Самый распространённый в земной коре металл — алюминий — полтора века назад по стоимости уверенно обходил золото, хотя запасы его в сотни миллионов раз обширнее. Драгоценный алюминий помог человеку подняться в небо. Однако в скором времени, похоже, он уступит звание «крылатого металла» титану и… углероду.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №4(32). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Алюминий в чистом виде впервые получил датчанин Ганс Христиан Эрстед в 1825 году. Он пропустил хлор через раскалённую смесь глинозёма (оксид алюминия) с углём. Полученный хлорид алюминия AlCl₃ Эрстед нагрел со сплавом амальгамой калия. В итоге калий как гораздо более активный металл вытеснил алюминий:

AlCl₃ + 3K = Al + 3KCl 

Высокая стоимость соединений, используемых в этом случае, делает алюминий запредельно дорогим. Известно, что император Франции Наполеон III самым дорогим и уважаемым гостям предлагал алюминиевые столовые приборы (остальным приходилось довольствоваться серебряными ложками и вилками).

До открытия электролитического способа получения алюминий считался очень дорогим металлом. Алюминиевая посуда была признаком богатства.

И уж просто верхом расточительства стало решение американских властей (1885) увенчать Монумент Вашингтона трёхкилограммовой пирамидой из чистого алюминия. Всего одной унции (чуть больше 28 граммов) алюминиевых опилок, оставшихся после производства и монтажа драгоценной пирамиды, с лихвой хватило бы, чтоб выплатить дневной заработок всем занятым на установке монумента рабочим.

Спрос на алюминий из-за его дороговизны был низкий: с 1855 по 1890 год в мире произвели всего 200 тонн этого металла. Однако в следующем десятилетии объём выплавки вырос скачкообразно. Почему? В 1886 году выпускник Оберлинского колледжа (США) Чарльз Мартин Холл открыл новый способ получения алюминия.

Всё началось с реплики преподавателя колледжа Фрэнка Фаннинга Джуэтта, сказавшего студентам: «Если кому-нибудь удастся разработать дешёвый способ получения алюминия в промышленных масштабах, он не только окажет большую услугу человечеству, но и заработает огромное состояние». Услышав это, Холл воскликнул: «Я сделаю это!» И в 21 год молодой химик обрушил алюминиевый рынок, придумав электролитический способ выплавки металла, который впоследствии помог человеку завоевать небо. После долгих опытов, проб и ошибок Холл решил пропустить ток от самодельных цинковых аккумуляторов через расплавы соединений алюминия. То же самое независимо от Холла сделал французский химик Поль Эру.

169‑метровый гранитный обелиск был воздвигнут в 1848–1884 годах для увековечения памяти о первом президенте США Джордже Вашингтоне. Верх монумента украшен четырёхгранной пирамидой, покрытой алюминием.

Оба изобретателя подвергали электролизу расплавы боксита в криолите (Al ₂O₃ в Na₃AlF₆). Электрическая энергия захватывала и осаждала чистый металл в виде миниатюрных самородков на дне электролитической ванны, выполнявшей роль катода. Когда 23 февраля 1886 года молодой учёный обнаружил в охлаждённом сплаве несколько серебристых шариков алюминия, он тотчас же побежал к своему преподавателю, чтобы рассказать об успехе. Сейчас эти первые выплавленные шарики хранятся в американской алюминиевой компании Alcoa в Питтсбурге, а в родном колледже Чарльзу Холлу поставили памятник из чистого алюминия.

Методом Холла — Эру за последнее десятилетие XIX века было получено 28 тысяч тонн алюминия. Сам Холл основал компанию Alcoa (Aluminum Company of America), которая к 1908 году ежедневно поставляла на рынок 45 тонн металла. Умер он в 1914‑м, владея акциями на 650 млн долларов в пересчёте на современные деньги.

Алюминий стал важнейшим конструкционным материалом за счёт легкости, относительной прочности и стойкости к коррозии. Но в периодической таблице есть элемент, свойства которого многократно превосходят алюминиевые. Это титан, выделенный Мартином Генрихом Клапротом в далёком 1795 году из минерала рутила TiO₂ в виде белого порошка. Получить чистый титан в те времена было невозможно — Клапрот выделил диоксид, но именно он дал имя металлу. Спустя 30 лет знаменитый химик и минералог Йёнс Якоб Берцелиус восстановил титан из его диоксида, но итоговый продукт получился очень грязным из-за примесей, а значит, хрупким. Лишь через сто лет, в 1925‑м, голландцы Антон ван Аркель и Ян де Бур создали сложный производственный цикл для получения титана высокой степени чистоты.

В специальном приборе они нагревали неочищенный титан с небольшим количеством йода — образовывался тетрайодид титана TiI₄, который далее подвергался термическому разложению в вакууме. Испаряющийся титан конденсировали на раскалённой вольфрамовой нити. Вот уж действительно титанические сложности с синтезом! Но старания химиков были вознаграждены: очищенный голландским способом титан содержит всего 0,05% примесей. По прочности он сравним со сталью, а порой и превосходит её; соотношение же прочности и плотности лучшее среди всех существующих металлов. Исключительная коррозионная стойкость позволяет хранить металл в морской воде, а высокая тугоплавкость (1668 °С) обеспечила титану место в авиационном моторостроении. Наконец, главное — титана в земной коре очень много, и при появлении дешёвого промышленного способа выплавки перспективы его использования просто безграничны.

Сейчас титан в 34 раза дороже железа, в 7–8 раз — алюминия и меди. Снижение стоимости производства всего на 10% позволит в два раза увеличить потребление. Из-за высокой стоимости титан используется преимущественно в военной авиации. Например, американский истребитель пятого поколения F-22 на 40% состоит из этого «крылатого металла», в гражданских же боингах его доля варьируется в пределах 1,5–8,1%.

Оптимальное отношение прочности к весу позволяет активно применять титан в конструкции бронированных машин и бронежилетов: использование сплава ВТ6 в составе брони американской гусеничной машины «Брэдли» снизило её вес на 35%. Прочнейшая плёнка оксида титана на поверхности металла делает его устойчивым к осадкам и химическому воздействию, да и сам титан выглядит очень эстетично. Монумент «Покорителям космоса» в Москве был облицован титановыми пластинами больше полувека назад и до сих пор отлично смотрится.

 Американский истребитель пятого поколения F-22 состоит на 39% по весу состоит из титана

Герои нашей истории — титан и алюминий — прославились не сами по себе (в чистом виде) и даже не в виде соеди­нений, а в составе сплавов. Так, алюминий в авиации — это прежде всего высокопрочный дюралюминий с добавками меди, магния и марганца. Процесс улучшения физических или химических свойств основного материала посредством специальных добавок в металлургии называют легированием. Прочный и лёгкий дюралюминий впервые получили в промышленных масштабах в немецком городе Дюрен в 1909 году. Он стал основой силовых элементов распространённых в те времена дирижаблей, а позже из него стали делать самолёты. Добавление небольшой доли кремния в дюралюминий привело к появлению узкоспециализированного авиационного сплава — авиаля. Из-за высокой пластичности он применяется при изготовлении лонжеронов вертолётных винтов. Из общего объёма производства алюминия примерно четверть идёт на транспорт, столько же на строительство, 17% на упаковку и консервы, 10% на электротехнику.

Из нитинола изготавливают внутрисосудистые стенты. Они доставляются в сосуд в компактном виде и, увеличиваясь в размере, создают каркас для поддержания просвета и отграничения повреждённой поверхности артерии от потока крови.

Потенциал титана гораздо выше, его сплавы находят применение не только в авиации, но и, к примеру, в медицине. Сплавы титана с ниобием и молибденом отличаются превосходной биологической совместимостью с тканями человека: они не растворяются в организме десятилетиями, при этом ткани отлично нарастают на титановых имплантатах. С помощью 3D-технологий из титанового порошка изготавливают детали сложной формы вплоть до копии человеческого черепа.

Интересен титан и в составе интерметаллидов — химических соединений двух и более металлов. Например, мононикелид титана NiTi, основа известного сплава нитинола, обладает двумя замечательными свойствами: сверхупругостью и эффектом памяти. Если деформировать нитинол при низкой температуре, при нагреве материал снова примет прежнюю форму. Эффект памяти взяли на вооружение медики: они научились вводить в сосуды тонкие нитиноловые стенты, которые при температуре крови значительно увеличиваются в размерах и ликвидируют смертельно опасные сужения.

Надежды инженеров и авиаконструкторов на снижение стоимости титановых сплавов постепенно становились всё призрачнее: не придумали пока, как удешевить производство строптивого металла. Поэтому в авиацию пришли полимерные композитные материалы из углеродного волокна.

Термин «чёрное крыло» сегодня означает совсем не цвет обшивки, а материал силовой структуры крыла. Технология изготовления проста: углеродное волокно укладывают в форму, пропитывают наполнителем — специальной смолой — и отправляют в огромную (по размеру крыла) печь для отверждения. В итоге самолёт получает лёгкое и чрезвычайно прочное крыло, которое не подвержено коррозии, но несколько сложнее обычного в обслуживании.

Для максимального облегчения конструкции (без снижения прочности) используется метод вакуумной диффузии, когда карбоновую заготовку крыла упаковывают в пакет, выкачивают оттуда воздух и заливают смолу. Образец впитает в себя ровно столько смолы, сколько нужно, а инженерам останется только отправить заготовку в печь. Современный двухпалубный воздушный гигант Airbus A380 на четверть состоит из углеродных композитов, на 3% — из материала GLARE, представляющего собой «бутерброд» из алюминия и полимерного композита. GLARE сочетает лучшие свойства «крылатых металлов» и перспективных композитов — возможно, за такими материалами будущее.

Airbus A380. Доля композиционных материалов в авиалайнере составляет порядка 20%. Углеродные композиты и стеклопластики используются в конструкции крыла, центроплана и хвостового оперения.

Элементы «с крыльями» позволили человеку подняться сначала просто в небо, а потом и в космос, но с каждым днём их всё сильнее теснят композиционные материалы. Лишь появление новых, экономичных и экологически чистых технологий получения Al и Ti может вернуть этим элементам прежние позиции в индустрии небесной техники.