Nhôm: nhẹ, dẫn điện, không gỉ — từ cáp cao thế tới khung cửa

Nhôm được dùng khắp nơi vì hội đủ ba điều hiếm có cùng lúc: nhẹ (khối lượng riêng khoảng 2,7 g/cm³, chỉ bằng khoảng một phần ba thép), dẫn điện khá tốt, và tự bảo vệ khỏi ăn mòn nhờ một lớp ôxít mỏng hình thành ngay khi gặp không khí. Nhôm nóng chảy ở khoảng 660 °C, thấp hơn sắt gần 900 độ, nên dễ đúc và dễ ép đùn thành thanh định hình. Nhờ vậy nhôm có mặt từ sợi cáp cao thế, khung cửa sổ tới vỏ máy tính xách tay.

Nhôm có nhiều trong tự nhiên không?

Nhôm là kim loại nhiều nhất trong vỏ Trái Đất, chiếm khoảng 8% khối lượng, nhiều hơn cả sắt. Đất sét, fenspat, mica trong đá granit đều chứa nhôm. Nghịch lý là trong gần hết lịch sử loài người, nhôm kim loại gần như không ai có, vì nhôm bám ôxy cực chặt, than cốc trong lò không đủ sức tách ra như với sắt.

Ngày nay nhôm được làm qua hai bước lớn. Bước một, quặng bô-xít được hoà tách trong dung dịch xút nóng để thu bột alumin trắng (Al₂O₃), phần bã còn lại là bùn đỏ. Bước hai, alumin được hoà vào criolit nóng chảy và điện phân, nhôm lỏng gom ở đáy bể. Bước điện phân ăn rất nhiều điện: các nhà máy hiện đại cần khoảng 13–15 kWh cho mỗi kilôgam nhôm. Câu chuyện phát minh năm 1886 và vùng bô-xít Tây Nguyên có bài riêng ở các danh mục khác; ở đây chỉ cần nhớ: nhôm "đắt" ở điện chứ không ở quặng.

Lớp ôxít nhôm bảo vệ kim loại như thế nào?

Bề mặt nhôm sáng bóng thật ra luôn phủ một màng ôxít nhôm dày chỉ vài nanomet, tức mỏng hơn sợi tóc hàng chục nghìn lần. Màng này trong suốt, cứng, đặc, bám chặt vào kim loại. Khi bị trầy, chỗ trầy gặp không khí là lớp mới hình thành lại gần như tức thì. Đây là lý do nhôm phơi mưa nắng nhiều năm vẫn chỉ xỉn đi chứ không bong vảy như sắt.

Lớp ôxít mạnh nhưng có giới hạn:

• Môi trường kiềm mạnh (vôi vữa ướt, xi măng tươi, nước tẩy có xút) hoà tan được lớp ôxít, làm nhôm bị ăn lỗ chỗ. Khung nhôm dính vữa khi xây nên lau ngay.
• Muối clorua (gió biển, nước mặn) có thể gây ăn mòn điểm, nhất là với hợp kim có đồng.
• Tiếp xúc kim loại khác khi có nước: vít thép thường bắt thẳng vào nhôm ngoài trời ẩm tạo thành cặp pin nhỏ, nhôm quanh lỗ vít bị ăn mòn. Thợ nhôm kính hay dùng vít inox kèm long đền cách điện.

Lớp ôxít này cũng là cái khó của nghề hàn nhôm: ôxít nhôm chảy ở khoảng 2.070 °C, cao hơn nhôm hơn ba lần, nên thợ phải dùng phương pháp và dòng điện phù hợp để phá lớp màng khi hàn.

Nhôm anod hoá là gì, vì sao có màu?

Anod hoá là làm dày lớp ôxít tự nhiên một cách có chủ đích. Thanh nhôm được treo làm cực dương trong bể axit (thường là axit sunfuric loãng) và cho dòng điện chạy qua. Ôxy sinh ra ở bề mặt "nuôi" lớp ôxít dày lên từ vài nanomet tới vài micromet, có khi hơn 20 micromet. Lớp ôxít mới này có cấu trúc như tổ ong với hàng tỷ lỗ cực nhỏ.

Chính những lỗ nhỏ ấy cho phép nhuộm màu. Nhôm vừa anod hoá được ngâm vào bể thuốc nhuộm hoặc bể muối kim loại, màu thấm vào lỗ. Cuối cùng nhôm được "bịt lỗ" trong nước nóng hoặc dung dịch chuyên dụng, màu bị nhốt lại dưới lớp ôxít trong suốt. Vì màu nằm bên trong ôxít chứ không phải lớp sơn bên ngoài, nhôm anod hoá không bong tróc, chỉ có thể phai dần nếu phơi nắng gắt rất lâu với một số loại thuốc nhuộm.

Những màu quen thuộc: bạc mờ tự nhiên, đen, vàng sâm panh, nâu đồng trên cửa nhôm; xanh, đỏ, tím trên vỏ thiết bị điện tử, bình nước dã ngoại, linh kiện xe đạp. Cửa nhôm còn hay được phủ sơn tĩnh điện: bột sơn được phun bám nhờ tĩnh điện rồi nung chảy trong lò thành lớp phủ dày, nhiều màu hơn nhưng là lớp nằm ngoài kim loại.

Nhôm định hình được làm ra sao?

Thanh nhôm làm cửa, vách kính, tay vịn, thanh tản nhiệt có tiết diện phức tạp nhưng đồng đều suốt chiều dài. Chúng được làm bằng ép đùn. Phôi nhôm hình trụ được nung lên khoảng 450–500 °C, khi ấy nhôm vẫn rắn nhưng mềm dẻo như sáp, rồi bị máy ép thuỷ lực đẩy xuyên qua khuôn thép có lỗ đúng hình tiết diện. Thanh nhôm chảy ra phía sau khuôn như kem đánh răng ra khỏi tuýp, được làm nguội, kéo thẳng, cắt đoạn và hoá già trong lò để đạt độ bền.

Hợp kim hay dùng cho nhôm định hình xây dựng thuộc nhóm nhôm – magie – silic (nhóm 6xxx), vừa ép đùn dễ vừa đủ bền. Ý nghĩa của các dãy số trên hợp kim nhôm được giải thích trong danh mục Hợp kim.

Vì sao cáp điện cao thế dùng nhôm?

Nhôm dẫn điện bằng khoảng 61–64% đồng nếu so cùng tiết diện, nhưng nhẹ hơn đồng khoảng 3,3 lần. Tính theo khối lượng, một kilôgam nhôm dẫn điện gấp khoảng hai lần một kilôgam đồng. Với đường dây treo dài hàng chục, hàng trăm kilômét, dây nhẹ hơn là tiết kiệm cột, móng và công dựng.

Cáp trên lưới truyền tải thường gồm nhiều sợi nhôm bện quanh một lõi sợi thép. Nhôm lo dẫn điện, thép lo chịu lực kéo, để dây không võng quá sâu khi trời nóng làm kim loại giãn ra. Dây hạ thế vặn xoắn chạy dọc phố cũng thường có lõi nhôm bọc cách điện.

Nhôm nhẹ như vậy thì có điểm yếu gì?

Nhôm cũng mỏi dần dưới tải trọng lặp đi lặp lại và không có "ngưỡng an toàn" rõ như thép, nên các chi tiết nhôm trong máy bay được kiểm tra vết nứt định kỳ theo số chu kỳ cất hạ cánh.

Giấy bạc trong bếp có phải là bạc không?

Không. Thứ quen gọi "giấy bạc" là lá nhôm cán mỏng, thường dày khoảng 10–25 micromet. Một mặt bóng một mặt mờ không phải do cố ý: ở lượt cán cuối, hai lá nhôm được cán chồng lên nhau, mặt chạm trục cán bóng loáng, mặt chạm lá kia thành mờ. Dùng mặt nào bọc thức ăn cũng như nhau, chênh lệch phản xạ nhiệt rất nhỏ. Lá nhôm không nên bọc thức ăn quá chua hoặc quá mặn để lâu, vì lớp ôxít mỏng bị ăn mòn và nhôm tan vào thức ăn nhiều hơn.

Góc nhìn hôm nay: nhôm trong nhà và cách dùng bền

• Phân biệt nhôm với thép mạ: nhôm không hút nam châm, nhẹ hẳn khi cầm, vết cắt có màu trắng bạc.
• Cửa nhôm lau bằng nước sạch, xà phòng trung tính; tránh nước tẩy có xút và bột chà nhám.
• Ở nhà ven biển, rửa khung nhôm bằng nước ngọt vài tháng một lần để trôi muối bám.
• Nhôm tái chế chỉ cần một phần nhỏ năng lượng so với làm từ quặng, nên lon, khung, dây nhôm cũ đáng được gom riêng; chi tiết có ở danh mục Tái chế kim loại.