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２．２ アルミニウムの工業生産

アルミニウムが本格的に工業的に大量生産されるようアルミニウムは地球上では酸素と結合した酸化アルミになったのは 20 世紀初頭で，ライト兄弟の人類初飛行ニウム(Al2O3)の状態で存在し，その鉱石はボーキサイトと同じ頃でした．アルミニウムは比重が 2.7 と小さく，鉄のと呼ばれています．このボーキサイトからアルミニウムを比重 7.8 の約 1/3 と，金属としては非常に軽量です．し工業的に量産するようになった歴史は浅く，19 世紀後

かし，純アルミニウムの強度は低く，構造材料として使半に次の 2 つの方法が相次いで発明されてからです．

用できる水準ではありませんでした．そこで，軽量なア

まず，1886 年にアメリカ人のチャールズ・マーティン・ホ

ルミニウムの強度を向上するための合金開発が行われールとフランス人のポール・エルーが夫々独自にアルミました．当時はいわゆる鉄，即ち炭素鋼の熱処理によるニウムの精錬法を開発しました．彼らの方法は，氷晶石硬化が広く知られていました．それで研究者はアルミニとフッ化ナトリウムを混合した融剤にボーキサイトから精ウムに他の元素を加えた合金を製作し，熱処理してそ製した酸化アルミニウムを溶解させ，それを電気分解しの強度を向上しようとしました．炭素鋼は高温に加熱して陰極に金属アルミニウムを得る方法で，2 人の名前をて室温の水に急冷する焼入れ処理を行うと，直ぐに硬冠してホール・エルー法と呼ばれています．次に，1888化します．この現象から金属は焼入れ処理すると直ぐに年にオーストリア人のカール・ヨーゼフ・バイヤーがボー硬化するとの先入観が生じていました．研究者は鉄と同キサイト鉱石から酸化アルミニウムを高濃度に精製する様にアルミニウ合金に焼入れ処理を行い，直ぐに硬度バイヤー法を開発しました．ボーキサイト鉱石の酸化アを測定しましたが，大きな効果は得られませんでした．

ルミニウム濃度は 40～60%程度で，残りは二酸化ケイ素，炭素鋼とアルミニウム合金では硬化の機構が異なるた

酸化鉄，二酸化チタンなどです．そこで酸化アルミニウめですが，当時は誰もそのようなことを想像することがでム濃度を上げるために，高温の水酸化ナトリウムで酸化きませんでした．

アルミニウムを水酸化アルミニウムにして溶融し，溶解し強度の高いアルミニウム合金は，ベルリン近郊の理工ない他の物質を濾過して除去し，その後冷却して沈殿学中央研究所に所属していたアルフレート・ヴィルムにした水酸化アルミニウムを加熱・脱水して高濃度の酸化より半ば偶然に発明されたと言われています．1906 年 9アルミニウムを得る方法がバイヤー法です．この 2 つの月，ヴィルムは，アルミニウムに銅を合金化した試料を方法により，アルミニウムの工業的な大量生産が可能に土曜日の夕方に焼入れ処理を行いました．そして焼入なりました．
産業革命は蒸気機関による動力が重要な役目を果たしたことは広く認められていますが，この頃から産業基盤として電力が供給され始め，アルミニウムの電気分解が工業的に成立できるようになりました．
アルミニウムは酸素との結合が強いため，容易に安価で大量の金属アルミニウムを生産できなかったので，それまでは希少な珍しい金属でした．例えば 1855 年，ナポレオン 3 世が開催したパリ万国博覧会で，晩餐会に出席した各国の公賓に対して貴重品といってアルミニウ製食器が紹介された逸話が残っています 4)． この解説文をお読みの読者は，アルミニウム製食器と言えば，直ぐに小学校の給食を思い出すのではないでしょうか．当時と現在のアルミニウムの価値の変化は一目瞭然です．
図 4 Al-Cu 合金の時効硬化曲線 5)

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れ後，直ぐに硬さを測定しないで，月曜日に測定することにして帰宅しました．日曜日を楽しんだあとに月曜日に出勤して測定した時，試料の硬さが大きく上昇しているのに気が付きました．今では大学生でも知っている
Al-Cu 合金の自然時効現象ですが，当時はその理由は不明でした．その後ヴィルムは時間が鍵と推定し，時効硬化曲線を取得し，硬化が間違いない物理現象であることを確信しました．図 4 にヴィルムが取得した時効硬化曲線を示します．ヴィルムは 1909 年にこの合金の特許を申請し，1912 年にドイツで特許が成立しますが，1909年に時効硬化現象を研究論文にまとめて発表し，世界にアルミニウム合金の時効硬化現象が公表されました．
同年，ドイツのアルミニウム会社がヴィルムの合金特許を購入し，販売した合金の商品名がジュラルミンです．
これ以降，ジュラルミンは高力アルミニウム合金の代名詞として定着するようになりました．販売されたジュラルミ
ンは数種類ありましたが，その強度は 400MPa 程度で，十分軟鋼に匹敵する強度でした．そのため軽量で高強度の材料として注目され，当時の飛行機の構造材料としても十分使用できる強度水準に達していました．
３． 第一次世界大戦後～第二次世界大戦
３．１ 全金属製飛行機の出現
第一次世界大戦の飛行機の構造は，複葉機が主であり，木製の骨格にキャンバス布を張ったラーメン構造でした．
機体によっては木製の骨格を鉄製に変更した機体もありました．しかし，1909 年のジュラルミンの工業化によりジュラルミンを使用した飛行機や飛行船を製造する動きが起こりました．1914 年頃からドイツのツェッペリン社が飛行船の骨格にアルミニウム合金を使用し始め，1918年にはユンカース社が全金属製の飛行機：ＪⅠを初めて製造しました．しかし，この頃の機体の構造は相変わらず鉄骨のラーメン構造のままで，外皮にキャンバス布の代わりにアルミニウム合金の波板を張り付けたものでした．図 5 に胴体構造の例を示します．この外皮のアルミニウム合金化による利点として機体の耐候性が著しく向上したと言われています．キャンバス布は雨や露により水分を吸収して重くなり，また当時使用されていた接着剤の膠が水分により剥がれる問題もありましたが，アルミニウム合金の外板によりこれらの問題は解決され，運用性が格段に向上したと言われています．
一方，飛行機の翼の空力的な研究も進みました．初期は鳥の翼をまねた薄い翼が良いと考えられており，そのために構造体としての翼の剛性を高くすることはできませんでした．そこで，複葉機にして 2 枚の主翼間に支柱を立ててステーを張って剛性をもたせるのが構造的に容易に成立する手法でした．しかし，風洞試験の結果から厚い翼でも成立することが判明しました．この結果，構造体としての翼の剛性を高くすることが可能となり，片持ちの単葉機が強度上成り立つようになりました．最初に設計された厚い翼は，それまでの胴体構造様式の延長上のトラス・ビーム構造の桁でしたが，その後上下のビーム間に薄板を張って剪断荷重を取るワーグナー・ビーム桁が開発され，現在の金属製飛行機の主構造様式である，セミ・モノコック構造の原点が完成しました．図 6 に従来のトラス・ビーム桁とワーグナー・ビーム桁の構造例を示します．トラス・ビーム桁では上下に平行な 2 本の鋼管とそれらに垂直な短い鋼管を溶接で結合して正方形を作り，対角線方向にワイヤを張る構造でしたが，ワーグナー・ビーム桁では上下のビーム，垂直方向のビーム，薄い板を全てジュラルミンで構成します．
これにより，トラス・ビーム桁と同等の強度を軽量で実現することができました．この軽量化により大型の輸送機の製造も可能になりました．

図 6 トラス・ビーム桁とワーグナー・ビーム桁 3)

参考文献3) 久世紳二：「旅客機の開発史」，（社）日本航空技術協会，(2006)，32，60，57，56，3，183．
4) 桜井弘：元素 111 の新知識 第 2 版増補版，講談社ブルーバックス，(2009)．
金属と布のハイブリッド構造
鋼管溶接骨組のラーメン構造
外皮はキャンバス布

全金属構造
鋼管溶接骨組のラーメン構造
外皮はアルミニウム合金波板

図 5 飛行機外皮の金属化 3)365) 八太秀周，吉田英雄：航空機用アルミニウム合金展伸材の歴史，JFA，45，（2014）28．
注：本連載は6回に分けて掲載されております．項目，図番および参考文献は第1回から連続しています．

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