中航证券:材料战争启示录:铝合金篇(附报告)

由于涉及到国家安全及社会稳定,成本端敏感度较低,因此多数最新科技都会率先应用于军事领域,几乎所有民用技术都是由军用转化而来,纵观世界科技史就是军转民的历史。科技提升了战争层次,战争加速了科技发展,两者交融,在人类激烈对抗这一过程中,战争对于相关材料的发现、推广、使用起到了至关重要的作用。当前世界战争的形式已发生许多变化,但在“更快更高更强”的目标之下,不变的是各类新型军事装备的更新迭代,不变的是对于相关新材料性能提升的持续追求;

本篇铝合金,作为系列报告的第一篇,按照时间顺序依次阐述了铝合金从被人们发现到规模化量产,从高贵的皇室器皿到翱翔天空的飞行器,最终又融入人们日常生活的发展历史。新材料的诞生一定是有其时代背景和历史机遇的,铝的发现是科学理论发展的结晶,其量产则归功于电气时代的来临,两次世界大战提供了铝合金快速发展的舞台,冷战的阴霾也掩盖不了铝合金的熠熠光辉,而“和平时代”的到来,铝合金又装点了我们生活的方方面面..

铝的规模化生产:古代中国人就已经用明矾净水了,古代希腊和罗马人也用明矾作染料和收殓剂。西方人把明矾叫做alum,拉丁文的意思是“苦涩的盐”,跟硫酸镁的“泻盐”区分开。有人将碱加入明矾溶液,得到了白色的沉淀,并在煅烧后的到了白色的粉末,但当时没有人说得清楚这些粉末和明矾的关系。1754年,炼金术士马格拉夫发现这种白色的粉末性质和石灰完全不同,在与硫酸溶解后,蒸发掉水分,就得到了明矾的晶体,因此他推断白色粉末是其中的组分,将这种白色粉末命名为矾土,并视其为自己的独门绝技;

随后1789年化学家拉瓦锡和德莫乌将矾土作为化学元素,排进了他们的元素名单中,但是随后德莫乌自己否定了这一结论,他认为这种化学元素或许不是矾土本身,而是其中的组分。几十年后,化学家戴维也是受到了德莫乌的启发,从电解碱中寻找新的元素,在他成功的用电流分解了钠钾镁钙之后,他把目光投向了矾土、石英、锆石以及绿柱石,经过仔细的研究,他确定这几种物质中有他想要的答案:“我是多么幸运,现在已经有十足的证据证明, 这中间存在我希望的找到的金属元素,我将其命名为:硅、铝、锆、铍。”然而出乎戴维意料的是,事实上他得到的只不过是铁铝合金,并不是纯净的铝。直到1825年丹麦科学家奧斯特将钾溶解在水银里没让得到的钾汞齐与无水氯化铝反应,从而得到了一团新的金属,这就是纯净的铝。就这样,一直隐藏在各类化合物中的金属铝,终于以这样的方式与人类见面了。

尽管铝在实验室被人们了解,但距离它大规模生产还有很多的问题,其中最为突出的矛盾就是铝过高的制造成本。尽管法国化学家德维尔尝试用钠替代钾来还原氯化铝,但成本依然是普通人无法承担的。事实上,直到19世纪80年代,铝的价格都非常昂贵。在1855年的巴黎博览会上,铝作为一种高贵的金属被与王冠上的宝石一同展出,标签上注明“来自黏土的白银”。在当时,一盎司( 30g )铝和普通工人一天的工资差不多。铝在实验室制备的方法主要存在两个问题,第一,还原铝的化合物是钾和钠,都是很贵的金属,本身也容易受潮,不易保存,第二,当时电力刚刚使用,电解铝需要达到2300度的高温,能耗很高,因此制造成本居高不下;

好在很快人们发现通过加入冰晶石可以有效降低电解铝的熔点,同时西门子的发电机又大幅的降低了电力成本。1886 年美国的霍尔和法国的埃鲁分别独立的发明了制铝的新工艺,这种方法被成为“霍尔-埃鲁法”,该工业化一直沿用至今。值得一提的是,霍尔和埃鲁不仅在毫无交流的情况下独自发明了铝工业化生产的方法,还是同年出生同年去世的缘分,不由让人感慨造化弄人。随着铝的大规模工业化生产,铝价也逐渐随着各类应用普及开来而降低,不像刚出现时那样贵如黄金,从而为铝在航空领域的大显身手提供了充分条件。

中航证券:材料战争启示录:铝合金篇(附报告)

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