2022材料战争启示录：铝合金篇报告原文.docx

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1、内容目录一、乘风而起的人们41. 1铝的规模化生产41.2齐柏林飞艇51. 3飞行者一号6二、硝烟下的熠熠生辉72. 1一战初出茅庐82.2铝合金研究的黄金年代112. 3二战大显神威13三、为了更快更高更强的目标173. 1更高的天空173.2 更快的速度183.3 日本轻金属的崛起233.4铝合金的新挑战26四、岁月静好下的光彩2711.、名；i口.31图表目录图表1:戴维的笔记图表2：1850年至1930年铝价图表3：齐柏林飞艇图表4：莱特兄弟和他们的飞行者一号图表5：1900年巴黎世界博览会图表6：第一次世界大战欧洲战场形势图图表7：铝合金时效硬化现象图表8：F-13Junker飞机图

2、图表9：M1910铝制水壶图表1。M1910铝制罐头图表11：一战期间铝土矿价格图表12：福特TrimotorNC8407图表13：边界层转拨模型图表14：DC-3商用飞机各类金属含量占比图表15：飞机上的铝合金应用图表16：二战期间美国工业指数图表17：1900年以来美国铝土矿产量统计图表18：1936年到1960年铝土矿价格（美元/磅）图表19：二战及二战后各国铝产量（单位：千吨）图表20：二战及二战后各国铝产量占比图表21：B29轰炸机图表22：零式战斗机图表23：德国亚音速飞机Me-262图表24：第一款超音速试验机X-1图表25：不同型号飞机以及其使用的铝合金牌号图表26：鬼怪H（F

3、4-H）图表27：米格-21图表28：T-33试验机（右二）图表29：7000系铝合金牌号图图表30：齐柏林飞艇骨架的硬铝合金图表31：住友金属开发的硬铝在飞行器上的应用图表32：新型强铝合金开发计划物图表33：零式战机图表34：高超声速飞行器图表34：大型客机用材情况（单位：）图表36：管状草坪椅，来自上世纪60年代图表37：最早的易拉罐形态图表38：捷豹XJ系列图表39：铝制远洋巨轮图表40：铝合金消费领域及占比-、乘风而起的人们1.1 铝的规模化生产古代中国人就已经用明研净水了，古代希腊和罗马人也用明矶作染料和收殓剂。西方人把明矶叫做alum,拉丁文的意思是“苦涩的盐”，跟硫酸镁的“泻盐

4、”区分开。有人将碱加入明矶溶液，得到了白色的沉淀，并在燃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矶的关系。1754年，炼金术土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，就得到了明研的晶体，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矶土，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矶土作为化学元素，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矶土本身，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，他把目光投向了矶

5、土、石英、钻石以及绿柱石，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、错、镀。”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年丹麦科学家奥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。图表戴维的笔记HadIbeensofortunateastohaveobtainedmorecertainevidencesonthissubject,an

6、dtohaveprocuredthemetallicsubstancesIwaainsearchof,Ishouldhaveproposedforthemt於namesoPsilicium,alumium,zirconium,andglucium.来源：化学哲学原理，中航证券研究所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

7、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

8、弄人o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。1.2 齐柏林飞艇在美国内战时期(1861-1865),费迪南德齐柏林伯爵作为军事观察员，在美国考察。当他第一次在葛底斯堡战役中体验到氢气球这种高空监视战场的交通工具，这种新奇的体验给他留下了深刻的印象。他决定自己做一种比载人气球更好的飞行器。退役后的齐柏林决定改进当时德军装备的热气球，制造一种可以完成长途运输、空中侦察、空中作战等多种用途的大型飞行器。在体验了多种方案之后，他将希望寄托在飞艇的身上。事实上，齐柏林伯爵并不是飞艇的发明者，在此之前，德国己经有

9、十多位发明家投入到飞艇的研发过程中，但他们的飞艇却有着非常明显的缺点，那就是操控的不稳定性和本身的脆弱性，本质上仍然是氢气球，也就是早期的软式飞艇；要解决飞艇结构强度的问题，同时又不能增加太多的重量，齐柏林伯爵将目光投在了当时方兴未艾的新材料一一铝上。在齐柏林飞艇出现之前，欧洲大部分的飞艇都是软式飞艇，一般是一个由胶棉和亚麻布制作的大型气囊。而齐柏林飞艇则完全不同，通过铝制骨架和十几个充满氢气的气囊，齐柏林飞艇得以兼顾重量和强度。1900年，齐柏林的LZ-1号，终于试飞成功，此后的所有齐柏林飞艇都在此基础上加以改进。飞艇从而一举成为一战初期德国军队最有力的武器。图表3：齐柏林飞艇来源：百度百科

10、，中航证券研究所1.3 飞行者一号几乎在同一时间，另外一种在当时被人怀疑的新型飞行器，也登上了历史舞台。1903年12月17日，在美国北卡莱纳州的一个晴朗的冬天上午，莱特兄弟坐上了那架后来被称为“飞行者1号”的飞行器上。当时受邀见证的只有五人，试飞成功后，莱特兄弟发电报告诉家人这一好消息，他们的二哥洛林当即拿着电报去找当时代顿市的日报编辑，没想到编辑根本没当真，后来有人将这件事告诉了美国陆军部，他们也对此不以为然，事实上，在莱特兄弟之前，就已经有许多航空界的先驱，探索过什么样的飞行器更适合飞行了。莱特兄弟并不是类似爱迪生那样的专也发明家，他们本来是自行车商，至少在发明创新这块，他们显得有些也余

11、。当时没有人相信两个普通的自行车商，仅仅使用了1000美元，就搞定了那些大名鼎鼎的人前前后后花费数万美金都没有结果的事情;图表4：莱特兄弟和他们的飞行者一号来源：百度百科，中航证券研究所那么，是什么原因使他们能够造出世界上第一款飞机的呢？奥秘就在于，当时的人们造飞机的主要思路是先造好飞机，然后想如何能够驾驶它，而莱特兄弟的思路则截然不同，他们决定先学会驾驶飞机然后制造飞机。原来，之前的发明家都没有亲自去高空体会飞翔的感觉，仅凭借自己的经验和空想来设计飞机，而飞机造好之后就想着如何去适应飞机的飞行，从来没有想过自己先尝试一下飞行的感觉，寻找突破口。而莱特兄弟则完全不同，没有经验的他们首先制造了一

12、架滑翔机，然后在北卡莱罗纳州的基蒂霍克试飞，经过多次实验，他们终于意识到平衡性和轻量化对于飞机升空至关重要；由于当时发动机马力不足，两人重新设计了飞机的发动机，同样面临发动机过重的问题。无独有偶，得益于铝的工业化生产，使用铝制曲柄发动机在成本相差不多的情况下重量减轻了一半。于是，莱特兄弟采用铝制造的曲柄发动机就被安装在飞行者一号身上。在1903年12月17日，莱特兄弟改写了航空历史，奥威尔第一次实现了人类历史上真正意义上的飞行，持续12秒，随后威尔伯将这个记录提升至59秒。新的材料加新的构思，让人类从此进入了航空时代。二、硝烟下的熠熠生辉在20世纪初的黄金年代里，铝被制成了各种新奇的民用品，包

13、括珠宝、日用品、眼镜、光学仪器和餐具中，铝装点了20世纪初繁荣的欧洲，1900年的巴黎万国博览会，就展出了许多用铝制成的珠宝和先进的光学仪器。但是流连于美丽的珠宝和精密的仪器之间的人们怎么也想不到，欧洲大陆即将笼罩在战争的硝烟之中。图表5：/9年巴黎世界博览会来源：Wikipedia,中航证券研究所2.1 一战初出茅庐随着第一次世界大战的打响，世界航空工业迎来了重要发展机遇。除去早期德军使用过少部分飞艇以外，一战的大部分制空权是由飞机主导的。早期的飞机，大多都是木制的，因为其轻巧灵便，制作材料用时相对较短，对于发动机的需求也不用很高，当时一台汽车的直列四缸发动机就足以驱动一架木制的飞机了。但随

14、后人们很快就发现了木制飞机最大的问题,那就是木制飞机的机翼很怕下雨一一因为下雨导致木头重量变重，从而无法起飞，因此需要为飞机储备足够多的机库，而战争中来回变动的防线使得修建大型机库无从谈起，紧张的作战形式由不得飞机在常年下雨的欧洲大陆上间歇性罢工。因此当时的有识之上就提出要寻找材料制作防水的飞机；图表6：第一次世界大成欧洲战场形势图福/*大罗马美国伦敦e注即咫于萨必华爱O彼羯格勒破U“39号儿见儡的鼻AH1S中立fil主盟网役地A-FIJB国主攻方向吩约m主攻方向来源：百度百科，中航证券研究所由此，轻质铝飞机的概念被大家提出，但当时的铝受限于较软的材质无法担此大任。随后,德国科学家威尔姆通过在铝中掺杂少量的铜和镁，提出了铝合金的时效硬化现象，并制造出人类的第一块硬铝。硬铝的出现使得轻质飞机得以使用铝合金的蒙皮，从而大大拓展了铝合金在飞机上的应用；图表7：铝合金时效硬化现象AG CoB%f时间一来源：铝合金最佳固溶时效强化参数研究，中航证券研究所于是一战结束后，世界各国纷纷开始探索新型材料r美国铝业作为当时铝制品的生产公司，也参与了这次对于新材料的探索中。当时的飞机设计对于材料的要求是静强度高，目的是减轻结构重量的同时，降低载重和航程对于发动机的要求。20世纪20到30年代，美国铝业发明了第一款工业航空铝合金研制的2017-T4合金，1924年德国人将其应用于JunkerF-13飞