鋁（Aluminium，化學符號 Al），作為地球地殼中儲量最豐富的金屬元素，其應用遍及我們世界的每一個角落，從天空飛翔的航太飛行器到日常使用的鍋碗瓢盆，鋁的身影無處不在。
在眾多優異的特性方面，「質輕」無疑是鋁最為人所稱道的核心優勢。然而，這個看似簡單的特性背後，卻蘊含著豐富的物理學與材料科學知識。
本文將深入探討鋁的比重（或稱密度），特別是各種鋁合金密度的變化，從純鋁的基礎數值出發，解析不同合金元素如何影響其密度，並整理一份詳盡的各系列鋁合金比重數據，最後闡述此特性在各工業領域的實際應用與重要性，為讀者提供一份關於鋁比重的完整指南。
鋁的基本密度與物理特性
純鋁在接近室溫的固態下，其標準密度（比重）約為 2.70 克/立方公分 (g/cm^3)，或相當於 2700 公斤/立方米 (kg/m^3)。這個數值是理解鋁材所有輕量化應用的基石。鋁在熔融狀態下的液體密度會比固態時低，約為2.375 g/cm^3。
為了更直觀地理解這個數字，我們可以將其與其他常見金屬進行比較：
- 鋼材 (Steel): 平均密度約為 7.85 g/cm^3。
- 純銅 (Copper): 密度約為 8.9 g/cm^3。
透過比較可以發現，相同體積下，鋁的重量僅約為鐵或銅的三分之一。這巨大的差異解釋了為何鋁能在運輸工具、攜帶式設備及建築結構等領域扮演輕量化的關鍵角色。鋁之所以密度遠低於多數金屬，其根本原因在於其原子量（26.9815 u）與原子核相對較輕（原子序數為13），即使晶體結構的差異也無法彌補此原子級別的質量差距。
除了質輕之外，純鋁本身是一種較為柔軟、富有延展性與可塑性的銀白色金屬，熔點約為 660.32°C。鋁是一種接觸空氣後會在表面形成緻密氧化薄層的材質，能有效防止進一步氧化。
它不具磁性，擁有優良的導熱性與導電性（等重基礎上導電度為銅的兩倍），並且擁有極佳的反射性，對可見光與熱輻射有高達92%的反射率。然而，純鋁的強度較低（屈服強度約7-11 MPa），且在低溫下不會像碳鋼般變脆，但其強度仍不足以應對大多數結構性應用，因此在實際使用中，我們幾乎總是接觸到經過合金化的「鋁合金」。
合金化對鋁比重的影響
商業應用中的鋁材質，是透過添加一種或多種合金元素（如銅、鎂、矽、鋅、錳等）來大幅提升其機械性能、耐蝕性或其他特定屬性。這些添加的元素各自擁有不同的密度，因此當它們與鋁熔合後，會直接影響最終合金的整體密度。目前世界上，特別是在中國這樣快速發展的經濟體中，鋁合金的應用數量正逐年攀升。
這個影響可以大致歸納為以下幾類：
密度增加的元素
當添加比鋁更重的元素時，合金的整體密度會上升。
- 銅 (Cu)：密度 8.96 g/cm^3。
- 鋅 (Zn)：密度 7.14 g/cm^3。
- 鎳 (Ni)：密度 8.90 g/cm^3。
因此，以銅為主要合金元素的2000系列（如2014、2024）和以鋅為主要合金元素的7000系列（如7075），其密度通常會顯著高於純鋁，範圍約在 2.77 至 2.85 g/cm^3 之間。此類型的高強度硬鋁，最早由德國人Alfred Wilm發明，奠定了鋁工業的發展基礎。
密度降低的元素
當添加比鋁更輕的元素時，合金的整體密度會下降。
- 鎂 (Mg)：密度 1.74 g/cm^3。
- 矽 (Si)：密度 2.33 g/cm^3。
- 鋰 (Li)：密度 0.53 g/cm^3（鋰是效果最顯著的輕量化元素，常用於航太級鋁鋰合金）。
以鎂為主要合金元素的5000系列，其密度普遍低於純鋁，約在 2.66 至 2.69 g/cm^3。以矽為主要合金元素的4000系列，密度也常略低於2.70 g/cm^3。
密度影響較小的元素
- 錳 (Mn)：密度 7.21 g/cm^3。雖然比鋁重，但通常在3000系列中添加量不高，因此對密度的影響相對溫和。
最常見的6000系列鋁合金，如6061和6063，其主要合金元素是鎂和矽。這兩種元素對密度的影響在一定程度上相互平衡，因此6000系列合金的密度非常接近純鋁，大約維持在 2.70 至 2.71 g/cm^3。
常用鋁合金比重詳細資料表
下表綜合整理了各主要鋁合金系列的典型密度數據，以供參考。
| 合金系列 | 主要合金元素 | 代表性合金 | 密度 (g/cm^3) | 特性與應用概述 |
|---|---|---|---|---|
| 1000 系列 | ≥99.0% Al | 1050, 1100 | 2.71 | 純鋁系列，加工性、耐蝕性與表面處理性佳，但強度低。用於電器、包裝、裝飾品。 |
| 2000 系列 | Al-Cu | 2011, 2014, 2024 | 2.77 – 2.82 | 高強度硬鋁，強度可媲美鋼材，但耐蝕性較差。用於航空器結構、機械零件。 |
| 3000 系列 | Al-Mn | 3003, 3004 | 2.73 – 2.74 | 中等強度，具良好成形性與耐蝕性。用於罐身(如飲料鋁罐)、建材、壓力容器。 |
| 4000 系列 | Al-Si | 4032, 4043 | 2.67 – 2.69 | 低熔點、低熱膨脹係數。主要用於焊接填充材料、活塞、引擎缸體。 |
| 5000 系列 | Al-Mg | 5052, 5083 | 2.66 – 2.69 | 中高強度，擁有極佳的耐蝕性，特別是對海水等腐蝕性環境的抵抗力。用於船舶、車輛外殼、儲槽，甚至一些高端皮革製品配件。 |
| 6000 系列 | Al-Mg-Si | 6061, 6063, 6082 | 2.70 – 2.71 | 強度、耐蝕性、加工性均衡，用途最廣。6063擠型性優良，用於門窗建材；6061強度更高，用於結構件。 |
| 7000 系列 | Al-Zn | 7005, 7075, 7001 | 2.78 – 2.82 | 強度最高的鋁合金系列，但加工較難。用於飛機骨架、高階運動器材（自行車架、登山杖）、軍事工業。 |
| 鑄造鋁合金 | Al-Si, Al-Cu, Al-Mg | ZL102, ZL201, ZL301 | 2.55 – 2.95 | 用於鑄造成形，成分複雜，密度範圍廣。用於汽車引擎零件、複雜形狀的機械部件。 |
實際應用中的考量與比重計算
在工程設計和材料選擇中，精確瞭解並利用鋁的比重至關重要。
應用領域的重要性
- 航太與交通運輸： 這是鋁合金輕質特性發揮最極致的領域。飛機、高速鐵路、汽車的每一公斤減重，都直接關係到燃油效率的提升和碳排放的減少。例如，7075鋁合金雖比6061稍重，但其極高的強度重量比使其成為飛機主承力結構的首選。
- 建築與營造： 鋁製門窗、帷幕牆、玻璃幕牆框架等，因其質輕，不僅便於運輸和安裝，也減輕了建築物整體的結構負荷，相較於傳統的鐵件與水泥結構更具優勢，對高層建築尤其有利。其優良的耐蝕性也確保了戶外使用的耐久性。
- 電子與電氣： 電腦、伺服器的散熱片廣泛使用鋁材，得益於其優異的導熱性。同時，其輕量化特性也符合電子產品日益追求輕薄化的趨勢。在高壓輸電線路中，雖然鋁的導電率（按截面積算）不如銅，但其重量僅為銅的三分之一，綜合架設難度與材料價格，使其成為架空電纜的主流材料。
- 消費性產品與運動器材： 從炊具、傢俱到筆記型電腦外殼、自行車架、登山杖，鋁的輕便、美觀、易於加工和耐用性，使其成為提升產品質感與使用體驗的理想材料。
鋁件的重量計算
計算鋁件的重量是一個簡單但非常實用的技能。基本公式為：
重量 = 體積 × 密度
計算步驟如下：
- 確定鋁合金牌號： 根據設計需求，選擇合適的鋁合金，並查閱上表或相關手冊，找到其精確的密度值。例如，若使用 6061-T6，其密度可取 2.70 g/cm^3。
- 計算零件體積：
- 對於規則形狀（如板材、棒材）：體積 = 長度 × 寬度 × 厚度（或截面積 × 長度）。務必確保所有尺寸單位統一（例如全部使用公分 cm）。
- 對於不規則形狀：可使用CAD軟體直接計算體積，或將其分解為多個規則形狀分別計算後再相加。
- 計算重量： 將計算出的體積（單位：cm^3）乘以所選合金的密度（單位：g/cm^3），即可得到零件的重量（單位：克 g）。若需轉換為公斤，將結果除以1000即可。
計算範例
計算一根長度為2米（200公分）、寬度為10公分、厚度為0.5公分的 6061 鋁板的重量。
- 密度： 2.70 g/cm^3
- 體積： 200 cm × 10 cm × 0.5 cm = 1000 cm^3
- 重量： 1000 cm^3 × 2.70 g/cm^3 = 2700 克 = 2.7 公斤
一個需要釐清的概念：「電流密度」
在電氣工程領域，有時會聽到「鋁的電流密度」一詞。需要特別注意的是，此處的「密度」與我們討論的質量密度完全不同。電流密度（Current Density）是指單位截面積內可以安全通過的電流量，單位通常是安培/平方毫米（A/mm^2）。它是一個衡量導體載流能力的電氣性能指標，與材料的重量無關。
常見問題 (FAQ)
Q1: 鋁的標準比重是多少？
A: 在常溫下，工業純鋁的標準比重大約是 2.70 克/立方公分 (g/cm^3)。這個數值是鋁材計算的基礎。
Q2: 為什麼不同的鋁合金比重會不同？
A: 因為鋁合金是透過添加其他金屬元素來改善性能的。這些合金元素本身的密度各不相同。添加比鋁重的元素（如銅、鋅）會使合金比重增加；而添加比鋁輕的元素（如鎂、矽）則會使合金比重降低。
Q3: 鋁和鋼、銅相比，重量相差多少？
A: 在體積相同的情況下，鋁的重量大約只有 鋼（約7.85 g/cm^3）或銅（約8.9 g/cm^3）的三分之一。這是鋁在輕量化應用中最核心的優勢。
Q4: 如何精確計算一個鋁件的重量？
A: 首先，確定您使用的鋁合金牌號（如6061或7075）並查到其精確密度。接著，計算該零件的總體積（若是規則形狀，則為長×寬×高）。最後，將 體積乘以密度，即可得出重量。請務必保持單位一致。
Q5: 哪種常見的鋁合金最輕？哪種最重？
A: 在常見的鍛造鋁合金中，富含鎂的 5000系列 合金通常最輕，例如5083的比重約為 2.66 g/cm^3。而含有較多銅和鋅等重金屬的 2000系列 和 7000系列 則最重，例如7075的比重可達 2.81 g/cm^3。
Q6: 鋁是否有毒性？
A: 關於鋁的毒性問題，一般而言，金屬鋁本身性質穩定，無毒。這也是為何它能被廣泛用於食品包裝（如鋁箔、鋁罐內壁塗層）和炊具。然而，對於腎功能不全的患者，或在特定條件下（如酸性物質烹煮），微量鋁溶出並長期大量攝入可能對人體造成負擔。但對健康成人而言，正常接觸與使用下，鋁被認為是安全的。
總結
鋁的比重，以純鋁的 2.70 g/cm^3 為基準，是其所有應用價值的核心。這一數值雖然會隨著合金元素的加入而發生變化——重元素（如銅、鋅）使其增加，輕元素（如鎂）使其降低——但其整體「質輕」的本質始終不變，始終保持在僅約為鋼、銅三分之一的優越水平。
從1000系列純鋁到7000系列超強力航太合金，對不同牌號鋁材比重的精確掌握，是實現產品輕量化、提升能源效率、降低結構負載的基礎。結合其優異的加工性、耐蝕性、導熱性以及高度的可回收性，鋁無疑是現代工程技術中，被世界各先進國家廣泛應用的、兼具性能與永續性的關鍵材料。理解其比重，就是掌握了開啟其無限應用潛能的第一把鑰匙。
