铝（Aluminium）元素符号 Al，原子序数 13，原子量 26.9815，地壳中质量占比 8.1%——“金属之王”，却只在 200 年前才露出真面目。它轻、耐腐蚀、导电尚可、储量管够，是现代交通、包装、电网、光伏乃至航天不可或缺的“骨架金属”。
原子与晶体结构
电子构型：[Ne] 3s² 3p¹ → 3 个价电子，常见氧化态 +3。
面心立方（fcc）堆积，配位数 12，密度 2.70 g cm⁻³（钢的 1/3）。
同位素：仅 ²⁷Al 稳定；²⁶Al 为宇宙成因放射性（t½ = 7.2×10⁵ a），被用来给陨石和月球样品“定年”。
提取与冶炼——“电”出来的金属
拜耳法（1888 沿用至今）
– 铝土矿 Al₂O₃·xH₂O + NaOH → 高温高压溶出 Na[Al(OH)₄] → 晶种分解得纯 Al(OH)₃ → 煅烧 → 冶金级氧化铝（99.5%）。
霍尔–埃鲁熔盐电解（1886）
– 2Al₂O₃（溶在 960 °C Na₃AlF₆ 熔体）+ 3C → 4Al(l) + 3CO₂(g)
– 理论电耗 6.34 kWh kg⁻¹ Al，实际 13–15 kWh；全球铝行业耗电 ≈ 3% 总发电量。
低碳路线
– 惰性阳极（Ni-Fe-Cu-O 陶瓷）→ O₂ 替代 CO₂，示范槽 2023 投运；
– 水电铝（云南、冰岛）、再生铝（重熔能耗 <5% 原铝），2050 目标碳中和铝。
材料性能与合金体系
纯 Al：导电率 63% IACS（仅次于 Cu），反射率 92%（可见-红外），氧化膜 5 nm 自愈→耐大气腐蚀。
强化机制：
– 固溶 Cu/Mg/Mn/Si → 2xxx/3xxx/6xxx 系列；
– 时效析出：6061-T6（Mg₂Si）屈服 276 MPa，用于车架；
– 7075-T6（Al-Zn-Mg-Cu）强度 570 MPa，航材“钢级铝”。
低温性能：随温度↓强度↑、韧性不降，液氢罐（–253 °C）首选 5xxx 系列（Al-Mg）。
应用领域
交通轻量化：
奥迪 A8 全铝空间框架 282 kg，比钢减重 40%，油耗降 20%；
波音 787 铝锂合金占比 20%，每机省 2 t，年减排 1 万 t CO₂。
包装：易拉罐 3104-H19 厚度 0.22 mm，单罐 13 g，回收率 76%（无限循环不降级）。
电力：钢芯铝绞线（ACSR）比铜轻 50%，220 kV 线路每公里省塔材 1.2 t；光伏边框 600 MW 电站用铝 5 kt。
建筑：6063-T5 铝模板周转 300 次，替代木模，碳足迹降 30%。
消费电子：iPhone 14 铝占比 44%，CNC 一体成型后阳极氧化着色；MacBook 外壳 70% 再生铝。
航天：
土星 V 火箭 5 级贮箱 2014-T6，液氧/液氢两用；
SpaceX 星舰 301L 不锈钢改用 2195-T8 Al-Li，减重 40% 并省掉隔热瓦 1 万片。
前沿热点
高强高模 Al-Sc 微合金：
0.1% Sc + 0.1% Zr → 纳米 Al₃Sc 共格析出，屈服 >600 MPa，焊接热裂零敏感，空客 2025 机翼翼肋试线。
超细晶/梯度纳米：
等通道转角挤压 (ECAP) + 后续轧制，晶粒 200 nm，7075 强度破 1 GPa，延伸率仍 10%。
铝-空气电池：
Al + 0.75O₂ + 1.5H₂O → Al(OH)₃，理论能量密度 8.1 kWh kg⁻¹（仅次汽油）；
2023 以色列 Phinergy 示范车 500 kg Al 续航 2700 km，副产品 Al(OH)₃ 可回收制铝。
铝热还原制氢：
2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂，即时产氢 3.7 wt%，为 PEMFC 叉车供氢，免高压储氢瓶。
废铝闭环与追踪：
区块链 + 激光光谱“指纹”溯源，欧盟 2026 起所有铝制品需声明再生比例，目标 2050 85% 闭环回收。
宇宙铝 ²⁶Al 考古：
陨石中 ²⁶Al/²⁷Al 比值揭示太阳系最早固体 4567 Ma 形成时间分辨率 <10 万年。