什麼是鋁？
鋁是一種銀白色金屬。相較於氧、矽、鍺與碳這四種非金屬，鋁對人類具有重大意義，約占地殼的 8%[1,6]。鋁的獨特特性包括良好的導熱性與導電性、耐腐蝕性，以及優異的強度重量比。鋁主要取自鋁土礦，廣泛應用於電子、包裝、營建與運輸產業。此外，由於鋁容易回收、製造過程具能源效率，且可用於製造其他金屬零件，因此有助於多個產業推動永續作法。
鋁的定義及其在元素週期表中的位置
鋁外觀呈銀白色，屬於輕金屬，在元素週期表中歸類為第 13 族後過渡金屬。鋁的原子序為 13，元素符號為 Al。鋁作為化學元素的特性
| 特性 | 說明 |
|---|---|
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密度 |
約 2.7 g/cm³（約為鋼材的三分之一），因此重量輕。 |
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熔點 |
660.3°C (1220.5°F)。 |
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沸點 |
2470°C (4478°F)。 |
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展性與延性 |
展性與延性佳，可加工成薄板、箔材或線材而不易斷裂。 |
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導電性 |
20°C 時約為 37.7 MS/m，因此適合用於輸電線路。 |
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耐腐蝕性 |
鋁會形成保護性氧化鋁層，避免進一步腐蝕並提升耐久性。 |
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化學反應性 |
反應性高，且具兩性，會與酸及鹼反應。 |
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合金化 |
加入鎂、矽或銅製成合金，以提升強度、耐受性與功能性。 |
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用途 |
航太、汽車、營建、基礎建設、海事、電子等領域。 |
鋁在地殼中的重要性
鋁是地殼中含量最多的金屬，約占地殼總質量的 8%，展現出其作為各產業資源的重要性。鋁如何製造？
鋁土礦在鋁製造中的作用
鋁土礦含有大量氧化鋁，是提取鋁的主要來源。製程從開採鋁土礦開始，接著透過拜耳法精煉，取得氧化鋁。之後再以霍爾－埃魯法電解還原氧化鋁，製得純鋁。將鋁土礦加工成氧化鋁，再將氧化鋁製成鋁的兩個連續步驟，是全球高效率、大規模生產鋁的關鍵。鋁製造流程
| 流程 | 重點 |
|---|---|
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鋁土礦開採 |
以露天開採方式取得鋁土礦。 |
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鋁土礦研磨 |
研磨鋁土礦，使材料均勻。 |
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拜耳法 |
使用苛性鈉提取氧化鋁。 |
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過濾 |
去除雜質，留下鋁酸鈉。 |
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沉澱 |
形成氫氧化鋁晶體。 |
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煅燒 |
加熱晶體以製得氧化鋁。 |
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霍爾－埃魯法 |
以電力熔煉氧化鋁，製成鋁。 |
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鑄造 |
將熔融鋁鑄成鋁錠或所需形狀。 |
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回收 |
以原始製造所需能源的 5% 回收再利用鋁。 |
鋁有哪些用途？
鋁在日常生活中的常見用途
鋁重量輕、用途多元，因此對現代社會幾乎所有領域都至關重要。我們日常會在各種包裝中見到鋁，例如有助於保存食品與飲料的罐子和鋁箔。在汽車、飛機與自行車上，鋁的使用能提升結構強度，同時降低燃料消耗；在營建方面，鋁則用於窗框與屋頂，也常見於利用鋁散熱的各種電子裝置。因此，鋁成本低、耐腐蝕且可回收，實用性與永續性都相當高。鋁合金與鋁製零件的重要性
鋁及其合金具有多項獨特特性，因此應用於許多領域。在汽車與航太產業中，鋁重量輕且強度出色，有助於提升燃油效率並降低對環境的影響。鋁的耐腐蝕性讓它在營建與海事應用中更為耐用；此外，優異的導熱性與導電性也使鋁成為電子產品製造不可或缺的材料。鋁還有助於回收，相較於原生鋁生產，可減少廢棄物並節省能源，支持永續作法。憑藉這些特性，鋁及其合金已成為現代工程與工業發展的基石。鋁在各產業中的用途
| 產業 | 用途 | 主要優點 |
|---|---|---|
|
航太 |
飛機結構、機身與太空船零件 |
高強度重量比 |
|
汽車 |
車架、引擎零件與車輪 |
提升燃油效率與耐久性，並具耐腐蝕性 |
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營建與建築 |
建築外牆、窗框、屋頂與外覆層 |
重量輕、耐腐蝕且具展性 |
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電力 |
輸電線路、裝置中的散熱片 |
高導電重量比 |
|
包裝 |
食品與飲料容器（罐子、鋁箔） |
確保產品安全、延長保存期限，且可完全回收 |
|
海事 |
船艇、船舶、離岸結構 |
耐海水腐蝕，且重量輕，有助於提升燃油效率 |
|
鐵路 |
高速列車、鐵路零件 |
降低重量與能源消耗 |
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能源 |
太陽能板、風力發電機 |
耐用，可承受極端環境條件 |
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消費性產品 |
筆記型電腦、智慧型手機、廚具、家具 |
外觀俐落、重量輕、可回收 |
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軍事與國防 |
裝甲、車輛、設備 |
強度高、重量輕、耐腐蝕 |
鋁有哪些特性？
了解鋁的導熱性與延性
| 參數 | 導熱性 | 延性 |
|---|---|---|
|
數值 |
純鋁為 237 W/mK |
延伸率高於 10% |
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主要影響因素 |
合金元素、溫度與晶粒尺寸 |
溫度、合金成分與晶粒結構 |
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合金範例 |
Al-Si、Al-Cu 合金會降低導熱性 |
6061 可提升延性；7075 會降低延性 |
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用途 |
熱交換器、汽車散熱器 |
航太、汽車零件 |
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改善方法 |
熱處理、調整合金成分 |
退火、最佳化合金化 |
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環境敏感性 |
雜質含量或孔隙率高時會降低 |
低溫會降低延性 |
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產業用途 |
電子設備散熱、鑄造模具 |
營建材料、包裝 |
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與其他材料比較 |
高於鋼材，低於銅 |
高於鋼材，與銅相近 |
鋁的展性與耐腐蝕性
鋁合金可承受變形，因此能經由軋製或敲打加工成薄板而不破裂；新露出的表面氧化層則能提供天然的耐腐蝕性，即使在嚴苛環境下也能確保長期耐久性。氧化鋁在防止腐蝕中的作用
氧化鋁會形成強韌且能自我修復的屏障，阻止底層金屬進一步氧化，因此即使處於最嚴苛的環境，也能提高其耐腐蝕性。鋁在金屬中有何獨特之處？
鋁作為金屬元素的豐富程度
鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，約占地殼重量的 8%，因此將廣泛用於工業與商業用途。比較鋁與硼族中的其他元素
| 特性 | 硼 (B) | 鋁 (Al) | 鎵 (Ga) | 銦 (In) | 鉈 (Tl) |
|---|---|---|---|---|---|
|
原子序 |
5 |
13 |
31 |
49 |
81 |
|
原子量 (amu) |
10.81 |
26.98 |
69.72 |
114.82 |
204.38 |
|
價電子組態 |
2s²2p¹ |
3s²3p¹ |
4s²4p¹ |
5s²5p¹ |
6s²6p¹ |
|
熔點 (°C) |
2075 |
660 |
29.7 |
156.6 |
304 |
|
密度 (g/cm³) |
2.34 |
2.70 |
5.91 |
7.31 |
11.8 |
|
電負度 |
2.0 |
1.6 |
1.8 |
1.8 |
1.8 |
|
氧化態 |
+3 |
+3 |
+3 |
+3 |
+1, +3 |
|
氧化物類型 |
酸性 |
兩性 |
兩性 |
兩性 |
鹼性 |
|
與 O₂ 的反應性 |
形成 B₂O₃ |
形成 Al₂O₃ |
形成 Ga₂O₃ |
形成 In₂O₃ |
形成 Tl₂O |
|
游離能 (kJ/mol) |
801 |
578 |
579 |
558 |
589 |
|
特殊用途 |
陶瓷、玻璃 |
輕質合金 |
半導體 |
合金 |
超導體 |
鋁氧化態的重要性
鋁的氧化態之所以重要，是因為其 +3 氧化態能形成強韌的離子鍵與共價鍵，使鋁適用於冶金、觸媒與材料工程。常見問題 (FAQs)
問：鋁是什麼？就含量而言，它的排名如何？
答：鋁是原子序為 13 的化學元素。目前，鋁是地殼中含量最多的金屬；若以所有元素來看，其含量排名第三，僅次於氧與矽。問：誰最早發現鋁？戴維對鋁有何影響？
答：歷史上第一位提出金屬中可能存在鋁的人，是 18 世紀的 Humphry Davy 爵士。然而，最早分離出此元素的是 Hans Christian Ørsted；後來，Charles Martin Hall 與 Paul Héroult 於 1886 年完善了從礦石中提取鋁的製程。問：哪些主要產業會使用鋁？
答：世界上許多產業都會在製程中加入鋁，因為鋁重量輕、強度高，且有助於抵抗腐蝕等損害。鋁廣泛用於飛機與汽車製造，也用於烹飪器具。營建、包裝與電力產業也都會使用鋁。問：鋁金屬為何適用於多種用途？
答：鋁具有珍貴的延性與展性，因此容易塑形與加工。鋁也會自然形成氧化層，抵抗腐蝕因素，因此能用於許多材料。問：常見的鋁化合物及其用途有哪些？
答：常見的鋁化合物包括氧化鋁、氫氧化鋁、硫酸鋁與氟化鋁。這些化合物用途廣泛，包括但不限於淨化水、以制酸劑治療患者，以及在各種工業流程中作為研磨材料。問：通常如何從礦石中提取純鋁？
答：純鋁是以電化學製程從鋁土礦中提取，先後經過拜耳法與霍爾－埃魯法。在此製程中，氧化鋁溶解於熔融冰晶石中，接著經過浮選，再施加電流以取得金屬鋁。問：鋁的原子結構有何重要性？
答：鋁的特定原子結構使其能形成許多具有工業用途的化合物與合金。問：鋁對環境與公共衛生有何影響？
答：鋁天然存在時，大多數用途都不會造成任何後果。然而，過度使用鋁，尤其是用於醫療方面，可能引發複雜的公共衛生問題。因此，應適當管控鋁的使用。問：鋁的歷史發展促成了哪些現代技術？
答：霍爾法與德維爾法的發明，大幅推進了鋁的生產。這些方法為各產業提供強度更高、重量更輕的金屬，促進運輸、營建與科技領域的創新，改善日常生活並帶動經濟發展。參考資料
1. 以雷射線掃描器觸發定義方法支援鋁材機器人焊接- 作者：Jaime Marco-Rider 等人
- 發布日期：2022年七月25日
- 期刊：2022 IEEE 第 20 屆工業資訊國際研討會
- 摘要：本文聚焦於以反光材料（例如鋁）製成的複雜零件之機器人焊接自動化。研究探討如何精確偵測特定工件並校正機器人，以及處理反射等對準回饋問題。作者提出一種解決方案，結合雷射線掃描與 CAD 特徵辨識，找出相關工件特徵，以規劃並反覆執行焊接順序。
- 研究方法：本文研究採用雷射掃描技術，搭配 CAD 特徵辨識系統，定義作者所稱的「關注元素」，以利自動化鋁製工件的焊接流程（Marco-Rider 等人，2022，頁 399-406）。
- 作者：E. Mancini 等人
- 發布日期： 2021年十二月1日
- 期刊：Materials Science and Engineering: A
- 摘要：本研究旨在為胞狀材料建立統一的材料模型，研究對象為 AA7075-T6 鋁泡棉。研究嘗試完整定義並建立該材料的模型，以克服其拓樸與形態特徵差異所帶來的挑戰，這些特徵鄰接於工程應用。這些材料帶來顯著的高分散性挑戰。
- 研究方法：研究中，作者進行多項實驗與模擬，以了解鋁泡棉的機械行為，並據此建立整合泡棉結構的材料模型（Mancini 等人，2021）。
- 作者：S. Alexpandian 等人
- 彙整日期：21 12 2023
- 期刊：International Journal of Vehicle Structures and Systems
- 內容：本文著重評估加工參數對磨料水刀切割 AA6351 鋁合金表面品質的影響。主要目標是最佳化水刀壓力、噴嘴距離、磨料流率、切割速度及其他相關參數，以改善表面粗糙度並提高材料移除率。
- 研究方法：作者採用以田口方法為基礎的期望度分析法，探討不同切割參數對表面品質的影響，並運用統計技術找出最佳設定，以達成預期結果（Alexpandian 等人，2023）。
