鋁的綜合作用
化學先生 / 2019-05-17
19世紀中期的一天，法國皇帝拿破侖三世，就是曾威震歐洲的波拿巴拿破侖的外期，在言廷中舉行了一次盛大的宴會。宴席上，在各位客人的面前，都擺上了精致的銀制餐具，在明晃晃的燭光輝映下，這些銀器發(fā)射出銀色的光芒?？墒?，離皇上近的客人們都注意到了:皇上面前擺的銀色餐具卻沒有光澤。客人們動起來，商窗私語。拿破倉三世見狀告訴大家:這套餐具是用一種新金屬鋁制成的，由于它的價值遠遠超過金銀，所以非常抱激，今天不能讓客人們都用上它。“啊，鋁!”聽說過的和未聽說過的客人都興奮起來了。據(jù)說宴會的高潮是客人們舉起自己的銀杯一一與皇上的鋁杯碰杯，以稍稍滿足自己對鋁的欲望。
鋁是地殼中含量很多的金屬，占到地殼總重量的7.45％，比鐵幾乎多1倍。在100多年前，為何會如此貴重呢?
因為它的性質很活潑，它與氧結合緊密，賴在礦石中死活也不肯出來，提煉它非常困難。為把這活潑的鋁從礦石中拽出來，人們做過許多努力。
1827年，烏勒興致勃物地就提煉鋁的問題，去哥本哈根拜訪奧斯特。盡管奧斯特告訴他不打算繼續(xù)搞這項試驗了，烏勒仍興致盎然，一返回德國就立即全力以赴，終于在這一年年底時用鉀還原無水氯化鋁獲得了少量灰色粉末狀的鋁。烏勒堅持將實驗進行下去，在18年后的1845年，他終于提煉出了一塊致密的鋁塊來。
但是，烏勒制取鋁的方法不可能應用于大量生產(chǎn)。這樣制得的鋁產(chǎn)量極少，價格昂貴，正如前面所述，用鋁做成的餐具僅能供皇帝享用。作為至尊至貴的皇帝，竟然不能滿足客人使用鋁制管具的要求，這使拿破侖三世深為遺。他找來了法國化學家德維爾:“先生，您是否能找到一種大量制取鋁的方法，可使我的每位客人面前都能擺上鋁餐具。甚至能使我的衛(wèi)兵戴上鋁頭盔呢？
拿破倉三世按給德維爾大量經(jīng)費。終于，德維爾不負所托，1854年在烏勒實驗基礎上用鈉代替鉀還原出了金屬鋁，開始了鋁的工業(yè)生產(chǎn)。1855年，在巴察舉行的世界博覽會上，有一小塊鋁放置在最珍貴的珠寶旁邊，它的標簽上注明著“來自黏土的白銀。”它就是德維爾的成果。德維爾的純鋁為法國皇帝帶來了極大的榮耀，拿破侖三世驕做地宣告:“我們法國人是發(fā)現(xiàn)鋁的捷足先登者!”德維爾卻不愿掠人之美，他親手用鋁轉造了一校紀念章，上面刻著烏勒的名字、頭像和“1827”這個年份，作為禮物鄭重地贈給他的德國同行和先驅。兩人由此成了親密的朋友。
人稱“德維爾的銀子”的鋁在巴黎世界博覽會上的展出，意味著鋁已邁入了世界市場的大門。
1914年，第一次世界大戰(zhàn)正在法國北部激烈地進行。一天拂曉，在前線的英法聯(lián)軍發(fā)現(xiàn)德國的齊柏林飛艇部隊旋風般地掠過天空。飛艇巨大的身軀就像怪物一樣壓在人們心頭，戰(zhàn)場上頓時一片驚恐。聯(lián)軍司令部要求高炮部隊不惜任何代價也要擊落德軍齊柏林飛艇。因為它的出現(xiàn)向英國和法國人提出了一系列間題:為什么齊柏林飛艇能帶那么多炸彈?又能飛得那么高、那么遠?制造這種飛艇用的金屬材料究竟是什么?終于一架飛艇被擊落，使科學家獲得了寶貴的第一手材料。飛艇的秘密終于揭開了。制飛艇的金屬材料是鋁的合金一一杜拉鋁。它是德國格廷根大學沃拉教授的助手阿·威廉于1907年5月在一次偶然的機會中發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)物。其構架是一種添加了4％的銅及少量鎂、錳的鋁合金，經(jīng)高溫溶火，時效硬化處理后而成的一種硬鋁，后在杜拉實現(xiàn)了工業(yè)化，故命名為杜拉鋁。
20世紀初杜拉鋁的誕生，為嶄露頭角初試鋒芒的航空工業(yè)帶來了蓬勃生機。鋁以壓倒群芳的優(yōu)勢一舉摘取了飛行材料霸主的桂冠。1912年當?shù)聡茖W家雷斯涅爾設計了世界第一架鋁飛機后，各國的軍用飛機相繼采用此種材料。以德國霍克戰(zhàn)斗機和多次深入奧、匈帝國建立奇功的加勃羅列加菱炸機以及日本的零式戰(zhàn)斗機和曾在廣島、長崎上空投原子彈的B-29美制遠程菱炸機為代表的機種，在設計、制造和取材上都無愧是第一二次世界大戰(zhàn)中鋁制材料飛機的校俊者。特別是日本的零式戰(zhàn)斗機所使用的超硬(EXSD)，強度可達60-75千克/平方毫米。其制鋁技藝之精。至今也堪稱一絕，與后來英法合制的超音速協(xié)和式飛機相比也毫無遜色。
隨著飛機工業(yè)的發(fā)展，鋁工業(yè)形成空前局面。鋁產(chǎn)量由1916年9個國家的13萬噸增到1943年19個國家的195萬噸。1952年更達到203萬噸超過二戰(zhàn)時最高產(chǎn)量。
豐富的鋁材，促進了航空技術的發(fā)展，又使傳統(tǒng)的鋁合金在阻滯飛速躍升的音障和熱障的挑戰(zhàn)面前力不勝任。為此，一批新的高強度合金、高勞性能合金，高剛度合金、時熱合金和低比重合金等鋁材料相繼應運而生，其綜合性能可與鈦合金相媲美。如鋁合金，以其卓越的較低密度較高的比剛度和比強度等性能，使飛機減重10％-20％，同時為高超音速航天飛機能像飛機一樣從跑道起飛并達到軌道速度的設想，在材料上提供了希望。
由于鋁合金成本低、工藝性能好故仍不失為結構材料中呼聲較高的現(xiàn)代飛機最佳材料。目前一架現(xiàn)代化的超音速飛機，鋁合金的重量要占總重量的70％左右。以超過兩倍音速飛行的“協(xié)和式”客機，用鋁材料達20一噸。1970年6月美國研制的B-1戰(zhàn)略菱炸機用鋁為112噸。
在航天飛行器中鋁合金也得到廣泛應用。我國的第一顆人造地球衛(wèi)星東方紅”1號的外完就是鋁合金制成的。美國“阿波羅”11號宇宙飛船使“阿波羅”11號登月用的金屬材料中，鋁合金占75％;航天飛機的骨架桁條和蒙皮能壁絕大部分也都用鋁合金作結構材料。無怪于人們把鋁稱作“飛行金屬”。
在鋁合金材料得到“空中驕子”美的同時。有“陸地全”之稱的組克也格外鐘情于它。50年代。英國進行的有關均質裝甲材料D54S和E74S與IT80裝甲鋼的防護性能的實驗表明:在相同面密度的情況下、對彈破片的防護能力鋁裝甲優(yōu)于鋼甲。弾れ直徑的增大。入射角在30°～45°范圍之外，鋁裝甲防護的優(yōu)越性就更為突出。而且鋁合金具有強、硬、切等特點與同等防護力的鋼裝甲相比重量可減少60％以上。鋁可以緊密結合。能減少車體結構的胞區(qū)。在鋁板的近表層加鑄鋼條的裝甲制造工藝，還可使穿甲彈命中時發(fā)生方向偏轉能有效地對付長桿滑炮彈對組克的攻擊。
在70年代中期，隨著英國耗資600萬英研制出鋼、鋁、陶瓷復合而成的喬巴姆裝甲后，鋁裝甲已由裝甲輸送車發(fā)展到輕型坦克、步兵戰(zhàn)車和中型主戰(zhàn)坦克。美國的M2型步兵戰(zhàn)車，英國的F-10型蝸式輕型坦克和“勇士”式中型主戰(zhàn)坦克都是其中的使使者。我國早在60年代中即開始了鋁裝甲材料的研制，一種新型的5210鋁裝甲已在部分戰(zhàn)車上使用。
鋁除了被用于防護裝甲外，為了節(jié)約能耗，減輕重量，提高速度，增加載重，坦克內(nèi)的許多重要部件都相繼出現(xiàn)“鋁化”的趨勢。以英國“式”坦克為例，其平衡肘連桿底座、車盤、轉向節(jié)、引導輪、負重輪、炮塔座圈、煙幕發(fā)射器、彈藥架和貯藏艙等均為鋁合金制品，重量較鋼結構的可減輕一半以上。
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