大作用。这节课我们一起探讨铝的性质。
【回答】有铝。
【回答】包装用的铝箔；化学反应器；医疗器械；太阳能灶；航空航天材料等。激发学生的爱国情感，引导学生学会观察。体会化学的实用性。
学生根据阅读和观察归纳铝的物理性质。
通过演示实验认识铝和氧气的反应。
【板书】第二节 铝 金属材料
一、铝的物理性质
【引导】根据课本铝的用途和观察说出铝的物理性质。
【板书】颜色：银白色；状态：固态；密度：较小；导电性：良好；导热性：良好；延展性：良好；熔点：较低（660.4℃）。
【提问】铝是典型的金属，你能推测它具有哪些化学性质？
【追问】能否从实质分析铝为什么可能具有这样的性质？
【讲述】我们通过实验来验证铝的化学性质。
【板书】
二、铝单质的化学性质
1、与非金属的反应
【演示实验】铝和氧气的反应
（1）将铝箔在空气中用酒精灯点燃
（2）将铝粉洒向酒精灯火焰
（3）将铝箔放入纯氧中点燃
【引导】加热打磨后的铝片，发现现象不同。说明氧化铝薄膜对铝的保护作用。铝粉在酒精灯上的燃烧，发现改变实验条件会改变实验现象。铝易与氧结合，铝还能夺去金属氧化物中的氧。
【板书】4Al+ 3O2=== 2 Al2O
3【追问】铝很容易与氧气反应，为什么生活中有很多铝制品？
【小结】铝不但可以与氧气反应，还能与其它非金属单质反应。（如Cl2等）
【回答】颜色：银白色；状态：固态；密度：较小；导电性：良好；导热性：良好；延展性：良好；熔点：较低。
【思考】金属活动顺序表中铝是较活泼的金属，具有金属的通性：与非金属反应、与酸反应、金属间的置换等。
【回答】化合价的角度，铝有还原性，可以与氧化剂反应。
观察实验现象、思考分析实验现象并讨论得出结论。
书写方程式
【实验现象】（1）只熔化不燃烧（2）铝粉燃烧，发出耀眼的点点星光。
（3）铝箔剧烈燃烧，发出耀眼的白光，放出大量的热，生成白色固体。
【讨论】铝制品表面可形成一层致密的氧化物薄膜，具有抗腐蚀性。
写方程式：
2Al+3Cl2＝2AlCl
3引导学生学会用化学思维方式来分析问题。训练学生类比、分析、综合的能力，巩固氧化还原反应的知识。
在实验中发现特殊现象，激发学生求知欲，引出新知识。
通过比较引发学生认识反应条件的重要性。
铝热反应 【板书】
2、与某些金属氧化物反应
【演示实验】铝热反应
【追问】该现象说明什么？
【设问】该反应成为铝热反应，铝热反应在实际生产中有什么应用？
【板书】（1）制备某些高熔点金属单质
4Al+3MnO2 === 2Al2O3+3Mn
2Al+Cr2O3 === Al2O3+2Cr
（2）焊接钢轨
2Al+ Fe2O3 == Al2O3+ 2Fe 观察并写出方程式，标出电子转移的方向和数目。
2Al+ Fe2O3 == Al2O3+ 2Fe
【实验现象】有耀眼的白光，并有熔融物生成。
【回答】铝可以置换出金属，该反应放热。
培养学生的观察能力。了解铝的广泛应用，体会化学的实用性。
通过学生分组设计实验、观察现象、得出结论
【板书】
3、与酸反应
2Al+6HCl==2AlCl3+3H2↑
【思考】铝还能与哪些酸发生类似的反应？
【强调】铝在浓硫酸、浓硝酸中常温下象铁一样钝化，生成一层至密的氧化膜。
【学生分组实验】
【实验现象】铝表面有气泡产生；铝片逐渐溶解；试管壁发热；反应一开始比较慢，后来逐渐加快
【讨论】稀硫酸、醋酸等，所以铝锅不能用来盛食醋。
培养学生动手能力。进行严谨的科学态度教育。
演示铝与NaOH溶液反应
【演示实验】铝与NaOH溶液反应
【板书】
4、与强碱的反应
2Al+2NaOH+2H2O=2Na[Al(OH)4]+ 3H2↑
【说明】铝是一种两性金属 观察、分析实验
【现象】铝溶解，产生气泡。激发学生的求知欲。
总结 【总结】通过上述学习，我们知道铝既能与强酸溶液反应，又能与强碱溶液反应，即铝既具有金属性，又具有非金属性，是一种两性金属。但从氧化还原观点分析铝具有还原性。领悟、记录。促进学生归纳总结的能力。
【例题】两份铝粉，第一份和足量氢氧化钠溶液反应，第二份和足量盐酸反应。如在相同条件下放出等体积的气体，则两份铝粉的质量比为。
解析：铝分别和氢氧化钠、盐酸反应的方程式如下：
2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑
由化学方程式可知，只要在酸、碱用量足够的情况下，生成H2的多少决定于参加反应的铝的多少。生成相同物质的量的H2, 消耗掉铝的质量相同。
答案：1∶
1【课堂练习】
1、下列用途主要体现铝的物理性质的是
①家用铝锅 ②盛浓硝酸的容器 ③制导线 ④焊接钢轨 ⑤包装铝箔 ⑥炼钢的脱氧机 ⑦做防锈油漆
A．①②③④ B．⑥⑦ C．①③⑤ D．②④⑥
2、下列有关厨房铝制品的使用中，你认为合理的是
A.盛放食醋 B.烧煮开水
C.用金属丝擦洗表面的污垢 D.用碱水洗涤
3、由锌、铁、镁、铝四种金属中的两种组成的混合物10g，与足量的盐酸反应产生的氢气在标准状况下为11.2L，则混合物中一定含有的金属
A．锌 B．铁 C．铝 D．镁
【课堂检测】
1、属于铝热反应的是
A.Al+HCl B.Al+H2SO4 C.Al+MgO D.Al+WO32、铝制品比铁制品在空气中不易被锈蚀，原因是
A．铝的金属性比铁弱 B．铝的密度比铁的密度小
C．铝在空气中易与氧气形成一层致密的氧化膜
D．铝不能与氧气发生化学反应
3、下列离子方程式书写正确的是
A．烧碱溶液与小苏打溶液反应：OH－＋HCO3－ H2O＋CO2↑
B．铝粉与烧碱溶液反应：2Al＋2OH－＋H2O 2AlO2－＋2H2↑
C．氯化亚铁溶液中滴加氯水：2Fe2＋＋Cl2 2Fe3＋＋2Cl－
D．氯气通入冷的氢氧化钠溶液中：
2Cl2＋2OH－ 3Cl－＋ClO－＋H2O4、将等质量的钠、镁、铝分别投入足量的盐酸中，完全反应后产生的氢气最多的是
A、铝 B、镁 C、钠 D、一样多
5、除去镁粉中含有的少量铝粉，可选用的试剂是
A ．盐酸 B ．NaOH溶液 C ．硝酸 D ．氨水
【课后作业】课本课后1、2.【课堂反思】
本节课主要采取实验、探究、启发教学方法，让学生对铝的性质能认识得更深入、更透彻，增强学生的实验探究能力，加深学生对“外因通过内因起作用”的辨证唯物主义观点的认识。在课堂环节中注重学生的主体地位，教师引导学生参与课堂教学中。
【专家点评】
1、教学目标体现课程标准的基本理念和三维目标要求；定位准确，符合单元教学要求以及学生学习和生活实际，有利于学生发展。
2、重点、难点、详略处理得当；在正确理解教材、抓住教材特点的基础上，合理有效地开发课程资源；教学过程安排合理、科学、和谐。
3、合理运用教具、学具及先进的教学手段。
4、课后能认真对照课标围绕“教了什么”、“怎么教的”“为什么这样教”进行反思，找出差距，明确整改方向和目标。
富锂材料在首次充电到4.5 V 左右有一个脱锂伴随脱氧的不可逆电位平台,在这个脱锂脱氧过程(净脱出Li2O)中Li2MnO3组分得到了活化,得到的层状MnO2 组分能够可逆嵌脱锂[3],从而可以在放电过程中表现出较高的比容量,同时Li2MnO3组分在充放电的过程中还能起到稳定电极材料结构的作用[4]。其中,上述系列化合物中的xLi2MnO3·(1-x) LiNi1/3Co1/3 Mn1/3O2 (x=0.5),得到了广泛的研究[5,6]。但作为车用动力电池,在保证安全性的前提下提升性能、降低成本是非常关键的任务,降低成本的一种最直接方法是用更便宜的材料替换锂离子电池中价格较高的过渡金属元素。
近来,Tabuchi 等发现用铁取代其他过渡元素形成富锂Li1.2Mn0.4Fe0.4O2后,Li2MnO3-LiFeO2 固溶体具有高的比容量[7]及高的电压,但由于合成过程中易产生尖晶石类杂质,产物的电化学性能不理想[8,9]。本实验采用共沉淀法合成了用铝掺杂的铁取代部分锰的富锂正极材料Li[Li0.2Mn0.4-Fe0.3Al0.1]O2,得到了较好的效果。
1 实验
1.1 试剂和仪器
硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O,>98.5%,成都西亚试剂);硝酸铝(Al(NO3)3, 99.0%,成都西亚试剂);硝酸锰 (Mn-(NO3)2·4H2O,>99.0%,成都西亚试剂);氢氧化锂(LiOH·H2O,>99.5%,成都西亚试剂);中间相碳微球(MCMB,日本大阪煤气),粒度20 μm;聚偏氟乙烯(PVDF,美国阿托化学);N-甲基吡咯烷酮(NMP,日本三菱化学);导电碳黑(比利时特密高)。电解液:1 mol/L LiPF6 溶于EC(碳酸乙烯酯)与DMC(碳酸甲乙酯)的体积比为1∶1的混合溶剂(日本三菱化学)。上述试剂都是电池级。2400PP/PE膜(美国 Celgard)。
电化学工作站(武汉科思特仪器,CS350);Labmaster手套箱(德国M Braun);JSM-6330F扫描电子显微镜(北京中科科仪,KYKY-2800);BT-3043电池测试仪(美国Arbin);高温管式炉(上海实验电炉厂);C-2000涂布机(美国AES);RIX2000 X射线衍射仪(日本理学)。
1.2 实验部分
1.2.1 铁取代富锂正极材料的制备
采用氢氧化物共沉淀合成前驱体,然后进行高温烧结,合成Li[Li0.2Mn0.4Ni0.3Al0.1]O2 正极材料: 将计量比分析纯的Fe(NO3)3·9H2O、Mn(NO3)2·4H2O、Al(NO3) 3 共同溶解于去离子水中形成总过渡金属离子浓度为1 mol/L 的混合溶液;然后将含有一定浓度氨水的NaOH 溶液缓慢滴加到过渡金属混合溶液中,形成过渡金属的氢氧化物共沉淀,磁力搅拌至反应完全后陈化过夜。沉淀过程控制在50 ℃进行。沉淀清洗烘干得Mn0.5Fe0.375Al0.125 (OH)2.5 前驱体。接着将所得的前驱体与化学计量比过量9%的LiOH 球磨混合均匀,马弗炉中经过480 ℃预烧结10 h,粉碎研磨并压片,再高温(750 ℃)烧结若干小时后得到目标产物Li[Li0.2Mn0.4-Fe0.3Al0.1] O2 粉末。
1.2.2 样品的电化学性能测试
测试用电池正极的制作:采用涂膜法制备电极, 以NMP(N-甲基吡咯烷酮)为溶剂, 将原料按m(正极材料)∶m(PVDF)∶m(乙炔黑)= 80∶10∶10的比例混合, 制成正极浆液, 将浆液涂在0.012 mm的铝箔上, 充分干燥后, 压片得到正极片。
测试电池负极的制作:将MCMB、 PVDF 和乙炔黑按90∶8∶2 的质量比在 NMP中制成浆,然后将浆料涂布于 0.012 mm 的铜箔上。
样品电池的测试:将MCMB与正极材料的质量比控制在1.0∶1.15,在惰性气体保护的手套箱中以1 mol/L LiPF6溶于EC/DMC (1∶1)的溶液为电解液, Celgard 2400为隔膜, 组装成2025型扣式电池。在南电生产的充放电仪上进行充放电性能测试, 充放电条件为电压2.0～4.6 V、电流密度50.0 mA/g。
2 结果与讨论
2.1 铝离子掺入量对材料电化学性能的影晌
铝掺杂铁部分取代锰的富锂正极材料可用Li[Li0.2-Mn0.45-xFe0.35-xAl2x]O2 (0≤x≤0.25)来表示。表1是不同铝离子掺入量下所得正材料的初始容量和循环一定次数后的容量剩余量数据对比。从表1的数据可以看到,当保持铁元素对锰的比例不变,而x分别为0、0.0125、0.025、0.050和0.075时,即铝离子掺入量分别为0、0.025、0.05、0.10和0.15时,正极材料的初始容量分别为280 mAh/g、265 mAh/g、252 mAh/g、241 mAh/g和231 mAh/g;而这些材料在循环30次和50次后的容量保持率分别为83%、86%、87.7%、93.8%、95.2%和63.6%、72.8%、79.4%、93%、94%。即初始容量随铝掺入量的增加而下降,而循环寿命随铝掺入量的增加而延长。从表1还可以看到,铝掺入量为10%时,正极材料的综合性能较好,作为全电池,经50次循环后容量衰减率只有7%,而未掺杂铝的材料容量衰减率达到36.4%,说明掺杂后材料的循环性能相对于未掺铝之前的正极材料得到明显改善。掺铝后材料性能改善的原因可能是:(1)铝与活性材料中扩散出来的锂离子结合生成LiAlO2,而LiAlO2是一种锂离子导体,表面生成的LiAlO2可以提高离子的扩散速率;(2)在循环过程中,Al3+扩散到氧化物晶格中起到稳定结构的作用;(3)Al在电极材料晶格内部与氧形成很强的Al-O键,抑制了电极材料结构中氧离子空位的扩散,更好地保留氧离子空位,减少不可逆容量损失。这些原因中哪一方面起主要作用,还需要进一步研究。
注:CMP-capacity maintaining percentage
2.2 Li[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2的物相组成
图1为750 ℃烧结制备的正极材料样品的XRD谱。从图1(a)中可以看出,除了20～25°的超晶格峰外,其他衍射峰均与α-NaFeO2 衍射峰对应,表明所制备的材料都具有空间群为R-3m 的α-NaFeO2 结构,属六方晶系;20～25°的峰对应于过渡金属层中存在的Li2MnO3 纳米区域(Nano-domains)的LiMn6 阳离子超晶格有序排列,可以归属为空间群为C2/m 的单斜晶胞结构[10]。XRD谱中的(006)/(102)和(108)/(110)衍射峰分裂程度较好,说明所合成的材料均具有较完整的层状结构。而从图1(b)可知,产物的结构与图1(a)基本相似,没有出现明显的杂质衍射峰。
2.3 Li[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2 粉末的形貌
图2为用共沉淀法合成的富锂正极材料Li[Li0.2-Mn0.45-xFe0.35-xAl2x]O2的SEM图,其中(a)为x=0的样品,(b)为x=0.05的样品。从图2中可以看出,样品具有完整的晶体结构,表面形貌和分散性好,表面光滑,粒度分布均匀,结晶程度完全。
2.4 [Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2的电化学性能
图3是正极材料Li[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2的第2次、10次、20次、30次、50次循环的充放电性能曲线。由图3可以看出, Li[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2材料可以进行正常的充放电, 随充放电的进行,材料的充放电容量呈有规律的下降趋势,放电平台大约在3.5 V。
图4为未掺杂的Li[Li0.2Mn0.45Fe0.35]O2和掺杂铝的Li-[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2的第2次和第50次充放电后的交流阻抗谱图。测试前控制电压为3.75 V。
从图4中可以看出,每一条曲线都是由两部分构成:在高频部分曲线呈现出一个圆弧的形状,对应于电荷迁移阻抗;而在低频区是一条直线,对应于Warburg 阻抗。图4(a)中未掺杂的Li[Li0.2Mn0.45Fe0.35]O2随着循环次数的增加,表示电荷转移阻抗的半圆增大,表明电极材料与电解液界面处的电荷转移阻抗逐渐增大;同时经过50次充放电循环后测试的交流阻抗图谱差异较大,说明电池在充放电过程中,发生了一些结构变化,循环性能下降。而图4(b)为掺杂铝的Li[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2的交流阻抗谱图。未掺杂和掺杂样品的电解液及电极接触电阻经过50次循环后变化很小,但是未掺杂的正极材料第2次与第50次循环后,电荷转移电阻显著增加。而掺杂铝的样品第2次和第50次的电荷转移电阻较未掺杂的样品电荷转移电阻小,循环50次后电荷转移电阻增加幅度也比未掺杂的小。这说明掺杂铝不仅减小了电荷转移电阻,同时还抑制了电荷转移电阻随着充放电循环次数增多而大幅度增加,有利于提高循环稳定性。
3 结论
(1)合成出具有较好电化学性能的铝掺杂的富锂正极材料Li[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2,与未掺杂前相比,材料的电化学性能得到明显改善。
(2)对于Li[Li0.2Mn0.45-xFe0.35-xAl2x]O2,铝的掺入量增加,循环性能变好,但材料比容量降低,当铝掺入量为10%时,正极材料具有较好的综合性能。
(3)Li[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2的初始放电容量达到241 mAh/g左右,50次循环后,容量衰减率为7%。
(4)与未掺杂相比,Li[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2经50次循环后,结构变化较小。
摘要：用共沉淀法合成了用铝掺杂的铁部分取代锰的富锂正极材料Li[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2。采用XRD、SEM、电化学测试等方法对样品进行表征。结果表明,与Li[Li0.2Mn0.45Fe0.35]O2相比,Li[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2具有较好的电化学性能,其初始容量达到241mAh/g左右,经50次充放电循环后,容量衰减率在7%左右。
关键词：锂离子电池,Li[Li0.2Mn0.4Fe0.3Al0.1]O2,富锂正极材料
参考文献
[1] Thacheray M M,Kang S H,Johnson C S,et al.Li2MnO3-stabilized LiMO2(M=Mn,Ni,Co)electrodes for lithiu-mion batteries[J].J Mater Chem,2007,17(30):3112
[2] Johnson C S,Lin,Lefief C,et al.Anomalous capacity andcycling stability of x Li2MnO3.(1-x)LiMO2electrodes(M=Mn,Ni,Co)in lithium batteries at 50℃[J].Electro-chem Commun,2007,9(4):787
[3] Song H K,Lee K T,Kim M G,et al.Recent progress innanostructured cathode materials for lithium secondary bat-teries[J].Adv Funct Mater,2010,20(22):3818
[4] Johnson C S,Kim J S,Lefief C,et al.The significance ofthe Li2MnO3component in composite xLi2MnO3.(1-x)LiMn0.5Ni0.5O2electrodes[J].Electrochem Commun,2004,6(10):1085
[5] Wu Y,Manthiram A.High capacity,surface-modified la-yered Li[Li(1-x)/3Mn(2-x)/3Nix/3Cox/3]O2cathodes with lowirreversible capacity loss[J].Electrochem Solid-State Lett,2006,9(5):A221
[6] Kobayashi H,Takenaka Y,Arachi Y,et al.Study on Li de-intercalation/intercalation mechanism for a high capacity la-yered Li1.20Ni0.17Co0.10Mn0.53O2material[J].Solid StateIonics,2012,225(4):580
[7] Tabuchi M,Nabeshima Y,Ado K,et al.Material designconcept for Fe-substituted Li2MnO3-based positive elec-trodes[J].J Power Sources,2007,174(2):554
[8] Kikkawa J,Akita T,Tabuchi M,et al.Fe-rich and Mn-richnanodomains in Li1.2Mn0.4Fe0.4O2positive electrode mate-rials for lithium-ion batteries[J].Appl Phys Lett,2007,91(5):054103
[9] Kim J S,Johnson C S,Vaughey J T,et al.Electrochemicaland structural properties of x Li2MnO3.(1-x)LiMn0.5-Ni0.5O2electrodes for lithium batteries(M=Ti,Mn,Zr;0≤x≤0.3)[J].Chem Mater,2004,16(10):1996
摘要：本文分析了泡沫铝材料不同于其他金属的优良性能，并介绍了目前泡沫铝材料采用的制备方法及其应用研究现状，最后指出了今后研究泡沫铝材料的发展方向。
关键词：泡沫铝 制备方法 应用
1 概述
所谓泡沫铝材料，就是由铝或是铝合金基体与气孔
（闭孔或通孔）进行复合而得到的一种结构一体化的具有轻质功能的新型材料。由于其自身结构的特殊性，使其具有不同于其他金属的特殊性能，如高孔隙率和比表面积，还有较强的能量吸收性、高的比强度、抗冲击性能、电磁屏蔽、高阻尼等优良的性能，使得其在各个领域得到了广泛的应用。其性能的好坏主要由制备方法来决定，因此，本文主要对其制备方法和应用现状进行了分析。
2 泡沫铝材料的制备方法
2.1 粉末冶金发泡法 粉末冶金发泡法是指将铝或是铝合金的粉末和发泡剂（一般为TiH2） 根据一定的比例进行配制并均匀混合，使其在给定的压力之下被压缩成较为致密的预制胚体，之后通过轧制、模锻或挤压等方法将其加工为半成品，然后放入规定形状的钢模内，温度被加热到预制体的熔点，与发泡剂产生的气泡混合得到闭孔泡沫铝材料。
2.2 熔体发泡法 熔体发泡法中主要应用的两种方法是直接吹气法和发泡剂发泡法，它的发泡过程是在液相中完成。前者是向金属熔融液中均匀混合分散SiC、Al2O3等，利用特制的旋转喷头对底部吹入气体形成气孔后进行冷却和凝固。后者是将发泡剂和金属熔融体混合均匀，使得气体膨胀得到泡沫金属。
2.3 熔模铸造法 熔模铸造法是指把已准备好的泡沫塑料装入具有一定形状的模具中，并向其中加入液态的耐火材料，耐火材料在硬化过程中会使泡沫塑料达到气化的条件，之后把液态的金属熔融液浇铸到模具中，当液体冷却之后即可达到耐火材料与金属分离的目的，从而得到与模具形状一样的泡沫铝材料。
2.4 渗流铸造法 渗流铸造法是将经过预先处理的填料颗粒放入相应的模具内并压实，之后在压力的作用下使得金属液流入到颗粒之间的缝隙中，然后溶除预制体颗粒，从而得到多孔的泡沫铝材料。
2.5 沉积法 原子溅射沉积法、金属气相蒸发沉积法、电化学沉积法及反应沉积法等方法都属于沉积法，在这里不再一一赘述。
2.6 中空球烧结法 中空球烧结法是利用金属中空球烧结，从而达到其进行扩散和结合，兼有通孔和闭孔的多孔泡沫铝材料得以制备出。
2.7 二次发泡法 二次发泡法综合了粉末冶金和熔体发泡法的优点，是一种新型的制备方法。主要是通过向金属熔体中均匀混入增粘剂，使其达到适宜的温度和粘度之后，使得预先处理好的发泡剂（TiH2）在其中均匀分散，在其分解前注入成型模具，冷却后就可得到发泡先驱体，其中的TiH2在加热到一定的温度时，就会分解并发泡，从而制得泡沫铝材料。
2.8 固-气共晶凝固法 固-气共晶凝固法也是一种新型的制备方法，它首先是通过低共熔点将充入氢气的液体金属冷却，在定向冻结时气态氢析出，在低共熔点发生金属凝固和气孔形核，然后气孔长大，得到藕状孔结构的多孔金属材料。
3 泡沫铝材料的应用
3.1 泡沫铝材料作为结构材料的应用 由于泡沫铝自身高孔隙率、轻质和高比强度的特性，使其可以作为轻质的复合夹芯管或夹层板的理想的填充材料，克服传统蜂窝夹层材料的各向异性。除此之外，还用于汽车零件中的组成材料，可促进汽车行业的发展。除此之外，泡沫铝材料还用于航空航天领域，波音公司尝试将其制成直升飞机的尾架。其在建筑领域的应用也不可小觑，研究人员将泡沫铝材料制成又轻又硬且耐火的元件、栏杆或支撑体。
3.2 泡沫铝材料作为功能材料的应用 具有良好的能量吸收和阻尼是泡沫铝材料的一个优势性能，所以可用于制成吸收及减震材料，例如在汽车的保险杠、航天中返回舱及登月舱的缓冲材料、宇宙飞船的升降机等得以应用。利用泡沫铝材料的消声减震特性及阻尼特性，可取代传统的吸声材料，可用于建筑行业的办公设备、无线电的录音室、汽车、火车减震、消声等。此外，泡沫铝还能用作电磁屏蔽材料，尤其是可以在电磁波高频区体现良好的屏蔽性，目前广泛用于建设电子装备室和电子仪器的屏蔽材料。泡沫铝材料还具有良好的流体传输动力，在航空设备的热交换器、能源动力用紧凑式散热片以及空气冷却用冷凝塔等设备中采用这种泡沫金属可增强其热交换能力。除此之外，泡沫铝材料还可用作隔热材料及过滤材料等等。
4 结语
由于泡沫铝具有各方面的优异性能，使得国内外学者对其制备方法进行了广泛的研究，使得其应用范围越来越广泛。但是从国内外研究现状来看，国外发展较快，我国对于泡沫铝的制备技术较为成熟，但是在工业化生产中仍存在许多问题，使其的应用领域受到了限制，多数的应用研究仍处于实验室研究阶段。因此，我国的相关技术人员应对其工业化生产方面及推广应用方面进行更加深入的研究，从而推动相关产业的发展。
参考文献：
[1]尚保卫.通孔泡沫铝的新工艺制备及其力学声学性能研究[D].长沙：中南大学，2008.
[2]项苹，程和法，莫立娥，等.开孔泡沫铝的电磁屏蔽性能[J].金属功能材料，2008，15（1）：12-15.
[3]王展光，蔡萍，应建中，等.闭孔泡沫铝的力学性能和吸能能力[J].材料导报：研究篇.2012，26（5）：152-154.
高中化学无机非金属材料教案
高中化学无机非金属材料教案 知识目标： 1．对无机非金属材料有一个大致的印象； 2．认识到化学在现代社会、现代科技中的.重要作用。 能力目标：培养阅读、归纳、总结的自学能力。 教学重点：新型无机非金属材料的特点。 教学过程： 展示玻璃刀 [提问]：玻璃刀为什么能切割玻璃？它的刀头是什么材料制作的？ 因为天然金刚石很少，一般用人造金刚石。 人造金刚石、人造红宝石、光导纤维都是新型无机非金属材料。 [讲述]：无机非金属材料 传统无机非金属材料：硅酸盐材料 新型无机非金属材料：半导体、发光材料等 下载地址：www.huaxuefudao.com/DatumInfo-2570.aspx金属铝的生产方法新进展
摘要：现代金属铝的生产工艺主要是冰晶石—氧化铝熔盐电解法工艺。氧化铝的生产方法有多种，工业上用的主要是拜耳法生产氧化铝，也有用拜耳烧结联合法等工艺处理低品位铝土矿。电解过程是在电解槽中进行。直流电通入电解槽，槽内阴阳两极发生电化学反应，阴极生成金属铝液，阳极生成CO和CO2气体。铝液定期用真空抬包吸出，经过净化澄清后，浇注成商品铝锭。阳极气体经净化后，废气排空，回收的氟化物返回电解槽。关键词：拜耳法；铝电解；氧化铝；反应 绪论 1.1引言
1854年，法国化学家德维尔把铝矾土、木炭、食盐混合，通入氯气后加热得到NaCl·AlCl3复盐，再将此复盐与过量的钠熔融，得到了金属铝。直到1886年，美国的豪尔和法国的海朗特，分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的混合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。
1.2铝元素
铝位于元素周期表中第三周期第IIIA族，相对密度2.70。熔点660℃。沸点2327℃。铝在地壳中分布很广，铝的活泼性强，不易被还原，在干燥空气中铝的表面立即形成厚约50埃的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水；但铝的粉末与空气混合则极易燃烧；熔融的铝能与水猛烈反应；高温下能将许多金属氧化物还原为相应的金属；铝是两性的，即易溶于强碱，也能溶于稀酸。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于这种新金属铝的生产和应用。应用极为广泛。
1.3铝的性质
铝具有很大的强度质量比,铝的强度随温度降低而增大。铝具有良好的防腐蚀性能。在空气中，铝表面生成一层厚度约2×10-5cm，光滑的硬氧化铝薄膜，紧紧粘附在铝表面。铝是优良的导电材料，具有良好的导热性能。铝的另一个重要特性是能够和多种金属构成有用的合金。
金属铝的生产方法新进展 2铝土矿
铝土矿是含铝矿物和赤铁矿、针铁矿、高岭石、锐铁矿、金红石、钛铁矿等矿物的混合矿，一般是指工业上能利用的，以三水铝石、一水软铝石或一水硬铝石为主要矿物所组成的矿石的统称。铝土矿是生产金属铝的最佳原料。我国铝土矿资源比较丰富，分布甚广，并根据本国的铝矿资源特点，发展出多种氧化铝生产方法。50年代初就已用碱石灰烧结法处理铝硅比只有3.5的纯一水硬铝石型铝土矿,开创了具有特色的氧化铝生产体系。用中国的烧结法,可使Al2O3的总回收率达到90%；每吨氧化铝的碱耗(Na2CO3)约 90公斤；氧化铝的SiO2含量下降到0.02～0.04％；而且在50年代已经从流程中综合回收金属镓和利用赤泥生产水泥。60年代初建成了拜耳烧结混联法氧化铝厂，使Al2O3总回收率达到91％，每吨氧化铝的碱耗下降到60公斤，为高效率地处理较高品位的一水硬铝石型铝土矿开创了一条新路。中国在用单纯拜耳法处理高品位一水硬铝石型铝土矿方面也积累了不少经验。
2.1铝土矿处理方法
从铝矿提取铝有两个方案，第一个方案是选用高品位铝土矿，先用化学方法从矿石中提取纯净的氧化铝，然后用电解法从氧化铝中提取纯净的铝。第二个方案是选用低品位的铝土矿，经过物理选矿，分离掉一部分硅酸盐矿物后，送入溶出流程中去，提取氧化铝；或者用化学法分离掉一部分氧化铁和氧化钛后，在电解槽或电弧炉内还原出铝-硅-铁-钛合金。
2.2我国铝土矿特点
（1）储量集中于煤或水电丰富的地区，有利于开发利用。山西、贵州、河南和广西壮族自治区储量合计占全国储量的85.5%，加上其煤炭和水利资源，为其提供了发展铝工业的有利条件。
（2）矿床类型以沉积型为主，坑采储量比重较大。
（3）一水硬铝石型矿石占绝对优势。其特点是高铝、高硅和低铁，铝硅比偏低，一般在4~7之间，铝硅比在10以上的相对少些。在福建、河南和广西有少量的三水铝石型铝土矿。
3氧化铝的生产
金属铝的生产方法新进展 氧化铝，又称三氧化二铝，分子量101.96，通常称为“铝氧”，是一种白色无定形粉状物，俗称矾土。生产氧化铝的方法有酸法、碱法、酸碱联合法、热法。
3.1碱法生产氧化铝
碱法生产氧化铝，就是用碱(NaOH或Na2CO3)处理铝土矿，使矿石中的氧化铝水合物和碱反应生成铝酸钠溶液。铝土矿中的铁、钛等杂质和绝大部分的二氧化硅则成为不溶性的化合物进入固体残渣中。这种残渣被称为赤泥。铝酸钠溶液与赤泥分离后，经净化处理，分解析出A1(OH)3，将A1(OH)3与碱液分离并经过洗涤和焙烧后，即获得产品氧化铝。
碱法生产氧化铝一般有拜耳法、烧结法和拜耳烧结联合法。
3.1.1拜耳法
拜耳法生产氧化铝的基本原理是：
（l）用NaOH溶液溶出铝土矿，所得到的铝酸钠溶液在添加晶种、不断搅拌的条件下，溶液中的氧化铝呈氢氧化铝析出，即种分过程。
（2）分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的铝土矿，即溶出过程。
交替使用这两个过程，就能够每处理一批矿石便得到一批氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。
用反应方程式表示如下：
Al2O（2NaOH＋aq 31或3）H2O＋2NaAlOH4＋aq
拜耳法生产氧化铝一般有原矿浆制备→高压溶出→赤泥分离、洗涤→晶种分解→氢氧化铝分离、洗涤→氢氧化铝焙烧等工序。
3.1.2烧结法
烧结法生产氧化铝的基本原理是将铝土矿与一定量的纯碱、石灰（或石灰石）配成炉料在高温下进行烧结，使氧化硅与石灰化合成不溶于水的原硅酸钙2CaO·SiO2，氧化铝与纯碱化合成可溶于水的固体铝酸钠Na2O·Al2O3，而氧化铁与纯碱化合成可以水解的铁酸钠Na2O·Fe2O3，将烧结产物（熟料）用稀碱溶液溶出时Na2O·Al2O3便进入溶液，Na2O·Fe2O3水解放出碱，氧化铁以水合物
金属铝的生产方法新进展 与原硅酸钙一道进入赤泥。再用二氧化碳分解铝酸钠溶液便可以析出氢氧化铝。经过焙烧后产出氧化铝。分离氢氧化铝后的母液成为碳分母液（主要成分为Na2CO3），经蒸发后返回配料。
烧结法生产氧化铝工序一般为：生料浆的制备→熟料烧结→熟料溶出→铝酸钠溶液脱硅→碳酸钠分解→氢氧化铝分离、洗涤→氢氧化铝焙烧→碳分母液蒸发。
3.1.3拜耳烧结联合法
拜耳烧结联合法可充分发挥两法优点，取长补短，利用铝硅比较低的铝土矿，求得更好的经济效果。联合法有多种形式，均以拜耳法为主，而辅以烧结法。按联合法的目的和流程连接方式不同，又可分为串联法、并联法和混联法三种工艺流程。
（1）串联法是用烧结法回收拜耳法赤泥中的Na2O和Al2O3于处理拜耳法不能经济利用的三水铝石型铝土矿。扩大了原料资源，减少碱耗，用较廉价的纯碱代替烧碱，而且Al2O3的回收率也较高。
（2）并联法是拜耳法与烧结法平行作业，分别处理铝土矿，但烧结法只占总生产能力的10～15％，用烧结法流程转化产生的NaOH补充拜耳法流程中NaOH的消耗。
（3）混联法是前两种联合法的综合。此法中的烧结法除了处理拜耳法赤泥外，还处理一部分低品位矿石。
3.2酸法生产氧化铝
酸法生产氧化铝是用无机酸溶出黏土中氧化铝的生产方法。用各种无机酸溶出处理黏土时，原料中氧化硅基本不与酸反应，而得到含铁的铝盐酸性水溶液。经过除铁净化后，可通过不同的方法得到铝盐水合物结晶或氢氧化铝结晶，进一步煅烧可得到氧化铝。
3.2.1硫酸法
硫酸法生产氧化铝，用m（SO3）: m（Al2O3）=2.6的含铁的硫酸铝溶液，在403K的温度下溶出过量的焙烧过的高硅铝土矿，得到m（SO2）: m（Al2O3）=1.8~1.9的硫酸铝溶液和吸附了铁的残渣。分离残渣后往硫酸铝溶液中通入SO2，金属铝的生产方法新进展 将三价铁还原成二价铁，再在573K的温度下，使硫酸铝水解析出碱式硫酸铝。在1423K的温度下煅烧碱式硫酸铝得到成品氧化铝和含SO3较高的气体。气体用水解母液吸收后在453K温度下将上述吸附了铁的残渣中的氧化铝充分溶出后，得到m（SO3）: m（Al2O3）=2.6的硫酸铝溶液，再用于溶出下一批矿石。
3.2.2盐酸法
盐酸法生产氧化铝是用浓硫酸处理含铝原料得到硫酸铝溶液，进而冷却结晶析出杂质含量高的硫酸铝，然后用盐酸溶解硫酸铝，同时通入HCl气体使溶液饱和，使溶液中以很纯的AlCl3·6H2O析出。经过洗涤后，在1373~1473K的温度下煅烧获得纯度比拜耳法还高的氧化铝成品和可再生盐酸的含HCl气体。
4铝电解
现代铝工业生产，采用冰晶石—氧化铝熔盐电解法。氧化铝作溶质，冰晶石作溶剂，氧化铝溶解在冰晶石中形成电解质，以炭素材料作电极，通入电流，在电解槽内的两极上进行电化学反应，即电解过程。
氧化铝是铝电解生产中的主原料，铝电解对于氧化铝的要求，一是它的化学纯度，再就是其物理性能。冰晶石的分子式为Na3AlF3，它是溶剂的主要成分。铝电解生产中所用的冰晶石分天然和人造两种。天然冰晶石的储量很少，远远不能满足铝工业的需要，所以现代铝工业采用人造冰晶石。在铝电解生产中，氟化铝是冰晶石—氧化铝熔体的一种添加剂。它的作用是可以弥补电解质中氟化铝的损失，又可以调整电解质的分子比，主要用于降低熔体的分子比，降低电解温度。以保证生产技术条件的稳定。其次还需要添加氟化钙、氟化镁、氟化钠和碳酸钠等用来调整和改善电解质性质的添加剂。
4.1电解质
在铝电解生产中，连接阳极和阴极之间不可缺少的熔盐体叫电解质，它主要是以冰晶石为熔剂，氧化铝为熔质而组成。但在现代铝工业生产中使用的电解质并非单纯的冰晶石和氧化铝。因为冰晶石和氧化铝含有一定数量的杂质成分，如：氧化钠、氧化铁、氧化硒和氧化钙等。另外，在电解生产中，为了改善电解质的物理化学性能，有利于提高电解生产指标，还向电解质中加入某些添加剂，如，氟化铝、氟化镁、氟化锂、氯化钠等。
金属铝的生产方法新进展 熔融的冰晶石能够较好的熔解氧化铝，而且所构成的电解质可在冰晶石的熔点1008℃以下进行电解，从而也降低了氧化铝的还原温度。在电解温度下，熔体状态的冰晶石或冰晶石-氧化铝熔液的比重比铝液的比重还小约10%，它能更好地漂在电解出来的铝液上面。冰晶石—氧化铝熔体具有较好的流动性和良好的导电性。
4.2铝电解槽
铝电解槽是炼铝的主体设备。电解槽槽型有两种：（1）自焙阳极电解槽：上插式、侧插式；（2）预焙阳极电解槽：不连续、连续式。自焙槽和预焙槽比较：
（1）在电解过程中，阳极大约以0.8~1.0 mm/h速度连续消耗，自焙槽可连续使用，而预焙槽不能连续使用，须定期更换；
（2）自焙槽散发氟化物，沥青烟气，而预焙槽不散发烟气，污染环境；（3）预焙槽具有槽型大型化、操作机械化和自动化、电流效率高、电耗率低、烟害小的优点。
4.3铝电解的两极反应：
铝工业上均采用炭素材料作电极——炭阳极和炭阴极。电解对阳极的要求：
(1)导电率高，以降低阳极电阻；
(2)导热率低以降低糟的热损失，降低阳极上部的氧化速度和防止电解质界面凝固；
(3)热稳定性和化学稳定性良好，使阳极能够在高温和腐蚀性的环境下工作；(4)杂质含量低，防止对金属铝的污染；(5)适宜的机械性能，以便经受粗糙的搬运；(6)合适的密度和空隙率，减少金属铝的侵入；(7)气体渗透率低，减少阳极内部氧化；(8)应有适宜的抗热震性。
在电解过程中，炭阴极原则上是不消耗的，炭阳极由于直接参与电化学反应而消耗。阳极的作用主要有：导电和参加电解时的化学反应和电化学反应。
金属铝的生产方法新进展 在电解过程中，阳极是消耗的，其理论消耗是334kg/t·Al，而实际消耗一般为380~450kg/t·Al，这与阳极质量、电解技术条件有关。降低阳极消耗可以提高铝厂的电流效率、降低电耗和增加铝产量，从而提高经济效益。
阴极反应：
Al3(配离子)3eAl
阳极反应：
2O2(配离子)C－4eCO2
总反应：
2Al2O33C4Al3CO2
4.4铝电解的生产过程
铝电解槽全部生产过程包括三个阶段：焙烧期、启动和启动后期、正常生产期。
（1）铝电解槽的焙烧期
焙烧期在于焙烧自焙阳极（对预焙槽则是加热阳极）以及加热阴极，达到900~1000℃，以便下一步启动。自焙阳极新槽采用焦粒焙烧法，预焙阳极槽采用铝液焙烧法。
（2）铝电解槽的启动期
启动期在电解槽内熔化电解质，开始铝电解。分干式和常规启动两种。干式适用于启动新系列中的头几台槽，当时厂房内无现成的熔融电解质和铝液，只好在新槽内熔化所需的电解质和铝；常规启动适用已有电解槽生产，在开始时从正在进行铝电解槽内取出电解液和铝液倒入新启动的槽内，以加速启动过程。
（3）铝电解槽的正常生产期
电解槽经过焙烧和启动之后便进入正常生产期，直到停槽为止，正常生产期通常延续5~7年。
4.5铝电解用惰性电极 4.5.1惰性阳极
金属铝的生产方法新进展 采用惰性阳极取代炭阳极,在冰晶石熔液中的溶解度小，在高温下具有良好的导电性，为电解铝工业带来巨大的环境效益和经济效益。迄今为止,大多数惰性阳极材料的研究主要集中在金属或合金、金属氧化物陶瓷以及金属陶瓷方面。
金属(合金)具有良好的导电性、强度和抗热震性等优点,是较理想的铝电解阳极材料。但除某些贵金属外,金属阳极在铝电解槽的生产环境中不能充分抵御冰晶石熔体腐蚀和阳极产生的高温氧气的氧化。
氧化物陶瓷材料由于其显著的化学惰性而倍受关注。但几乎所有的氧化物在冰晶石熔体中都会有不同程度的溶解,其中SnO2 基氧化物、尖晶石类和CeO2涂层溶解速度缓慢被作为阳极材料的首选。
金属陶瓷集中了陶瓷材料(低的腐蚀速率和抗氧化性)和金属材料(良好的导电性和较高的抗热冲击强度)的优点, 其氧化物基体形成抗腐蚀网络,网络中的金属相增强了材料的导电性,被看作是最有前途的惰性阳极的材料。
4.5.2惰性阴极
采用惰性阴极材料时，铝离子可以直接在惰性阴极上放电生成铝。槽内积存的铝液不再用阴极，所以铝液涌动所致的波峰减弱，两极间距可以明显减弱，从而节省电能。铝液还能良好地湿润惰性阴极，使槽内氧化铝沉淀物不能停留在阴极表面上；铝液从阴极上淌下来汇集在槽内凹沟中减轻了槽生产操作中磁流体搅动的各种干扰，提高电能效率。
4.6铝电解过程的两极副反应 4.6.1阴极副反应
（1）铝的溶解和损失：
金属铝部分地溶解在冰晶石熔体中。一般认为，阴极铝液在电解质里的溶解有以下几种情况：
①溶解在熔融冰晶石中的铝，生成低价铝离子和双原子的钠离子。
2AlAl33Al Al6NaAl33Na
②在碱性电解质中，铝与氟化钠发生置换反应。
Al3NaFAlF33Na
金属铝的生产方法新进展 ③铝以电化学反应形式直接溶解进入电解质熔体中
Al(液)eAl
此外，铝也可能以不带电荷状态溶解在电解质中，构成金属雾。(2)金属钠的析出
电解过程中阴极的主反应是析出铝而不是钠，因为钠的析出电位比铝低。但是，随着温度升高，电解质分子比增大，氧化铝浓度减少，以及阴极电流密度提高，钠与铝的析出电位差越来越小，而有可能使钠离子与铝离子在阴极上一起放电，析出金属钠：
Na＋e＝Na
此外，在碱性电解质中，溶解的铝也可能发生下列反应而置换出钠：
Al＋6NaFNa3AlF6＋3Na
析出的钠少部分溶解在铝中，剩下的一部分被阴极炭素内衬吸收，一部分以蒸汽状态挥发出来（钠的沸点为880℃），在电解质表面被空气或阳极气体所氧化，产生黄色火焰。可能的反应为：
4Na＋O2＝2Na2O 2Na＋CO2＝Na2O＋CO 2Na＋CO＝Na2O＋C
4.6.2阳极副反应
冰晶石—氧化铝熔盐电解在电解过程发生主反应的同时，伴随着一系列副反应，主要发生如下反应：
2Al（溶解的）＋3CO2Al2O3十3CO
此外，由于碳阳极散落掉渣，分离后飘浮在电解质表面，当二氧化碳气体与这些碳渣接触时，会发生还原反应而生成一氧化碳。
C＋CO2＝2CO
4.6.3阳极效应
阳极效应是铝电解过程中发生在阳极上的一种特殊现象。当其发生时，阳极
金属铝的生产方法新进展 上出现许多细小的电弧，发出轻微的噼啪声，此时槽电压已从正常值（如4.2V)升高到数十伏。阳极效应也在其它种类的熔盐电解中发生，例如钙电解，但在铝电解中最普遍。阳极效应对铝电解生产有利也有弊。
阳极效应发生时可以利用效应来检查电解槽的生产状态是否正常；冷槽时可用效应提供热量调整热平衡；偶尔发生阳极效应对清理电解质中的碳粒和阳极底掌是有益的。但是阳极效应的发生会增加电能消耗和各种原材料的损失，影响槽内铝质量；影响系列的供电稳定，尤其在供电容量额定的情况下，效应过于频繁易造成供电和生产之间的恶性循环，这样既影响供电又影响生产的正常进行；增加劳动量，恶化场所，打乱作业计划。
阳极效应对铝电解生产利少弊多，所以，一般把效应系数控制在较低范围内。
4.7铝电解的电流效率
铝电解的电流效率通常是指阴极上实际产出的铝量对于理论上按照法拉第定律计算的铝量的百分数。它是铝电解的一个重要的基本生产指标，涉及到铝电解槽的产量与能耗，而这两者对铝生产的成本有直接影响。
现代大型预焙阳极电解槽的电流损失，造成电流效率降低，主要原因是：（1）二次反应，即电解出来的铝又溶解或机械混入到电解质中，并被循环着的电解质带到阳极空间或电解质表面，为阳极气体中的CO2或空气中的氧所氧化。这是电流效率降低的基本原因。这一现象在压铝，两水平波动较大，电解质温度过高或低时最明显。
（2）其它离子的放电。这里主要是钠离子放电生成钠原子，由于钠原子在电解质中溶解度很小，加之本身沸点很低，大部分将以气体状态蒸发或渗入槽底。这一现象在分子比较高时容易发生。
（3）电流空耗，包括Al3+不完全放电，以及电解质时的V5+、P5+、Ti4+等高价离子不完全放电生成相应的低价离子被电解质转移到阳级空间后，又再氧化成高价离子，即：
Al3 2e Al
（阴极上）Al 2e Al3
（阳极上）
如此循环，造成电流空耗。这种现象在阴极表面的电子密度（即电流密度）
金属铝的生产方法新进展 较小时，如炉温过高、化炉膛时，或整流所突然限电时比较明显。
（4）漏电，通常是炉帮结壳熔化，并且电解质面上有大量炭渣时发生，即电流有可能连接槽壳与格子板之间，及铁渣箱体与槽壳接触等均可造成漏电损失。
电流效率的影响因素有：电解质温度、极距、电解质成分、电流密度、铝液高度。既然电流效率降低的主要原因是熔解铝的再氧化（二次反应）损失，那么提高电流效率的措施可以从控制铝损失过程中探索，具体措施有：
（1）在适当低的过热温度下进行电解；
电解质温度正常与否，对电解槽电流效率等工作指标有着决定性的影响，根据我厂实践中的多次测量表明，电解质温度每升高10℃，电流效率大约降低1~2%。电解质温度过低会使电解质发粘，致使铝珠与电解质分离困难，反而易于铝的损失，使电流效率降低。
（2）建立和保持理想的槽膛内型；
极距增大，电解质搅拌强度将减弱，因为相同的阳极气体量所搅拌的两极间的液体量增加，搅拌减弱，则使扩散层厚度增加，使用使铝损失减少，电流效率提高。但极距超过某一限度，电流效率变化不大，因此，力求使极距保持在实际所能允许的最小值，否则随着极距增加，不但不能提高电流效率，反而使槽电压徒然升高，加大电耗、最终还是不利于降低产品成本。
（3）电解质成分；
当CR（NaF/AlF3之重量比）小于1.5，有过剩AlF3时，电流效率开始提高，这是由于此时铝液与电解质之间界面张力增大，有利于分散于电解质中的铝珠汇集，且铝的溶解度减小的缘故。同时在酚性电解质中，Na+的放电及铝自电解质中取代钠的反应减弱；但电解质过酸，又使生成低价氟化铝反应增强，增加铝的损失。因此，铝电解生产一般采用弱酸性电解质，其分子比（CR）在1.25~1.35之间。
（4）Al2O3浓度；
在冰晶石—Al2O3熔体中，在5%（重量）Al2O3时，电流效率最低，大于或小于此电流效率均能升高，大型预焙槽生产，采用Al2O3浓度：2.5~3.0%较适宜。
（5）电流密度；
金属铝的生产方法新进展 为了取得较高电流效率，阴极电流密度不能过高，也不能过低，因为阴极电流密度过低时，由于单位阴极面积上的电子密度过小，Al3+产生不完全放电；阴极电流密度过高时，则发生Na+大量放电，两者都会造成电流无谓的消耗，从而降低了电流密度。因而阴极电流密度有一个对应最高电流密度的临界值—临界阴极电流密度。
阳极电流密度增大，阳极气体的析出量增加，对电解质液搅拌加强，使溶解金属的扩散系数增大，二次反应加快，电流效率将降低；阳极电流密度减小时，阳极气体的析出排出的速度减弱，搅拌减小时，电流效率提高，但阳极电流密度保持过小，则系列电流强度也将变小，不利于强化生产，最终电流效率也无法保证。
（6）尽可能使槽内铝液保持平静并处于一定水平；
槽内铝液水平较高时，则可较快地使这部分多余的热量疏导出去，从而减少阳极下部和侧部温度差，避免二次反应，从而提高电流效率。但铝液水平过高不仅使炉膛炉温偏低，阴极电流密度增大，降低电流效率，而且传热量加大、热损失过大、也使电耗增加。
（7）选用低熔点的电解质组成，使用惰性的可湿润阴极，如二氧化硼涂层阴极。
4.8铝电解的电能效率
所谓电能效率是指在电解槽生产一定量铝时，理论上应耗电能（W理）与实际消耗电能（W实）之比。以百分数表示：
电能（%）=W理100% W实理论电耗是指为了使电解过程能连续而稳定地进行，理论上应付出的最低电能。铝电解槽的槽工作电压主要由以下几部分组成：氧化铝的实际分解电压、阳极电压降、阴极电压降、电解质电压降、母线电压降和阳极效应分摊电压降。
4.8.1铝电解的节能措施
铝电解的节能根本途径是降低槽平均电压和提高电流效率。提高电流效率的措施前文已提及，下面主要是降低槽平均电压的措施：
铝电解槽的槽工作电压主要由以下几部分组成：氧化铝的实际分解电压、阳
金属铝的生产方法新进展 极电压降、阴极电压降、电解质电压降、母线电压降和阳极效应分摊电压降。
（1）减小电解质电压降。
电解质的电压降与其电阻率、阳极浸入电解质的表面积、铝液镜面面积、极间距离等因素有关。其中最主要的是电阻率和极间距离。
① 电解质的电阻率
在工业电解槽内经常有碳渣，主要是从阳极上掉下来的，炭渣越细夹杂在电解质里的数目越多，电解质导电率所受的影响越大。所以，采用弱酸性电解质并添加能够减小电解质对于炭粒湿润性的物质如CaF2和MgF2，使炭渣漂浮起来。
可以在预焙槽上用氧化铝或电解质颗粒覆盖在阳极上保护阳极，而在自焙槽上放置淌糊。在电解质里还有悬浮的固体氧化铝也会增大电解质的电阻率，所以应严格控制其数量。另外，添加锂盐或NaCl也能够提高电解质的导电率。
② 适当缩短极距
据工业电解槽测定，每1cm极距所对应的电解质电压降，侧插棒槽为400~450mV，预焙槽为300~330mV。因此，改进槽体结构材料，极距可大幅降低，进而可节省电能。
（2）减小极化电压
极化电压包括理论可逆分解电压、阳极过电压和阴极过电压等部分。可以增大阳极截面积以减小其电流密度，或者添加锂盐，增大阳极活性，在电解质内添加碱土金属卤化物，或添加AlF3、增大Al2O3浓度都有助于减小阳极过电压。
（3）在现有的电解槽上加大导电母线的截面积
导线电压降取决于其电阻率、电流密度和长度。可以加大导线的截面积，减小电流密度，进而使其电压降减小。
（4）改善导体接触点
在电解槽中，金属导体之间的接触点很多，所以消耗电能很大，需要改善。压接点应定期清刷，焊接点亦应保持平整，可使电压降减小。
（5）减小阳极电压降
可以扩大现有阳极的截面积，即充分利用槽壳增大阳极在槽膛内的填充率。这样在不增加铝损失的情况下降低槽电压。
（6）减小阴极电压降
金属铝的生产方法新进展 阴极电压降是指从铝液至阴极棒头这段导体中的电压降。改善阴极棒的电流分配状况可以减小阴极电压降。
（7）减小阳极效应
发生阳极效应所升高的平均电压为：
V效应=k(V效应V工作)效应1440
减少阳极效应次数并缩短效应时间，可以节能省电。在生产上采取勤加工少下料的操作方法 以减少阳极效应的发生。
（8）电介质温度
随着电解质温度降低，会发生
① 靠近阴极的电解质中溶解铝的浓度降低；
② 黏度增大，阴极气体体积减小，从而使扩散层厚度增加； ③ 扩散系数减小。
这些使溶解铝扩散速度减小，使铝损失降低，提高电流效率。
5铝的精炼 5.1铝的纯度分类
(1)原铝。通常是指用熔盐电解法在工业电解槽内制取的铝，其纯度一般为99.5%~99.85%。
（2）精铝。一般来自三层液精炼电解槽。在精炼槽内，原铝和铜配成的合金作为阳极，冰晶石-钡盐熔液作为电解质，析出在阴极上的精铝，其纯度通常在99.99~99.999%。
（3）高纯铝。主要用区域熔炼法制取。选用精铝作原料，得到杂质质量分数不超过1×10-6的高纯铝。高纯铝还可用有机铝化合物物电解与区域熔炼相结合的方法制取。
5.2铝液净化
往铝液中通入惰性气体(如氮气)或活性气体(氯气)，可使铝液中的固态夹杂物吸附在气泡上，并随气泡上升至铝液表面,最后在过滤层中分离。
净化方法：在低温（刚刚熔点以上）长时间静止或通入氮气加以搅拌，清
金属铝的生产方法新进展 除氢。通入氯气，与铝反应生成氯化铝气泡。比氮气效果好。
5.3铝的精炼方法 5.3.1铝的电解精炼原理
电解精炼的最终结果是从阳极合金中溶解出来，并在阴极上沉积，得到纯度为99.99%的精铝。在阳极合金的各种金属元素当中，只有铝在阴极上溶解出来。阳极合金中，如铜、铁、硅之类比不活泼的金属元素，并不溶解，仍然残留在合金内。阳极上的电化学溶解反应是：
Al3eAl3
因此，电解液中除了原有的Al3+、Ba2+、Na+、F-、Cl-、AlF3-
6、AlF4-之外，增加了上述反应中的铝离子Al3+。
迁往阴极的各种阳离子中，铝的电极电位比较正，故Al3+优先在阳极上获得电子，析出金属铝：
Al33eAl
而其余的各种阳离子，如Ba2+，Na+之类，并不放电。但是电解质本身所含的电位比铝更正的元素，例如Si和Fe，却会在阴极上析出，使铝的纯度降低。
5.3.2铝的偏析法精炼原理
一般当原铝从熔融状态下徐缓冷却，到达其初晶点时，结晶析出纯度很高的铝粒，然后将此种铝粒跟剩余的铝液分离，便得到所要求的偏析法产物，可从99.8%的原铝中提取到纯度为99.95%的铝，其提取率为5~10%。
偏析法精炼铝具有产量大、能耗低、成本低的优点，但是这种方法生产的精铝纯度较低。
5.3.3 区域熔炼法制取高纯铝
在铝的凝固过程中，杂质在固相中的溶解度小于在熔融金属中的溶解度，因此，当金属凝固时，大部分杂质将汇聚在熔区内。如果逐渐移动熔区，则杂质会跟着转移,最后富集在试样的尾部。这种方法的分离效果取决于元素的分配系数。
分配系数是指杂质元素在固相中和在液相中的质量分配比率。分配系数小于1的杂质元素在区域熔炼中富集在试样的尾部；分配系数大于1的杂质元素在区
金属铝的生产方法新进展 域熔炼中富集在试样的头部；分配系数等于1的杂质元素在区域熔炼中难以分离。
金属铝的生产方法新进展 参考文献
§3－1 金属的化学性质(第1课时)【温故知新】
【课堂生成】
1.(自学、讨论)举例说明(初中学习过的或生活中见过的)金属能够与哪些物质发生反应？画出Na、Mg、Al的原子结构示意图，分析金属的原子结构有什么特点？从氧化还原角度推测金属具有什么性质？
2.(自学、讨论)课本P46图3-2有关金属化学性质的一些实验，分别写出四幅图中反应的化学方程式，用“单线桥”或“双线桥”标出电子转移的方向和数目，是离子反应的还要写出离子方程式。
2Al＋3Cu＝2Cu＋2Al＋2＋2＋
3＋
2Mg＋O
2＋
点燃 2＋
2MgO Cu＋2Ag＝Cu＋2Ag
Mg＋2H＝Mg＋H2↑ 【课堂生成】
还有一部分学生把电子转移标错！
【课堂研讨】
2.(观察、思考)将金属钠取出后用滤纸将表面煤油吸尽，并在玻璃片上进行切割，有何现象发生？请写出相应的化学方程式。
变暗
4Na＋O2＝2Na2O 【课堂生成】
1.(观察、思考)把一块绿豆大小的金属钠放在坩埚里，加热，有何现象发生？请写出相应的化学方程式，并标出电子转移的方向和数目。
实验现象：可观察到钠先熔化后燃烧，燃烧时火焰呈黄色，最后留下的固体呈淡黄色 2Na＋O2 △ Na2O2
【课堂生成】
2.(观察、思考)点燃镁条时为什么要用砂纸打磨？有何现象发生？请写出相应的化学方程式。
除去氧化膜，便于点燃；发出耀眼的白光；2Mg＋O
2点燃 2MgO 【课堂生成】
【课堂生成】
学生回答问题，不能用课本上的语言回答，造成会而不得分。
3.(观察、思考)将铝粉撒到酒精灯火焰上，可观察什么现象？写出相应的化学方程式。
发出耀眼的火星；2Al＋3O
2点燃 2Al2O3
【课堂生成】
4.(思考、讨论)铝比铁活泼，为什么日用铝制品可以较长时间使用，而日用铁制品容易生锈？为什么不宜用钢刷、沙等来擦洗铝制品？
5.(观察、思考)在小烧杯中加入约1/2的水，滴入1～2滴酚酞溶液，将切好的钠投入到水中，盖上表面皿。
⑴观察有何现象？(★观察时应注意几方面内容：钠在水中的哪个部位反应，形态有何变化，如何运动，发出怎样的声音，溶液颜色有何变化？)实验现象：钠浮在水面，熔成小球并在液面上迅速游动；钠球周围有水雾，有时可能有火花，或伴有爆鸣声；钠球在反应中逐渐变小，最后消失；加有酚酞的溶液变成红色。【课堂生成】
⑵上述现象分别体现了金属钠的什么性质？
现象 熔（溶化成小球）浮（浮在水面上）游（四处游动）鸣（发出嘶嘶的响声）红（滴入酚酞，溶液变红）【课堂生成】
⑶从实验和理论两个方面分析生成的气体可能是什么？如何验证？请写出化学方程式和离子方程式。
结论或原因 反应放热，钠的熔点低。
钠的密度小。
产生的氢气不均匀，推动小球。产生的氢气冒出时发出声音
产生了碱性物质。
【课堂生成】
⑷钠既能与氧气反应，又能与水反应，那么钠应该如何保存呢？钠着火应该怎么扑灭？ 大量的钠用石蜡封，少量的钠可以放在煤油中； 用沙土盖来 【课堂生成】
在此播放镁与CO2的反应，让学生推理出钠也与CO2反应，所以不能用CO2灭火。
【课堂生成】
【巩固练习】
1.铝在空气中能够稳定存在的原因是
A.铝的化学性质稳定
B.铝的还原性差 C.铝在常温时与氧气不反应
D.铝表面有氧化膜
将钠、镁、铝各0.3 mol分别放入100 mL 1 mol·L的盐酸中，在同温、同压下产生的气体体 积比是
A.1∶2∶3
B.6∶3∶2
C.3∶1∶1 D.1∶1∶1 2.下列关于金属铝的叙述中，说法不正确的是
A.Al 是地壳中含量最多的元素
B.Al 是比较活泼的金属，在化学反应中容易失去电子，表现还原性 C.Al箔在空气中受热可以熔化，且发生剧烈燃烧
D.Al箔在空气中受热可以熔化，由于氧化膜的存在，熔化的Al 并不滴落
－14.2.3g纯净金属钠在干燥空气中被氧化后得到3.5g固体，由此可判断其氧化物是
A.只有Na2O B.只有Na2O2 C.Na2O和Na2O2
D.无法确定 3.取一小块金属钠用滤纸吸干表面的煤油，放在燃烧匙中加热，下列实验现象，描述正确的是
①钠先熔化；②在空气中燃烧，有黄色火星四射；③燃烧后得到白色固体；④燃烧时火焰为黄色；⑤燃烧后生成淡黄色固体；⑥不能燃烧
A.①② B.①②③
C.①④⑤ D.④⑤ 4.地壳中含量最多的金属元素和非金属元素组成的化合物的化学式是
A.CuO
B.Al2O3
C.Fe2O3
D.SiO2 5.将钠加入到下列溶液中，既产生气体又产生白色沉淀的是
A.盐酸
B.氯化钠
C.氯化铜
D.氯化镁
6.将一小块钠投入到盛有煤油和水的烧杯中,观察到的现象可能是
A.Na在水层反应并四处游动 B.Na停留在煤层中不发生反应
C.Na在煤油的液面上反应并四处游动 D.Na在煤油和水的界面处反应并可能上下跳动 7.一小块金属钠露置于空气中，可能有如下现象发生：①生成白色粉末；②变暗；③生成白色块状固体；④发生潮解变成液体。这些现象的先后顺序为
A.①②③④
B.②④③①
C.②①④③ D.④②③① 8.把4.6 g钠投入到95.6 g水中，假设水无蒸发现象，最终所得溶液中溶质的质量分数是
关键词：发现,冶炼,应用
1铝的发现
铝是地壳中储量居第三位的元素 (约为8%) , 在各种金属元素中铝居首位, 但自然界未发现游离状态的金属铝。1825年丹麦人奥斯特 (H.C.Oersted) 用钾汞齐还原无水氯化铝, 第一次得到几毫克金属铝, 指出它具有与锡相同的颜色和光泽。1827年德国沃勒 (F.W.hler) 用钾还原无水氯化铝得到少量铝粉末。1854年法国戴维尔 (S.C.Deville) 用钠代替钾还原Na Al Cl4络合盐, 制得金属铝;同年建厂, 生产出一些铝制头盔、餐具和玩具。当时铝的价格接近黄金。1886年美国霍尔 (C.M.Hall) 和法国埃鲁特 (P.L.T.Héroult) 几乎同时分别获得用冰晶石-氧化铝熔盐电解法制取金属铝的专利。1888年在美国匹兹堡建立世界上第一家电解铝厂, 铝的生产从此进入新的阶段。铝的身价一落千丈。1956年世界铝产量开始超过铜而居有色金属的首位, 成为产量仅次于钢铁的金属。
2铝的冶炼
2.1化学法
铝的工业化生产开始于1855年, 当时法国人戴维尔用钠代替钾还原氯化铝 (Al Cl3) 或氯化钠和氯化铝的熔盐 (Na Al Cl4络合盐) 制得铝
3Na+Al Cl3 (熔融) ====3Na Cl+Al
3Na+Na Al Cl4 (熔融) ====4Na Cl+Al
1 8 2 5年丹麦科学家奥斯特 (H.c oersted) 用钾汞齐还原无水氯化铝制得含杂质较多的几毫克铝。1827年德国科学家沃勒 (F.wohler) 离析得较纯的铝, 并描述了它的很多性质。然而这个金属一直不过是实验室中的一种古董, 到1854年德维尔 (S C.Deville) 用钠作还原剂, 还原Na Al Cl4才制得可以用克计的较纯的铝, 当时的价格比黄金还贵, 拿破伦孙子的一只拨浪鼓与奖给门捷列夫的奖杯就是用铝制的。
2.2电解法
1854年德国人本森 (R.Bunsen) 用电解Na Cl-Al Cl3络合盐即Na Al Cl4熔盐制得了金属铝。1886年美国霍尔 (C.M.Hall) 和法国埃鲁特 (P.L.T.Héroult) 都在当年通过实验申请了冰晶石-氧化铝熔盐电解法的专利, 这就是霍尔-埃鲁特法。这一方法的要点仍是近代铝电解工业的基础[1]。
铝是负电性很强的元素, 不能在含H+离子的介质中, 例如水溶液中电解沉积出来, 因为按电化序, 电解时H2比Al优先析出而不能得到Al。若以Al2O3为炼铝的原料, 其熔点很高 (2050℃) , 欲采用直接熔化提炼铝, 困难很大。但是, 固体Al2O3可以部分地溶解在熔点较低的冰晶石熔融液中, 形成均匀熔体, 并且此熔体具有良好的导电性以利于节能, 熔融的冰晶石具有比Al小的密度, 这样电解质可以浮在熔融Al的上部保护Al不遭氧化, 这就使得铝的电解冶炼能在低于Al2O3熔点较多的条件下得以实现。值得一提是Al2O3在冰晶石中的溶解不是简单的物理溶解而是形成了络合物。因当冰晶石熔体中加入氧化铝后密度变小而已知氧化铝密度却比冰晶石大得多, 这说明了氧化铝跟冰晶石发生了化学反应生成了新的体积庞大的配合离子, 使熔液的密度减小、熔点降低[2]。
当采用活性阳极 (碳阳极) 电解时其电极反应过程为:
A l2O3 (固) 溶解、电离→2 A l3+ (络合状) +3O2- (络合状)
阴极Al3+ (络合状) +3e-→Al (液)
阳极O2- (络合状) -2e-→O (原子)
2O (原子) +C (固) →CO2 (气)
100多年来, 铝电解质一直是以冰晶石为主体, 虽然经过许多试验, 试图用其他盐类来取代, 但都未获得成功。至今, 人们尚未找到一种性能更优于冰晶石的电解质主体成分。因为只有熔融冰晶石对Al2O3才有较大的溶解度 (大于10%) , 其他熔盐不能溶解Al2O3或溶解度很小, 且冰晶石不吸水, 不易潮解, 易于存放, 以及不易于分解、升华等。尽管如此, 但许多研究者将他们的兴趣转向室温或接近室温的铝生产方法的研究。Al Cl3-Na Cl熔盐体系有许多优良的性质, 低的蒸汽压, 相对高的电导率和较大的电化学电势窗口。这些优良的性质有利于Al Cl3-Na Cl熔盐体系作为新法炼铝的电解质。铝在该熔融盐体系中的电沉积是这一研究领域里的重要课题[3]。
3铝的性质和用途
3.1铝的性质
铝是银白色的金属, 纯铝质地柔软, 有良好的可塑性的和延展性, 是电和热的优良导体, 具有面心立方晶格;熔点为660.37℃沸点为2467℃, 密度为2.6989g/cm3 (20℃) 价态为+3。由于金属铝的外表面为一层极为致密的氧化膜 (氧化铝) 所保护, 因此它不易被酸腐蚀, 但能被碱所溶解。
3.2铝的应用
3.2.1运输领域
在航空航天方面, 如果没有铝就不可能有民用航空工业的发展。商用飞机重量的80%为铝, 波音747用铝7.5t, 航天飞机结构中有90%是铝合金。道路运输, 铝合金的强度很高, 还有吸收动能的功能, 并且不生锈, 用1t铝代1t钢铁, 在汽车的生命周期当中, 每辆车可减少排放CO220t;国际上大约90%的轻型卡车和长途巴士都有着铝合金的车身。在运输上, 每车可以减重1800kg, 因此可以装载更多的客货。轨道和海运, 国际知名的加拿大LRC快车、法国TGV高速列车以及日本700系列新干线列车, 旅客车厢都由铝合金做成。最现代的地铁车厢和大多数冷藏车厢都由铝合金制成, 航速为35~50节的高速渡船也由铝合金制成, 采用铝合金已成为短途海运革命性的举措。
3.2.2建筑领域
由于铝在空气中的稳定性和阳极处理后的极佳外观, 使铝在建筑业上被越来越多地广泛应用, 特别是在铝合金门窗、铝塑管、装饰板、铝板幕墙等方面的应用, 新房屋建筑愈来愈多地采用了铝合金产品, 铝的抗腐蚀性意味着它的维修频率低, 它具有质量轻和强度高的特点, 使它成为地震区和超高层楼房的首选材料。铝和太阳能装置的配合成为居家的新型节能材料, 还能保护环境, 因而日益得到重视。此外, 铝的建筑部件都能够回收再生使用。
3.2.3饮食领域
全球约有一半的饮食用具用铝做成, 烹调的热效高达93%, 而不锈钢和铸铁仅及铝的1/3。日常生活所用的锅、盘、匙等大多由铝制成。
此外在电力输送方面, 铝的用量居首位, 90%的高压电导线是用铝制作的;在医药上用作酸药, 有中和胃酸和治疗溃疡的作用等。
参考文献
[1]刘业翔, 李劼, 等.现代铝电解[M].北京:冶金工业出版社, 2008.
[2]李继东, 张明杰, 等.Na3AlF6-Al2O3二元系熔度与熔盐结构[J].材料与冶金学报, 2007, 6 (4) .
关键词：机械合金化；铝基复合材料；纳米尺度
中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）26-0072-02
1 概 述
铝基复合材料具有高比强度和比模量、低热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、较高的高温机械性能以及抗疲劳、耐磨损等优良性能。与钢相比，铝基复合材料的密度仅为钢的三分之一，耐磨性则与铸铁相当；与铝合金相比，导热率与其基本相当，抗拉和抗压强度及弹性模量大幅提高，热膨胀系数有较大幅度的降低。
因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一，在航空航天、汽车、电子和光学仪器、体育用品等领域得到了广泛了应用。
基于进一步提高铝基复合材料机械性能的需求，研究发现，减小增强体颗粒尺寸会增加铝基复合材料的塑性、韧性和强度，因而越来越多小尺寸（约1 μm或更小）的增强体被用来制备铝基复合材料。纳米复合材料被定义为在多相固体材料中，其中一个相（一般为增强体）至少有一个方向其尺寸小于100 nm。在纳米铝基复合材料的制备中，纳米颗粒的特性给使用液相法的制备工艺带了困难，因而固相法更多的被采用，其中最常见的为机械合金化法。
机械合金化（MA）是一种固态粉加工技术，涉及了粉末在高能球磨机中的冷焊、破碎和再冷焊的过程。
在此过程中，一定量的混合粉末装入容器中并放入研磨介质，然后在预定的时间长度内进行高速搅拌。当粉末中含有塑韧性良好的金属材料时，在球磨过程中需要加工过程控制剂（PCA）来避免其因过度冷焊而结块。在球磨结束后，可得到合金化且混合均匀的粉末。
本文以Al2O3、Al3Ti和CNTs为代表增强体，概述了机械合金化制备相应纳米铝基复合材料的研究进展。
2 Al–Al2O3 纳米复合材料
纳米复合材料具有两种不同的制备方法。在第一种方法中，氧化铝增强体通过原位化学反应生成，被称为原位复合材料。在第二种方法中，Al2O3颗粒直接加入铝中，再将混合物一起球磨，以产生纳米复合材料。
一般情况下，原位生成复合材料的界面结合更强，机械性能比非原位生成复合材料要好，但在纳米尺度下性能差异几乎不存在。
2.1 原位法
在原位制备Al-Al2O3 纳米复合材料过程中，最常用的原位反应方程式有：
2Al+3CuO →3Cu+Al2O3
2Al+3ZnO →3Zn+Al2O3
Xi等人研究了Al含量从20%～85%（wt.）范围内，Al和氧化铜的反应球磨。研究表明，当Al含量仅为20%（wt.），发生完全还原反应，反应产物为铜和均匀分散的氧化铝颗粒分散。但是，随着Al含量的增加，会形成铝-铜金属间化合物，如Cu9Al4，CuAl2和Al（铜）固溶体。
同时，细小而分散的氧化铝颗粒进入到了Al基体内。Wu等人研究结果表明球磨铝和10 Wt.%的氧化铜17 h后，Al4Cu9相衍射峰开始出现在X射线衍射图上，并且此析出物经过退火后转化为CuAl2相。
增强相的体积分数过大会造成混合粉末的压制困难。当氧化铜含量降低至5Wt.%，增强体包括析出的大小为100～500 nmCuAl2和10～50 nm的氧化物和碳化物颗粒，Al基体的尺寸大约74 nm。依照晶粒尺寸（Hall-Petch）和Orowan强化机制分析了复合材料的强度，表明Hall-Petch强化来源于细晶铝、Orowan强化源于纳米尺度的氧化物和碳化物颗粒。
Durai等人通过球磨铝，氧化铜和ZnO的混合物，球磨后的粉末经过冷压以及高温烧结，制备了Al-Al2O3纳米复合材料。
研究表明，该复合材料中细小的氧化铝颗粒弥散分布在Al（Zn）或Al（Zn）-4Cu的基体中。该材料在经过测试后发现耐磨损性得到改良，相比于未经过球磨直接进行冷压和烧结的复合材料具有更高的硬度和耐磨性。
2.2 非原位法
Prabhu等人球磨了铝-氧化铝混合粉末，选用不同尺寸（50 nm、150 nm和5 μm）和体积分数（5、10、20、30和50）的Al2O3。混合粉末在行星式球磨机中经过不同时间的球磨，结果表明，当球磨时间超过20 h以后氧化铝增强体能均匀分散到铝基体中。Al-20Vol.%50Al2O3在不同球磨时间后的SEM照片，如图1（a）（b）（c）（d）所示。
不同体积分数的Al-50Al2O3在球磨20 h后的X射线能谱元素分布图，如图2所示。通过照片可观察到球磨20 h后，氧化铝增强体实现了均匀分布。
3 Al–Al3Ti 纳米复合材料
相比于其他大多数富铝金属间化合物，Al3Ti因为它具有熔点高（约1623 K）、相对低的密度（3.4 g/cm3）和较高弹性模量（216 GPA）。另外，由于Ti在铝中的低扩散性和溶解度，Al3Ti在高温下会展现出低的粗化速率。因此，Al3Ti存在于Al基体中下可以非常有效地提高铝基复合材料的刚度，室温机械性能和改善的铝基复合材料热稳定性。
Lerf和莫里斯用机械合金化法以铝粉和钛粉为原材料合成了Al-Al3Ti复合材料。球磨后能观察到两金属元素均匀分布，再对混合粉末在873 K进行退火后，有Al3Ti金属间化合物产生。0.1～0.5 μmAl3Ti颗粒分布于Al基体上，同时因为在球磨过程中加入PCA，纳米尺度（50 nm）Al4C3和γ-Al2O3的球状颗粒也存在于铝基体中。Wang和Kao用机械合金化法和高温烧结合成了Al-Al3Ti复合材料，复合材料微观结构表现为平均尺寸约100 nm的等轴颗粒状Al3Ti弥散分布在铝基体中，同时在晶粒内和晶界上还存在着纳米尺度的Al2O3 和 Al4C3颗粒。而且还对Al3Ti含量不同的Al-Al3Ti复合材料的高温变形行为进行了研究。
4 Al–CNTs 纳米复合材料
碳纳米管因其优异的机械性能使其成为理想的复合材料增强体，在增强材料的刚度和强度同时并实现轻量化。然而碳纳米管固有的物理性质，使其有强烈的团聚倾向，最终造成材料性能不升反降的现象。机械合金化法能较好地解决碳纳米管团聚现象，从而最大程度的发挥其作用。
Morsi和Esawi通过机械合金化法制备了Al-MWCNTs（2～5 wt.%）纳米复合材料，并对碳纳米管的分布和铝晶粒尺寸进行了研究，结果表明，球磨能够避免碳纳米管在复合材料中的团聚；在球磨48 h的样品中能观察单个的碳纳米管到嵌入在铝基体中；球磨过程中冷焊和破碎的共同作用，细化了铝基体的晶粒。
George等人用球磨合成的Al-CNT（单壁和多壁）复合材料，为了保持CNT的完整性，球磨时间较短，复合粉末再经过冷压、烧结和热挤压。通过测试材料的屈服强度、拉伸强度和弹性模量，结果表明，复合材料具有比基体合金更好的机械性能。性能的提升归结于热失配、剪滞和Orawan机制共同作用的结果。
5 展 望
纳米相增强铝基复合材料是近年迅速发展起来的一种新型材料，表现出优异的理化和力学性能，机械合金化法在制备纳米铝基复合材料过程中表现出独特的优势，但距离工程化应用仍然存在成本高、制造效率低、可靠性与稳定性有待提高等新材料实用化过程中面临的共性问题，需要进一步攻关并逐一克服。
参考文献：
[1] 王宇鑫，张瑜.铝基复合材料的研究[J].上海有色金属，2010，（31）.
[2] Tjong SC.Novel nanoparticle-reinforced metal matrix composites with enhanced mechanical properties[J].Adv Eng Mater，2007，（9）.
[3] Lerf R，Morris DG.Mechanical alloying of Al-Ti alloys[J].Mater Sci Eng A，1990，（A128）.
[4] Wang SH，Kao PE.The strengthening effect of Al3Ti in high temperature deformation of Al-Al3Ti composites[J].Acta Mater，1998，（46）.
[5] Morsi K， Esawi A. Effect of mechanical alloying time and carbon nanotube （CNT） content on the evolution of aluminum （Al）-CNT composite powders[J].J Mater Sci，2007，（42）.
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