在由上海期貨交易所和SMM共同舉辦的“2021(第十六屆)中國國際鋁加工峰會”上，中鋁材料應用研究院輕合金材料所所長劉貞山博士表示，氫能經濟時代已經悄然來臨！當前，減少碳排放是全球面臨的挑戰之一，目前及今后可采用的清潔能源有三種：進的是風能和太陽能；其次是離子電池，但還處于早期發展階段，與現有技術相比，并不具有競爭力；最具競爭力的技術是綠色氫能。氫能在傳統可再生能源不適用的一系列工業用途中具有潛力，比如煉鋼、水泥和重型卡車。若能貯存在地下，它甚至能夠為電網提供備用電力。
中國已建成了世界最強大的鋁工業體系，可為氫能經濟建設提供所需要的全部鋁材。鋁合金是制造與超低溫相關裝備的理想材料，氫能時代下將迎來怎樣的機遇與挑戰？且看劉博士詳細解析！
氫的制備：
氫是元素周期表中第一個化學元素，通常氫是雙原子分子所組成的無色、無臭、無味的氣體。氫的制備工藝取決于所需的用量與要求的純度，原料的利用率和價格等因素。常用的方法有金屬與水或酸反應、水的電解、蒸汽與烴或與其他有機物反應、烴的熱分解。在實驗室中少量氫用鋅和稀鹽酸很容易制備，鈉與水反應也可制得氫。
工業中，氫是大規模生產的，目前生產氫的主原料為烴，如天然氣、石you精煉氣、汽油、柴油和原油。在蒸汽-烴的催化重整中，揮發的烴與蒸汽通過700~1000的鎳催化劑產生一氧化碳和氫，已成為氫的主要生產工藝。工業中，可用溶有氫氧hua鉀的水的電解生產高純度的氫(99.9%)。
氫的用途：目前用氫量最多的是氨合成產業，還可用于提煉石油、制備固體脂肪、制造有機化學藥品、工業制甲醇、新能源燃料等。 氫的關鍵用途是和氧和氟一起作為發射航天器的火箭燃料，美國也用它作為核動力火箭推進劑，這些高端用途使液態氫的生產發展迅速。
液氫燃料：
氫燃料，是指液態氫燃料。燃燒一克氫能釋放出142千焦爾的熱量，是汽油發熱量的3倍。它燃燒的產物是水，沒有灰渣和廢氣，不會污染環境。美國是最早將液氫作為燃料發射航天器，其后是日本和歐洲也用液氫作為航天器燃料，我國發射的“長五遙四”運載火箭用的燃料為液氫、液氧，還有煤you。
“長五遙四”火箭燃料：
2020年7月23日12時41分，中國長征五號遙四(簡稱“長五遙四”)火箭將中國自主研究的“天問一號”火星探測器在海南島文昌發射升空。火箭發射用的液氫、液氧貯箱為鋁合金制造的，其他國家的液氫、液氧貯箱都是用2219鋁合金制造的。長征五號使用的燃料大部分是﹣183的液氧和﹣253的液氫，被稱為“冰箭”。“天問一號”和“長五遙四”火箭用材中鋁合金用量約占80%。
日本大力發展氫能源：
氫能源被譽為21世ji的“終極能源”，有望成為下一代的核心能源，為擺脫資源匱乏的現狀，日本抓住機會大力發展氫能源。2019年日本推出全球第一艘液氫運輸船，總噸位8000t，其液氫貯罐是鋁合金板材焊接而成的。
目前的電動汽車嚴重依賴溫度，充電設施，用車環境，對此日本積極發展新能源汽車。豐田本田爭先布局氫能源，先后推出了可量產的氫燃料汽車；豐田第二代Mirai車型將于明年年底上市，3分鐘加滿氫氣，可達到644公里的續航里程。本田公司也推出了第二代CLARITY，和上一代相比燃料電池單元變薄20%，電池體積縮小33%，輸出密度達到世界最高水平的3.1KW/L.3分鐘加滿氫，最長續航里程高達750km。
日本氫能源技術遙遙領先：
日本政府在2017年底，就發布了“氫能源基本戰略”，要在2030年實現氫氣價格每平方米30日元，加氫站數量達到900個，氫能源汽車數量達到80萬輛。日本松下集團建造 “H2Kusatsu Farm”加氫站，第一種技術是通過太陽能電池板發電，再通過電解水制氫，另一種技
術是利用制氫設備與氣體重整工藝相結合，已經可以實現穩定制取氫氣。2018年底，日本加氫站已經建成96座，目前已經突破100座，穩居世界第一。日本氫能源技術已經遙遙領先，全球氫燃料電池技術專利83%在日本手中。我國也認識到氫能源的重要性，按照《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》的目標，2020年，中國燃料汽車達1萬輛，加氫站達到100座。
日本將在月球建氫燃料工廠：
2020年9月27日，日本宇宙航空研究開發機構宣稱，計劃于30年代中期在月球表面利用存在于月球表面的水制造氫燃料工廠，以獲得往返于空間基地和在月球表面移動所必需的動力，以減少從地球運輸燃料的時間和費用。日本將與美國合作，于本世紀20年代建設繞月空間站“入口(Gateway)”。工廠建在月球南極，因為那里有水，2035年建成，利用太陽能電池把水分解為氫與氧，以作為燃料。在月球表面起降一次需要37噸水，在月表面移動一次需要21噸水。如果利用在月球獲取的水來進行5~7次月球表面探測，會比從地球運水成本更低。
歐洲各國氫能源的發展：
2009年，IA-TA設定了航空業艱巨的減排目標；加速了新能源的開發。德國 “科拉迪·伊林特(Coradia iLint)” 藍色列車從2020年6月12日起正式運行，它的速度140km/h，這是全球首款氫能提供動力的客用列車。至2020年10月，兩列樣車已在德國下薩克森州四座城市間商業運行了23個月，總運行了22萬公里。歐洲在推動航空業向氫能源轉型；在2035年實現氫能源客機商業化。l 空客公司在線上2020年范堡羅航展期間表示，已將氫能源視為是實現其最終可持續目標所必需開發的多種方法之一。計劃在21世ji30年代向市場推出一款零排放的氫能客機。
中國鋁工業可提供氫能經濟時代所需的一切鋁材：
中國已建成了世界最強大的鋁工業體系，可為氫能經濟建設提供所需要的全部鋁材。氫能產業應用鋁的板塊：制取氫的工藝設備約含12%Al；運輸與貯存液氫的容器約含>85%Al，這些容器也可以用鋼制造，但鋁材是最優的材料，總體上鋁材比鋼材優越得多；使用液氫的設備如航空器與軌道車輛等約含75%以上的Al。
鋁工業面臨的機遇：
鋁合金是制造與超低溫相關裝備的理想材料，無論是鑄造壓鑄鋁合金、加工變形鋁合金，還是鋁基復合材料都沒有低溫脆性，它們的塑性，成形性與強度性能一樣均隨著溫度的降低而同步上升，所以是100%的沒有低溫脆性的，而只有很少含錳和鎳的鋼沒有低溫脆性，因此，就這一點來說，鋁合金更適合制造與低溫相關的各種裝備的所有零部件，例如液氫(﹣253)、液氧(﹣183)設備、液化天然氣設備的運輸貯存容器、管道等。
低溫裝備的兩大支柱鋁合金：
最典型與廣泛應用的超低溫變形鋁合金有5083、2219、2024、7075鋁合金等，特別是5083與2219鋁合金，貯存液氫、液氧、液化天然氣的大罐、箱幾乎全是5083鋁合金焊接的，發射航天器的液氫、液氧槽則是用2219鋁合金板焊接的；航天器及其發射裝備的一些受力結構件大多是用2024型與7075型鋁合金制造的。
5083鋁合金：
5083鋁合金是Al-Mg系合金的典型合金，有良好的可焊性、抗蝕性、加工成形性與低溫性能，低溫韌性也很好。鎂是主要的強化元素，產生固溶強化和提高加工硬化率。鎂在鋁中的固溶度隨溫度升降而有變化，但沉淀過渡相β與基體不共格，所以無明顯的沉淀硬化作用。β相傾向于緩慢地沉淀在滑移帶和晶界上，降低固溶強化作用，且在腐蝕條件下引起晶間腐蝕和應力腐蝕開裂，因此冷加工后應進行穩定化退火，促進β相均勻地在晶內和晶界沉淀，穩定合金的力學性能和抗蝕性。錳、鉻提高再結晶溫度，并有輔助強化作用，鈦細化鑄造組織和焊縫組織。鐵、硅、鋅為雜質。
5083鋁合金的熔煉溫度700 ~750 ，熱加工溫度515 ~525，典型退火溫度345 ，爐內合金到溫控點后可立即出爐，不需要保溫，冷卻速度也無限制。穩定化退火溫度120 ~150 。
5083鋁合金主要加工板材和棒材，還有管材與鍛件。基本用場為航空航天器零部件、防火壓力罐、低溫液態物質貯存罐、低溫實驗站設備、自動卸貨卡車車身、艦艇殼體、遠洋艦舶上層建筑、鉆井設備、電視塔、電訊發射接收塔，以及各種要求中等強度、耐蝕又需要焊接的結構件。
2219鋁合金：
2219鋁合金是一種有近70年悠久歷史的老合金，至今仍在廣為應用的鋁-銅-錳系合金，既是高溫合金，又是一種低溫合金。2219鋁合金有良好的可切削性能，但由于含銅量高，所以它的抗蝕性較低，由于基體含銅量高，易于擴散，因此包鋁的保護作用效果降低，因此必須進行陽極化處理或涂漆保護。
該合金的主要合金化元素為銅和錳，銅形成θ相和T相，它們都有較高的強化作用和耐熱性。錳除有補充強化作用外，主要是提
高合金的耐熱性能。錳在鋁中的擴散系數小，且能減慢其他溶質的擴散，阻礙再結晶；參與形成T相，T相的耐熱性能比S相的強，加上T相沉淀和長大緩慢，因而可提高合金的耐熱性能。錳含量過高則會降低合金的抗蝕性和可焊性。鎂雖有一定的室溫強化作用，但溫度升高則強化作用明顯下降，且損壞合金的可焊性，故鎂被視為雜質。鈦和錯能細化鑄造組織，提高再結晶溫度。鐵、硅、鋅作為不可避免的雜質予以控制。
2219鋁合金的熔煉溫度700 °C ~750°C；鑄造溫度700°C~730°C，扁錠的取下限，圓錠的取上限；均勻化退火溫度525°C；該合金熱軋溫度390°C~440°C最佳420°C；擠壓溫度420°C~460°C；鍛造溫度 400 °C~ 460°C；退火溫度415°C；固溶處理溫度535°C±5 °C；過燒溫度545°C；人工時效規范 165 °C~190 °C、18 h~ 36 h，時間與溫度的組合可根據產品要求的性能來確定。
2219鋁合金既是耐熱合金又是一種超低溫合金，可用于制造在315°C以下工作的高溫結構件和高強度焊接件，如發動機導輪、壓氣機葉片、超聲速飛機結構件。也用于制造超低溫工作的結構件，如液氫、液氧設備、火箭發射燃料液氫、液氧的貯箱，運輸這些超低溫物質的槽、罐。美國、日本、歐盟發射航天器的火箭燃料貯箱都是用2219鋁合金板材焊接的。
總結：
液氫燃料時代來了，氫是一種貨真價實的環保燃料 ，是未來的主要燃料之一。生產液氫、液氧的制氫機、制氧機，制造貯存與運輸它們的箱、槽、罐用的各種鋁材中國都能生產，生產能力除滿足本國的需求外，還可以大量出口，而且其各項性能指標都達到航空航天級別標準。
氫燃料的貯液氫箱、液氧箱可以用2219鋁合金或其他鋁合金制造，但2219鋁合金的抗拉強度、疲勞強度和斷裂韌性還顯得低了一些，如果能研發出一種這此性能比2219鋁合金的高40%以上，而其他性能又比 2219鋁合金的略勝一籌的新合金那就完美無缺了，研發新型的液氫燃料飛機所需的鋁材是鋁工業面臨的嚴峻挑戰。
（文章來源：SMM）
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