Histoire et découverte de l'aluminium
1821 : France, Baux-de-Provence. Pierre Berthier découvre la bauxite, la matière première contenant plus de 50 % d'oxyde d'aluminium.
1825 : Danemark. Hans Christian Oersted isole l'aluminium par une réaction chimique impliquant un amalgame au potassium.
1827-1845 : Allemagne. Friedrich Wöhler améliore le procédé d'Oersted en utilisant le potassium métallique. Il mesure la densité de l'aluminium (2,7), confirmant sa légèreté (2700 kg/m³).
1854 : France. Henri Sainte-Claire Deville obtient un métal (chlorure double d'aluminium et de sodium) réduit par le sodium.
1855 : France. Avec le soutien financier de Napoléon III, Henri Sainte-Claire Deville crée une usine expérimentale et expose de l'aluminium pur à l'Exposition Internationale de Paris.
1860-1890 : France, Gard. Production d'aluminium selon le procédé de Deville dans l'usine de Salindres.
1886 : France et États-Unis. Paul Héroult et Charles Martin Hall découvrent la dissolution de l'oxyde d'aluminium dans la cryolite, qui peut ensuite être décomposée par électrolyse pour donner du métal brut en fusion.
1887 : Allemagne. Karl Joseph Bayer découvre un procédé de transformation du minerai de bauxite en alumine.
1887-1888 : Suisse, France, États-Unis. Les premières sociétés de production industrielles sont fondées.
Évolution de la production
- Début du XXe siècle : La fabrication de l'aluminium devenant plus facile, son prix diminue et sa production augmente.
- Début du XXe siècle – 1950 : La production double tous les 9 ans.
- 1950-1970 : La production plus que décuple.
- 1970 : Production de 10 millions de tonnes.
- 2005 : Production de 22,5 millions de tonnes.
Quelles sont les caractéristiques de l'aluminium ?
Propriétés physiques
- Masse volumique : 2700 kg/m³
- Densité : 2,7 (trois fois moins que l'acier)
En raison de cette légèreté, l'utilisation de l'aluminium s'impose dans les domaines de la construction aéronautique et aérospatiale, du transport, etc.
Résistance à la corrosion
Les alliages d'aluminium sont très oxydables. À l'air, il se forme une couche de quelques micromètres d'oxyde d'aluminium (Al2O3). Grâce à cette fine pellicule, les alliages deviennent résistants à la corrosion. Contrairement à la plupart des métaux, l'aluminium a besoin de s'oxyder pour être utilisé. Sans cette pellicule, il serait impropre à la plupart de ses applications.
Ainsi, dans les conditions atmosphériques normales, les revêtements extérieurs de bâtiments ou les pièces en alliage présentent un entretien minimum et une durée de vie allongée.
En revanche, dans les milieux corrosifs (par exemple en contact avec la sueur), les alliages peuvent subir les effets de la corrosion et se piquer (exemple : manettes de freins de vélo).
L'anodisation
Une oxydation forcée avec un électrolyte permet d'obtenir une coloration des pièces. Cette anodisation peut aussi être incolore pour garder le brillant (couleur alu). On peut rendre la couche protectrice d'oxyde plus épaisse par anodisation.
Conductivité électrique
La conductivité électrique de l'aluminium commercialement pur atteint 62 % de celle du cuivre. Un conducteur en aluminium, dont la masse est inférieure à celle d'un conducteur en cuivre, s'échauffe moins. Par ailleurs, comme il est conducteur, il faut bien isoler les cartes électroniques pour éviter les courts-circuits.
Magnétisation : Nulle.
Propriétés mécaniques
L'aluminium et ses alliages ont une structure cristalline cubique à faces centrées. Du fait de sa légèreté, son inertie est réduite.
Mise en forme
L'aluminium a une température de fusion relativement basse, d'environ 660°C. Il en résulte une facilité de fusion qui présente un avantage certain pour les opérations de fonderie.
Sa ductilité à l'état solide permet de l'usiner facilement, par exemple un taraudage en un seul passage. Il ne crée pas d'étincelles. En outre, l'aluminium est un matériau relativement élastique mais pas malléable (on peut le plier une fois dans la mesure du raisonnable, mais la seconde fois il casse).
Sa rigidité permet des structures tubulaires et profilées (application en robotique, en aviation et en cyclisme).
Le recyclage de l'aluminium
Pour recycler l'aluminium, il n'y a rien de plus simple : il suffit de le faire fondre. En plus des bénéfices environnementaux, le recyclage est beaucoup moins coûteux que l'extraction à partir du minerai de bauxite. Il nécessite 95 % d'énergie en moins. Une tonne d'aluminium recyclé permet d'économiser quatre tonnes de bauxite.
En sautant l'étape de l'électrolyse, qui réclame beaucoup d'énergie, on évite les rejets polluants associés. L'aluminium est quasiment recyclable à l'infini sans perdre ses qualités. En France, il est récupéré dans le cadre du tri sélectif. Dans les centres de tri, il est séparé grâce aux courants de Foucault, puis cassé, broyé et fondu.
Comment l'aluminium est-il élaboré ?
L'aluminium est principalement extrait de la bauxite où il est présent sous forme d'oxyde hydraté, dont on extrait l'alumine (Al2O3). Il peut également être extrait d'autres minéraux tels que la néphéline, la leucite, la sillimanite, l'andalousite ou la muscovite.
L'aluminium commercialement pur possède, à l'état recuit, des propriétés mécaniques faibles. On peut toutefois améliorer considérablement ces propriétés par écrouissage, addition d'éléments d'alliage ou traitements thermiques, selon les cas.
Quels sont les domaines d'application de l'aluminium ?
Transport
L'aluminium est utilisé dans l'automobile, les camions, les avions, les trains et les bateaux.
Avantages :
- Sa légèreté permet de réduire la consommation et les émissions de carburant.
- Son utilisation réduit le bruit et les vibrations.
- Son absorption de l'énergie cinétique fait que, lors d'un accident, une grande partie du choc est absorbée par la structure en aluminium, et non par les occupants.
- Il ne rouille pas comme l'acier. La longévité d'une pièce en aluminium est trois à quatre fois supérieure à celle d'une pièce en acier (exemple : châssis).
- Il ne réagit pas avec la plupart des matériaux usuels, permettant de transporter une grande diversité de produits (charbon, produits chimiques, alimentaires).
- Un camion en aluminium peut transporter une plus grande quantité de marchandises sans dépasser les limites de poids.
Sur de petits véhicules, le poids de la structure en aluminium peut être jusqu'à 45 % moins important qu'une structure en acier.
Aérospatiale : L'aluminium est très présent pour sa légèreté. Il permet d'économiser le carburant, de réduire les émissions et d'augmenter la charge utile. Dès 1900, il remplace progressivement le bois et l'acier. Le premier avion tout aluminium a été construit au début des années 20. Ses alliages permettent d'absorber des pressions considérables. De plus, c'est un très bon isolant contre l'air et le froid. Certaines compagnies ne peignent même pas leurs avions pour économiser du poids.
Transport ferroviaire : Utilisé pour son poids (sur un wagon, on économise 10 tonnes) et sa tenue à la corrosion (permet de transporter du soufre et d'autres produits corrosifs).
Domaine marin : Le premier navire de mer tout aluminium, un yacht de 12 mètres, a été construit en 1892. Aujourd'hui, 50 % des moteurs hors-bord sont en aluminium. Une coque en aluminium peut tenir plus de 30 ans sans signe de fatigue.
Alimentation
L'aluminium est utilisé pour les boîtes de conserves, le papier aluminium, les canettes, les barquettes et les ustensiles de cuisine.
Il conduit extrêmement bien la chaleur (ne garde que 7 % de la chaleur) et est employé pour ses qualités d'isolant. Il constitue une barrière efficace contre la lumière, les UV, l'air, l'eau, les odeurs et les bactéries. Il résiste aux hautes comme aux basses températures, est facilement stérilisable, et ne transmet ni goût ni odeur.
Les boîtes et canettes possèdent un enduit protecteur de polymère sur l'intérieur pour éviter que les acides et les sels n'entrent en contact avec le métal. Les cannettes sont populaires car elles gardent la saveur et la carbonatation à l'intérieur, tout en bloquant l'oxygène, la lumière et l'humidité.
Attention au micro-ondes : L'utilisation de plats en aluminium dans le four micro-ondes est déconseillée. L'aluminium étant conducteur, les électrons s'agitent et créent des décharges électriques (étincelles). De plus, les surfaces métalliques réfléchissent les ondes au lieu de les absorber, empêchant le contenu de chauffer.
Santé : L'aluminium peut parfois avoir des effets néfastes pour le système nerveux. Une ingestion de grandes quantités peut causer des atteintes du tissu osseux. On en trouve dans les aliments, l'eau et les médicaments, mais en quantité généralement négligeable. Son utilisation comme conduite d'eau est prohibée.
Emballage divers
Du fait de sa tenue à la corrosion, l'aluminium permet de contenir une grande diversité de produits chimiques, notamment via les aérosols.
Construction
La force, le poids et la polyvalence de l'aluminium en font un matériau idéal pour les bâtiments et les revêtements. Sa résistance à la corrosion l'exempt pratiquement d'entretien. Il est utilisé pour les revêtements, fenêtres, isolants, portes, garde-corps et gouttières.
L'aluminium sous forme massive ne brûle pas. De plus, son point de fusion relativement bas (660°C) permet une déformation précoce en cas d'incendie grave, permettant à la chaleur de s'échapper et potentiellement de sauver des vies. Lors de la démolition, il peut être recyclé pour éviter les déchets.
Électricité
L'aluminium est utilisé pour les lignes aériennes, les câbles électriques de distribution et de transport d'énergie. Il a remplacé le cuivre dans les lignes à haute tension après 1945, car c'est la manière la plus économique de transmettre l'énergie électrique. Il pèse trois fois moins que le cuivre et un kilogramme d'aluminium peut porter deux fois plus d'électricité qu'un kilogramme de cuivre.
Médecine
L'hydroxyde d'aluminium est largement répandu comme antiacide pour soulager l'irritation gastrique et aider à guérir les ulcères. Il réduit l'activité de la pepsine. Des composés solubles d'aluminium sont employés comme antiperspirants (chlorohydrate d'aluminium), agissant en formant une prise d'hydroxyde d'aluminium dans le conduit de sueur.
Électronique
De l'aluminium très pur (99,980 à 99,999 %) est employé en électronique et pour la fabrication de CD.
Traitement de l'eau
Le sulfate d'aluminium est largement répandu dans la purification des eaux usées. C'est un agent qui permet d'emprisonner les matières en suspension (algues, matières organiques et minérales).
Sport
L'aluminium permet d'alléger les équipements (cyclisme, raquettes, vêtements techniques, gourdes, châssis).
Cyclisme : L'alliage utilisé de base fut le Duralumin 2024 (AlCu4Mg1). Dans les années 1930, les premiers cadres de vélo sont soudés par des artisans pour augmenter la rigidité. Lors de la guerre, les procédés de soudage ont évolué, utilisant des alliages avec du magnésium (Alumag). Pour augmenter les caractéristiques, les fabricants ont proposé ensuite l'alliage 6061, puis les 7003 et 7005. Ces nuances demandent un traitement thermique après soudage. Pour les jantes, ce sont des produits filés du type 6xxx qui sont utilisés. Les nuances 7075 (Zicral) sont utilisées pour les plateaux et couronnes légères, mais leur soudabilité est mauvaise.
Conclusion
L'aluminium est un matériau très utilisé dans des domaines variés. Ses atouts principaux sont sa légèreté, sa tenue à la corrosion et sa facilité de production et de recyclage.