鋁是地殼中含量最多的金屬，高達(dá)地殼總重量的7.45%。早在古老的中世紀(jì)，鋁的天然化合物就被人類廣泛用于建筑、裝飾（如天然的剛玉，黃玉）之中。但是，由于鋁的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，還是一類兩性金屬，可以同時和酸堿反應(yīng)，所以純鋁生產(chǎn)難度非常大。直到1830年，瑞典科學(xué)家漢斯·克里斯丁·奧斯特（即電流的磁效應(yīng)發(fā)明者）才利用電解的鈉（鉀也可以），通過置換反應(yīng)提取出純凈的鋁。

由于鉀、鈉空氣中無法保存，且需要電解法生產(chǎn)，而那時候商業(yè)發(fā)電機(jī)還未被發(fā)明，所以一直到1870年，鋁的單價一直和銀比肩，達(dá)到1美元/盎司。要知道，1888-1959年買一瓶可口可樂才5美分！正因為它的取之不易，拿破侖三世收藏的鋁制餐具只有在國賓到來時才會拿出使用。但就是這樣一種高價格的金屬，偉大的科幻小說作家——儒勒·凡爾納卻敏銳的意識到，鋁的輕便極有可能是一種理想中的航空器材料（當(dāng)然，凡爾納的《征服者羅畢爾》也設(shè)想了使用“紙”制成的飛行器，預(yù)言了100年后碳基高分子復(fù)合材料應(yīng)用在航空器），并寫出了大作《從地球到月球》。在該書中，他暢想了美國人在佛羅里達(dá)州的坦帕建設(shè)了一門鑄鐵巨炮，以數(shù)百萬磅的火綿（即20年后才得以應(yīng)用的硝酸纖維素?zé)o煙火藥）發(fā)射1枚載人的圓錐形鋁制炮彈到月球，并因為月球引力而返回地球，在大海上濺落被救回的冒險旅程。最后，在本書發(fā)表后的100年后，1969年阿姆斯特朗正是在坦帕市旁邊的卡納維爾角航天基地，乘坐鋁和鈦制造的阿波羅11號飛向月球，并在數(shù)天后在大洋中濺落回收。由于凡爾納大部分設(shè)想都在幾十年后甚至100年后得到驗證，他也無愧為世界上最偉大的科幻小說作家。

當(dāng)然，以現(xiàn)在觀點(diǎn)看，凡爾納筆下“無所不能”的鋁存在諸多缺陷。第一，純鋁太軟了，以至于它根本承受不了發(fā)射的巨大加速度；第二，鋁的熔點(diǎn)又太低了，無法承受火藥推進(jìn)和重返大氣層時上千度高溫；最后，鋁在高溫時會變得非?；顫?，很容易和空中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)。所以，時至今日，也沒有用純鋁制造的炮彈問世。但是，在飛行器上，它確確實實是從那時候就開始嶄露頭角。

1886年，也就是愛迪生發(fā)明燈泡的8年后，美國科學(xué)家終于對鋁的工業(yè)化生產(chǎn)做出了革命性的提升——冰晶石助熔電解法。在此之前，人們要不是使用鉀、鈉的置換反應(yīng)生產(chǎn)鋁，要不就是花上2000度高溫來電解三氧化二鋁，成本高的離譜；但是，自從使用冰晶石作為助熔劑后，三氧化二鋁的熔點(diǎn)就會銳減到900攝氏度，比起煉鐵的1600度還要低很多，這樣再利用石墨/焦炭電極電解就可以源源不斷生產(chǎn)出鋁來。這樣一來，鋁的生產(chǎn)成本大幅下降，鋁也從實驗室走向了百姓家。這時候，航空器的研究也不斷取得突破，19世紀(jì)末，著名的齊柏林伯爵開發(fā)出了第一款適合遠(yuǎn)距離飛行的航空器——齊柏林硬殼飛艇。而這種飛艇的外殼，就是用當(dāng)時非常先進(jìn)的鋁合金生產(chǎn)的。

雖然齊柏林飛艇獲得了成功，但是，人們還是發(fā)現(xiàn)一個問題：純鋁太軟了。這樣一來，齊柏林飛艇就必須時刻充滿氣體，沒有氣體撐大氣囊分?jǐn)倝毫?，鋁制骨架就會被壓垮。因此，在1903年萊特兄弟發(fā)明的飛機(jī)上，當(dāng)時人們也沒考慮到鋁。必須要找到一個辦法，讓鋁合金確保它的輕質(zhì)量特點(diǎn)下，提升它的強(qiáng)度，這樣才能真正應(yīng)用于飛行器。1903年，德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)含有4%銅的鋁合金可以在淬火后慢慢硬化，1909年，這種鋁合金開始小批量生產(chǎn)，就是著名的“杜拉鋁”。在第一次世界大戰(zhàn)時，杜拉鋁成為了齊柏林飛艇的主要框架材料，受到德國人的嚴(yán)密保密（和合成氨技術(shù)一樣），直到一戰(zhàn)德國戰(zhàn)敗，杜拉鋁的技術(shù)才解密流向世界，并在1930年代得到了極大的推廣。而在1930年代開發(fā)的航空鋁合金中，對中國人最熟悉的莫過于零式戰(zhàn)斗機(jī)的50嵐金屬了。

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它以開發(fā)者五十嵐勇命名，以晶界腐蝕發(fā)展到全面腐蝕的原理克服了該類鋁合金的晶界腐蝕難題。它的抗拉強(qiáng)度突破了500兆帕，在低溫情況下完全可以媲美鋼的硬度。二戰(zhàn)后，該類合金被命名為2000系鋁銅鎂合金，一直在市場上銷售至今。

2000系鋁合金雖然有著剛度不錯的優(yōu)勢，但是它容易發(fā)生火災(zāi)。因此美國在1943年開發(fā)的B-29轟炸機(jī)上，創(chuàng)新使用了鋁-鋅-鎂合金，這種合金日后編號為7075-T6系列鋁合金。這種鋁合金強(qiáng)度經(jīng)過熱處理后，比起2000系鋁合金有著本質(zhì)的飛躍，因此戰(zhàn)后一舉成為世界上最廣泛的鋁合金產(chǎn)品。當(dāng)然，由于7075鋁合金的生產(chǎn)不易，尤其是熱處理技術(shù)和晶粒細(xì)化技術(shù)被少數(shù)公司壟斷，加上過去缺乏航空工業(yè)的大量需求，中國一直到2010年才因為高鐵列車的消費(fèi)拉動，將國產(chǎn)7075鋁合金的生產(chǎn)能力大幅提升（同時還因為殲20而推升了國內(nèi)鈦合金和碳纖維量產(chǎn)，果然國家工程有強(qiáng)大的科技火車頭效應(yīng)）。

上天入地

雖然鋁合金在航空航天領(lǐng)域取得了巨大的飛躍，但是由于鋁合金成本一時降不下來，所以它在其他領(lǐng)域的推廣一直緩慢。后來，在1950年代美國新一輪自動步槍選型中，菲斯柴爾德（仙童）飛機(jī)下屬企業(yè)，阿瑪萊特公司推出了一把劃時代的輕武器——AR-10自動步槍。該武器我在之前這篇專欄已經(jīng)詳細(xì)寫過了。大家可以看一下。

AR-15采用了非常多革命性的設(shè)計，如鋁合金槍身，鋁合金包裹的輕質(zhì)槍管和鋁合金彈匣。雖然之后因為鋁包鐵槍管表現(xiàn)不佳（和兩者熱膨脹差異有關(guān)）而換回鋼槍管，但其他部分一直沿用7075鋁合金制造至今。所以AR-15比起同時代的M14，AKM步槍都要輕很多，只有2.8千克。由于它的成功，日后很多國家在設(shè)計新武器的時候，都開始大量應(yīng)用鋁合金和日后更加先進(jìn)的鈦合金。

除了制作槍械大炮，鋁合金從1960年代開始，也進(jìn)軍了車輛市場。最經(jīng)典的鋁合金車型莫過于M113系列裝甲車和BMD系列空降戰(zhàn)車了。

使用鋁合金制造裝甲車在某些人看起來有些令人驚奇。鋁合金強(qiáng)度比起硬化鋼差，而且高溫下（如車輛起火，通過燃燒的地面時）鋁合金的剛度也會明顯減弱。但是，采用7075鋁合金的M113卻有個明顯優(yōu)勢——在12.3噸的重量下（BMP-1，63式同級），憑借鋁合金的輕量優(yōu)勢，可以做更厚的裝甲。所以M113得以在車身正面裝載38mm厚的鋁合金裝甲板，而63式只有14mm鋼板。所以，鋁合金裝甲在面對小口徑武器和炮彈碎片時，可以憑借更大的厚度取得堪比鋼材的防護(hù)效果。因此，自從M113后，各國也廣泛將鋁合金用在裝甲車輛以降低重量，如蘇聯(lián)的BMD空降戰(zhàn)車，美國的悍馬車等。

中國的鋁合金工業(yè)則發(fā)展一波三折。根據(jù)《中國鋁合金熱軋工業(yè)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀》一文，中國鋁合金雖然起步不晚，但由于我國的鋁合金下游需求——航空航天，高性能汽車等發(fā)展緩慢，導(dǎo)致我國高端鋁合金市場和生產(chǎn)能力發(fā)展緩慢。因此，我們在80年代開始摸索使用鋁合金制造槍械的時候，因為缺乏7075鋁合金，不得不用4000系列鋁合金生產(chǎn)89式重機(jī)槍、6000系列鋁合金生產(chǎn)CQ系列步槍，導(dǎo)致這些槍的性能有所欠缺，給我們不少遺憾和教訓(xùn)。

2010年之后，隨著我國高鐵行業(yè)、殲20戰(zhàn)斗機(jī)的快速發(fā)展，7000系列鋁合金，鈦合金，碳纖維發(fā)展開始全面加速。得益于下游巨大的需求和國家巨大的投資，我國鋁合金開始從航空航天的窄小市場進(jìn)軍全行業(yè)。輕武器行業(yè)也得到了巨大的提高，2010年后的89式重機(jī)槍機(jī)匣架構(gòu)從4000系列鑄造鋁合金提升為7075航空鋁合金，三腳架的鈦合金也換成了航空鈦合金，使得89式重機(jī)槍在全重不變下可以將槍管升級為增重1.5千克的重型槍管，壽命從4000發(fā)提升到12000發(fā)。因改換重槍管，原先連續(xù)發(fā)射導(dǎo)致彈藥熱散的問題也消滅了，這使得89可以連續(xù)射擊，徹底擺脫了“中看不中用”的帽子，終于成為世界上最輕、機(jī)動性最好的大口徑機(jī)槍。而中國新一代的輕武器，也大量使用了輕質(zhì)鋁合金來進(jìn)一步降低重量。

除了輕武器受益，陸軍其他的武器也開始廣泛使用高性能鋁合金。如最近亮相的AH-4輕型榴彈炮，大量采用航空鋁合金和航空鈦合金制造，其性能已經(jīng)追上了M777超輕型155榴彈炮，可以方便的空運(yùn)和直升機(jī)調(diào)運(yùn)，極大的便利了山地作戰(zhàn)和快反作戰(zhàn)。

俗話說，人是鐵飯是鋼，材料就像工業(yè)的糧食，只有材料學(xué)不斷取得成就，整個工業(yè)系統(tǒng)才會更加茁壯成長。