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一次偶然的科学实验,让他发现了改变世界的材料,铝!

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在早期的飞行中,工程师们依靠木材和帆布等材料来建造飞机。

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莱特兄弟不断地改变材料来减轻飞机的重量,使它能够飞离地面。他们用云杉和灰烬等高强度和重量比的木材建造框架,但必须用钢丝加固,以防止框架在飞行载荷下变得弯曲。飞行表面则覆盖了轻质织物以提供光滑的空气表面。

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但他们最伟大的创造之一是发动机的制造。当时还没有发动机能够满足重量要求,所以他们就发明了自己的发动机。他们是历史上第一个将铝作为发动机的材料,并用它来制造曲轴箱的人。他们甚至把发动机涂成黑色,所以他们的竞争对手不知道发动机是用铝做的。

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铝占地壳的8%。尽管如此,它曾经确实是世界上最昂贵的材料之一。这是一种很难提炼的材料。拿破仑曾设想过这种轻质金属是制造武器和盔甲的理想材料,但他却因为提炼的难度而感到苦恼。最后,他不得不放弃了,而是用于制成餐具和盘子,为最受尊敬的客人服务。

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直到19世纪80年代,人们才发明出能够大规模生产这种材料的方法。短短几年,铝就从地球上最昂贵的金属变成了最便宜的金属之一。价格从1852年的每公斤1200美元下降到20世纪初的每公斤1美元。这为莱特兄弟在飞行器上使用材料提供了便利,所以莱特兄弟选择了铝。

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一战期间的飞机仍然使用木头和帆布作为主要材料,因为当时做出的铝硬度太差。德国科学家艾尔弗雷德·威尔姆偶然发现了一种新的热处理方法,从而炼出一种强度足以用于结构用途的铝合金。

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阿尔弗雷德试图重现淬火硬化的效果就像用铁合金一般。你看到这个过程,是很多了不起的人在不断地实验所得来的。经过加热后700到900度之间的钢淬火油或水的叶片,并迅速冷却,制成称为马氏体形成的晶体结构。但这种技术不适用于铝。

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据说在一个周五的下午,阿尔弗雷德正在测试他研制的一种新型铝合金,这种铝合金中含有大约4%的铜。他按照步骤来淬火,他把金属加热,让热量均匀地分布在整个材料中,然后把金属取出,并将其淬灭,迅速冷却。然后他对材料进行了测试,但并没有真正的改善。沮丧之下,他离开了实验室,留下了剩余的样品。令他惊讶的是,当他在下周一返回时,他发现剩下的样本硬度变得更强了。阿尔弗雷德·威尔姆偶然的发现了材料硬化技术,这一过程将使铝成为世界上新的神奇材料。

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那么这里发生了什么,为什么新的合金会随着时间的推移变得更强呢?要理解这一点,我们需要观察金属的晶体结构。这是一个铝原子,如果有更多的原子加入,它们不会随机排列,它们会形成有重复结构的规则图案。铝形成了一个重复的晶体结构叫做面心立方,它定义了很多材料的性质。其中一个性质是它最容易变形的方向,例如这个晶体结构沿着这个平面最容易变形,这叫做滑移面。

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让我们看看这样的二维立方结构,它很容易使这些结构在平行方向滑动,所以如果在这里施加一个足够大的力,每个原子都会向下移动,材料就会永久变形,这种材料便是纯铝。当我们用铝原子交换铜时会发生什么?铜原子略大于铝原子,当与铝晶格结合时会产生内部应变。当合金被加热时,铜在材料中均匀分布,淬火过程将铜困在这些位置。在这些位置上,铜原子的强度并不大。但随着时间的推移,它们开始结合形成主晶体结构中的次生晶体结构,这被称为第二相。这些第二相的粒子形成了变形的障碍,因为变形会产生更大的力。

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在接下来的几年里,阿尔弗雷德完善了这个过程,计算出了理想的炼制温度和时间。他将自己的新材料命名为Duralumin,并将其用于制造世界上第一架全金属飞机Junkers J1。这个时代铝的影响是不可低估的,它彻底改变了我们的世界。在引入之前,所有的平面框架都是用像这样的刚性桁架结构建造的。

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在使用铝的情况下,工程师可以制造出一种新型的飞行结构,有了这些框架铝形成一个完整的部分,飞机的强度,不仅仅是作为流线型的飞行表面。这些新技术也解决了飞机内部的空间,允许开发宽敞的客机,开启了旅行的新时代。

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全球13%的铝用于能源行业,尽管铜是更好的导体,但所有主要的架空电线都使用铝作为导电材料。要携带与铜线相同的电流,铝线则需要增厚1.5倍,即使是增重两倍。这降低了塔架上的负载,并允许它们之间的跨度大幅增加,节省了大量的建设资金。

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23%的铝用于建筑,帝国大厦是世界上第一座广泛使用这种材料的摩天大楼。它的耐腐蚀和轻便使它成为外部框架和屋顶的完美材料。很明显,如果没有这种材料,我们今天所看到的世界将是非常不同的,直到最近铝才出现竞争对手,那就是复合材料,比如碳增强塑料,但这是另一个话题。

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