从地球到月球——铝合金在军事领域的发展史

铝是地壳中含量最多的金属，高达地壳总重量的7.45%。早在古老的中世纪，铝的天然化合物就被人类广泛用于建筑、装饰（如天然的刚玉，黄玉）之中。但是，由于铝的化学性质非常活泼，还是一类两性金属，可以同时和酸碱反应，所以纯铝生产难度非常大。直到1830年，瑞典科学家汉斯·克里斯丁·奥斯特（即电流的磁效应发明者）才利用电解的钠（钾也可以），通过置换反应提取出纯净的铝。

由于钾、钠空气中无法保存，且需要电解法生产，而那时候商业发电机还未被发明，所以一直到1870年，铝的单价一直和银比肩，达到1美元/盎司。要知道，1888-1959年买一瓶可口可乐才5美分！正因为它的取之不易，拿破仑三世收藏的铝制餐具只有在国宾到来时才会拿出使用。但就是这样一种高价格的金属，伟大的科幻小说作家——儒勒·凡尔纳却敏锐的意识到，铝的轻便极有可能是一种理想中的航空器材料（当然，凡尔纳的《征服者罗毕尔》也设想了使用“纸”制成的飞行器，预言了100年后碳基高分子复合材料应用在航空器），并写出了大作《从地球到月球》。在该书中，他畅想了美国人在佛罗里达州的坦帕建设了一门铸铁巨炮，以数百万磅的火绵（即20年后才得以应用的硝酸纤维素无烟火药）发射1枚载人的圆锥形铝制炮弹到月球，并因为月球引力而返回地球，在大海上溅落被救回的冒险旅程。最后，在本书发表后的100年后，1969年阿姆斯特朗正是在坦帕市旁边的卡纳维尔角航天基地，乘坐铝和钛制造的阿波罗11号飞向月球，并在数天后在大洋中溅落回收。由于凡尔纳大部分设想都在几十年后甚至100年后得到验证，他也无愧为世界上最伟大的科幻小说作家。

当然，以现在观点看，凡尔纳笔下“无所不能”的铝存在诸多缺陷。第一，纯铝太软了，以至于它根本承受不了发射的巨大加速度；第二，铝的熔点又太低了，无法承受火药推进和重返大气层时上千度高温；最后，铝在高温时会变得非常活泼，很容易和空中的氧气发生氧化反应。所以，时至今日，也没有用纯铝制造的炮弹问世。但是，在飞行器上，它确确实实是从那时候就开始崭露头角。

1886年，也就是爱迪生发明灯泡的8年后，美国科学家终于对铝的工业化生产做出了革命性的提升——冰晶石助熔电解法。在此之前，人们要不是使用钾、钠的置换反应生产铝，要不就是花上2000度高温来电解三氧化二铝，成本高的离谱；但是，自从使用冰晶石作为助熔剂后，三氧化二铝的熔点就会锐减到900摄氏度，比起炼铁的1600度还要低很多，这样再利用石墨/焦炭电极电解就可以源源不断生产出铝来。这样一来，铝的生产成本大幅下降，铝也从实验室走向了百姓家。这时候，航空器的研究也不断取得突破，19世纪末，著名的齐柏林伯爵开发出了第一款适合远距离飞行的航空器——齐柏林硬壳飞艇。而这种飞艇的外壳，就是用当时非常先进的铝合金生产的。

虽然齐柏林飞艇获得了成功，但是，人们还是发现一个问题：纯铝太软了。这样一来，齐柏林飞艇就必须时刻充满气体，没有气体撑大气囊分摊压力，铝制骨架就会被压垮。因此，在1903年莱特兄弟发明的飞机上，当时人们也没考虑到铝。必须要找到一个办法，让铝合金确保它的轻质量特点下，提升它的强度，这样才能真正应用于飞行器。1903年，德国科学家发现含有4%铜的铝合金可以在淬火后慢慢硬化，1909年，这种铝合金开始小批量生产，就是著名的“杜拉铝”。在第一次世界大战时，杜拉铝成为了齐柏林飞艇的主要框架材料，受到德国人的严密保密（和合成氨技术一样），直到一战德国战败，杜拉铝的技术才解密流向世界，并在1930年代得到了极大的推广。而在1930年代开发的航空铝合金中，对中国人最熟悉的莫过于零式战斗机的50岚金属了。

以下资料来自：https://www.zhihu.com/tardis/landing/360/ans/583544050?query=50%E5%B2%9A%E9%87%91%E5%B1%9E&mid=d10555800ccb0974e5f30c8e9bbc4909&guid=B9C69845C435CD2EDF3F7A85AE2DD70C.1591767632393

它以开发者五十岚勇命名，以晶界腐蚀发展到全面腐蚀的原理克服了该类铝合金的晶界腐蚀难题。它的抗拉强度突破了500兆帕，在低温情况下完全可以媲美钢的硬度。二战后，该类合金被命名为2000系铝铜镁合金，一直在市场上销售至今。

2000系铝合金虽然有着刚度不错的优势，但是它容易发生火灾。因此美国在1943年开发的B-29轰炸机上，创新使用了铝-锌-镁合金，这种合金日后编号为7075-T6系列铝合金。这种铝合金强度经过热处理后，比起2000系铝合金有着本质的飞跃，因此战后一举成为世界上最广泛的铝合金产品。当然，由于7075铝合金的生产不易，尤其是热处理技术和晶粒细化技术被少数公司垄断，加上过去缺乏航空工业的大量需求，中国一直到2010年才因为高铁列车的消费拉动，将国产7075铝合金的生产能力大幅提升（同时还因为歼20而推升了国内钛合金和碳纤维量产，果然国家工程有强大的科技火车头效应）。

上天入地

虽然铝合金在航空航天领域取得了巨大的飞跃，但是由于铝合金成本一时降不下来，所以它在其他领域的推广一直缓慢。后来，在1950年代美国新一轮自动步枪选型中，菲斯柴尔德（仙童）飞机下属企业，阿玛莱特公司推出了一把划时代的轻武器——AR-10自动步枪。该武器我在之前这篇专栏已经详细写过了。大家可以看一下。

AR-15采用了非常多革命性的设计，如铝合金枪身，铝合金包裹的轻质枪管和铝合金弹匣。虽然之后因为铝包铁枪管表现不佳（和两者热膨胀差异有关）而换回钢枪管，但其他部分一直沿用7075铝合金制造至今。所以AR-15比起同时代的M14，AKM步枪都要轻很多，只有2.8千克。由于它的成功，日后很多国家在设计新武器的时候，都开始大量应用铝合金和日后更加先进的钛合金。

除了制作枪械大炮，铝合金从1960年代开始，也进军了车辆市场。最经典的铝合金车型莫过于M113系列装甲车和BMD系列空降战车了。

使用铝合金制造装甲车在某些人看起来有些令人惊奇。铝合金强度比起硬化钢差，而且高温下（如车辆起火，通过燃烧的地面时）铝合金的刚度也会明显减弱。但是，采用7075铝合金的M113却有个明显优势——在12.3吨的重量下（BMP-1，63式同级），凭借铝合金的轻量优势，可以做更厚的装甲。所以M113得以在车身正面装载38mm厚的铝合金装甲板，而63式只有14mm钢板。所以，铝合金装甲在面对小口径武器和炮弹碎片时，可以凭借更大的厚度取得堪比钢材的防护效果。因此，自从M113后，各国也广泛将铝合金用在装甲车辆以降低重量，如苏联的BMD空降战车，美国的悍马车等。

中国的铝合金工业则发展一波三折。根据《中国铝合金热轧工业的发展历史和现状》一文，中国铝合金虽然起步不晚，但由于我国的铝合金下游需求——航空航天，高性能汽车等发展缓慢，导致我国高端铝合金市场和生产能力发展缓慢。因此，我们在80年代开始摸索使用铝合金制造枪械的时候，因为缺乏7075铝合金，不得不用4000系列铝合金生产89式重机枪、6000系列铝合金生产CQ系列步枪，导致这些枪的性能有所欠缺，给我们不少遗憾和教训。

2010年之后，随着我国高铁行业、歼20战斗机的快速发展，7000系列铝合金，钛合金，碳纤维发展开始全面加速。得益于下游巨大的需求和国家巨大的投资，我国铝合金开始从航空航天的窄小市场进军全行业。轻武器行业也得到了巨大的提高，2010年后的89式重机枪机匣架构从4000系列铸造铝合金提升为7075航空铝合金，三脚架的钛合金也换成了航空钛合金，使得89式重机枪在全重不变下可以将枪管升级为增重1.5千克的重型枪管，寿命从4000发提升到12000发。因改换重枪管，原先连续发射导致弹药热散的问题也消灭了，这使得89可以连续射击，彻底摆脱了“中看不中用”的帽子，终于成为世界上最轻、机动性最好的大口径机枪。而中国新一代的轻武器，也大量使用了轻质铝合金来进一步降低重量。

除了轻武器受益，陆军其他的武器也开始广泛使用高性能铝合金。如最近亮相的AH-4轻型榴弹炮，大量采用航空铝合金和航空钛合金制造，其性能已经追上了M777超轻型155榴弹炮，可以方便的空运和直升机调运，极大的便利了山地作战和快反作战。

俗话说，人是铁饭是钢，材料就像工业的粮食，只有材料学不断取得成就，整个工业系统才会更加茁壮成长。