金属镁：源自大海 飞向星空——美国镁厂往事

作者：Patrick H. Shea

镁在未来很长一段时间内都不会出现资源枯竭的问题。它是地球上储量第八丰富的元素，约占地壳总质量的2%。同时，镁也是海水中含量第三高的元素。但与金、铜等金属不同，自然界中的镁均以化合物形态存在。 

苏格兰化学家约瑟夫・布莱克（Joseph Black）最早发现了镁元素，18 世纪50 年代，他针对碳酸镁开展了一系列实验。1808 年，汉弗莱・戴维（Humphry Davy）首次提出，氧化镁是一种新金属的氧化物。又过了二十年，法国科学家安托万・布西（Antoine Bussy）才成功制得纯金属镁。

1886年，德国率先实现镁的商业化生产。当时的生产者改良了罗伯特・本生（Robert Bunsen）研发的电解槽，以此开展生产。人们将氯化镁加热至655摄氏度至720 摄氏度（约1200 华氏度至1325华氏度），再通入电流，将化合物分解为熔融态金属镁与氯气。这套工艺的基本原理沿用至今。凭借该技术，德国垄断了早期规模尚小的全球镁市场。 

最初，镁主要用于实验室化学反应，尤其作为格氏试剂参与各类有机反应。镁也是人体生长必需的元素，因此还被添加至多种食品与肥料中。走出实验室后，镁凭借出色的发光特性得到应用，最具代表性的就是摄影闪光灯。彼时镁的应用场景十分有限，但战争的爆发让镁的需求量暴涨。

来自Ris-Paquot的《人造光摄影实践》中的镁闪光插图

第一次世界大战期间，镁在欧洲战场得到广泛使用，“照明弹” 便是典型应用，它能在夜间照亮整片战场。此外，曳光弹、信号弹与燃烧弹的制造也离不开镁。在英国海军对德国实施封锁之前，除德国以外，其他地区的镁生产规模小且生产活动时断时续。封锁切断了镁的进口渠道，这也促使美国厂商入局镁产业。密歇根州米德兰市陶氏化学公司（Dow Chemical）的创始人赫伯特・H・陶（Herbert H. Dow）第一时间把握住了机会。

米德兰（Midland）地下留存着远古海洋形成的卤水，其中富含氯化镁以及多种其他化学物质。陶氏化学早已掌握从卤水中高效提取溴和氯的技术，也借此打下了庞大化工帝国的根基。不过，从卤水中提炼化工原料和冶炼金属是完全不同的领域。

当英国的封锁切断了德国的进口后，导致镁价飙升，陶氏化学就此迎来切入市场的契机。经过反复试验，陶氏的工作人员在1916年炼出了第一块镁锭。这块镁锭只是实验电解槽产出的一小块一小块饼状金属，却预示着行业即将迎来巨大变革。历经数年研发，公司逐步扩大生产规模。1918年，陶氏共售出3852磅镁，产品几乎全部用于战事。

一战结束后，镁的市场需求迅速萎缩。受盈利压力影响，美国绝大多数镁企纷纷退出该行业，最终仅剩下两家企业，数年后，市场中便只剩陶氏化学一家。

一家20世纪20年代左右宣传汽车配件的商店，其中包括由陶氏镁合金制成的活塞

赫伯特・陶坚信，只要持续投入研发，镁在结构材料领域将拥有巨大潜力。相较于多数金属，镁的重量极轻，但纯镁的强度不足以支撑大多数结构件使用。陶氏化学将镁与铝、锌、锰等少量金属熔合制成合金。这类合金既保留了镁轻量化的优势，强度又远超纯镁，同时还解决了镁本身易被腐蚀的问题。

但在发展初期，整个行业对这款新材料兴趣寥寥。铝才是当时主流的结构金属。陶氏若想拓展镁业务，就必须主动开拓市场。

赫伯特・陶得知，附近的通用汽车公司计划将发动机活塞更换为铝制产品，原因是铝制活塞重量更轻，运转能耗更低。他从中看到了镁进军汽车行业的机遇。彼时更换汽车活塞是十分普遍的维修项目。陶氏认为，既然轻量化、高强度的铝活塞备受青睐，性能更优的镁活塞必然也能获得市场认可。陶氏化学专门成立部门生产镁合金，并将其命名为“陶氏金属”（Dowmetal）。镁活塞的生产成本高于其他合金活塞，这也在一定程度上制约了销量，却深受追求性能的赛车手喜爱。

20 世纪20年代初，多款夺冠赛车均搭载了陶氏镁活塞，其中就包括汤米・米尔顿驾驶、赢得1921年印第安纳波利斯500 英里大赛冠军的弗龙特纳克赛车。 到20 世纪20年代中期，汽车活塞更换业务已发展成熟。陶氏化学又将目光投向航空领域，推动镁应用于飞机发动机、起落架零部件、座椅、机轮等部件。镁在航空领域表现稳定，此后又逐步应用于机械零件、手动工具、吸尘器等产品中。 

镁还有一段为人熟知的应用历史。1933年至1935年间，三座用于搭载乘客的平流层气球吊舱均采用了镁材打造。第一座吊舱在米德兰制造，由知名气球驾驶员让・皮卡德设计，专供芝加哥世界博览会使用。 

早期的气球吊舱以铝材打造，研发人员希望借助镁的轻量化特性冲击新的海拔纪录。陶氏化学敏锐察觉到这一绝佳的宣传机会，主动出资完成吊舱的制造。

美国海军飞行员特克斯・塞特尔独自驾驶气球升空，但起飞20分钟后，氢气阀门出现故障，气球迫降。塞特尔并未放弃，维修吊舱后，他在1933年11月再度升空，此次同行的还有美国海军陆战队的切斯特・福德尼。气球从俄亥俄州阿克伦市起飞，在极限高度平稳飞行两小时后，降落在新泽西州布里奇顿。美国国家标准局对搭载设备检测后确认，此次飞行抵达了61237 英尺（11.6 英里）的高度，刷新了世界纪录

左侧，让·皮卡德（左）和特克斯·塞特尔站在“探索者号”所用的镁制吊舱前，约1933年

右侧，《芝加哥每日新闻的插画，描绘了1933年8月“探索者号”上搭载的仪器和补给品

次年，美国陆军航空队与美国国家地理学会携手，计划使用重新设计的镁制吊舱“探索者号”再度冲击平流层纪录。这座吊舱仅重700磅，而与之搭配的巨型气囊重达近2.5 吨，充满整个气囊需要1500罐氢气。

1934年7月28 日，三名美国陆军航空队军官驾驶气球从南达科他州拉皮德城附近起飞。就在距离新纪录仅差624 英尺时，气囊突然破裂，氢气发生爆炸，气球急速坠落。三名乘员全部跳伞生还，吊舱则彻底损毁。项目团队并未气馁，随即着手筹备1935年的第三次飞行。 

1935 年11月11日，第三座镁制吊舱“探索者二号” 从拉皮德城升空。为避免再次发生爆炸，本次改用氦气填充气囊。但氦气的升力不及氢气，因此气囊体积进一步加大。固特异齐柏林公司耗用三英亩棉织物，织造出可容纳370万立方英尺氦气的巨型气囊。

全新设计的吊舱体型更大，重量却进一步降低。吊舱底部涂成黑色，用于吸收地面热量；顶部为白色，用以反射强烈的日光。两名驾驶员奥维尔・安德森与艾伯特・史蒂文斯曾在1934年的坠机事故中死里逃生，此次再度执行飞行任务。 

起飞近四个小时后，“探索者二号” 攀升至72395英尺（13.71英里）的高度，创下保持了21年之久的世界纪录。在这一高度，近96%的大气质量都处于气球下方。安德森、史蒂文斯以及吊舱搭载的64台各类科学仪器，开展了一系列前所未有的探测工作。团队获取了宇宙射线、高空臭氧分布、太阳光照强度以及七万英尺以上空域大气化学成分的全新数据。这场历时八个半小时的飞行，吸引了全世界的目光。 

这些飞行实验积累的技术成果，在第二次世界大战期间发挥了重要作用，助力美军在空中战场占据优势。镁合金改良技术、舱体增压技术、加热飞行服、双向无线电等个人机载设备，均诞生于这些平流层探测项目。1958 年，相关技术又进一步赋能美国太空计划。 

用于制造气球吊舱的镁取自密歇根州的地下卤水。但随着陶氏化学各类产品产量不断提升，米德兰的卤水矿已难以满足日益增长的镁、溴等原料需求。

卤水本就是远古海洋的遗留产物。赫伯特・陶由此提出设想：既然能从卤水中提炼镁，或许也可以直接从海水中提取这种金属。1930年赫伯特・陶离世，这一极具前瞻性的构想便交由其儿子威拉德・陶（Willard Dow）推进。

1943年4月，在密歇根州马里斯维尔一座新投产的镁合金工厂里，威拉德·陶（左）看着伍德罗·兰兹浇铸镁锭

即便身处大萧条带来的经济寒冬，年轻的威拉德・陶依旧全力推进项目，在北卡罗来纳州库尔海滩（Kure）搭建了海水处理试验工厂。这座工厂主要生产溴，产品供应给乙基公司，用于制作汽油抗爆添加剂。

科尔海滩试验厂完善了直接从海水中提取化工原料的整套工艺。该厂累计处理超过六立方英里的海水，产出近24亿磅溴。二战阴霾逐渐笼罩欧美，镁的需求持续走高，建造海水提镁工厂成为陶氏化学的首要任务。公司很快在得克萨斯州弗里波特（Freeport）动工建厂，并于1941年正式投产，开启了规模化海水炼镁的全新阶段。 

陶氏分别在1941年、1942年和1947年发布了关于海水提取镁的广告

从海水中提炼金属，需要用到牡蛎壳、天然气、大量电力以及巨量海水——每生产一吨金属镁，大约需要消耗800吨海水。人们将牡蛎壳高温煅烧生成氧化钙，再把氧化钙投入海水中，析出氢氧化镁沉淀物。浓缩氢氧化镁悬浊液后，加入盐酸反应得到氯化镁溶液。将溶液蒸发，制成固态氯化镁坯料并充分干燥，随后送入电解槽。通电后，氯化镁分解为氯气与金属镁。氯气会和天然气再次反应，重新生成盐酸，循环投入生产流程。熔融态的金属镁漂浮在熔盐表层，工作人员将其舀出，浇铸进铁模制成镁锭。

陶氏员工兼军官威廉·库利在1943年6月刊的公司员工杂志封面上举着一块镁锭

如今，海水已是钠、镁、硫、钙、钾等多种矿物的重要来源。但在1939 年，从海洋中提炼金属在多数人看来天方夜谭，陶氏的竞争对手也认为这是一项鲁莽的尝试。当弗里波特工厂投产数月后美国正式参战，人们才意识到威拉德・陶的布局极具远见。 

二战初期，德国空军称霸欧洲空域。德军战机的飞行速度、航程与载重，都超出了军事专家的预判。英军对坠毁在本土的德军轰炸机拆解研究后发现，机身使用了大量镁材。轻量化的机身大幅提升了飞机载重，而德军投放的炸弹，同样是以镁为主要原料的燃烧弹。20 世纪30年代，德国一直在悄悄扩大镁产能，到1938年，其镁产量已经超过全球其他所有国家的产量总和。 

不列颠之战打响后，镁对于战争全局的重要性愈发凸显。空中作战成为战争的关键环节，而镁的应用是战机制造的重要基础。飞机发动机、机身框架以及各类机载配件都会用到镁，机轮更是大量采用镁材料，充分利用了镁优异的强度重量比与减震性能。

1943年陶氏镁业的一则军事主题广告

在美国，短短几个月内，镁的需求量从每年600万磅（约2722 吨）飙升到不可思议的每年8亿磅（约36.3 万吨/年）。由于道氏是当时美国唯一的镁生产商，其先进海水提镁厂的年产量上限仅约1800 万磅，美国政府因此将镁列为战略金属，所有产量全部划拨国防使用。

美国政府还推出了一项耗资4亿美元的产能扶持计划。1943年，全美新增14座镁厂，其中四座由陶氏化学承建并运营，美国镁产量166,546吨，占全球镁产量的70.9%。二战结束后，军工领域的镁需求断崖式下跌。陶氏化学顺势转型，推动镁融入战后蓬勃发展的民用消费品市场。陶氏的市场人员大力宣传镁的轻量化优势，家具、独木舟、吸尘器、手推车、高尔夫球杆、割草机等各类产品，都开始使用镁材。

在随后的数十年里，镁继续助力人类向更高空域探索。1962年7月，美国电话电报公司（AT&T）的“电星一号” 通信卫星进入太空，卫星外壳便采用镁合金打造。这款合金兼具强度、轻量化与导热性，是卫星框架的理想材料。该卫星实现了人类首次通过太空中继传输电话信号与电视画面。 

战后，陶氏还将镁应用于多款民用产品，包括保龄球瓶（1964 年）、马掌（1946年）与弓箭（1947 年）。其中镁制“Magna-Pin”保龄球瓶成为首个获得美国保龄球协会认证的人工球瓶，成功推向市场。 

陶氏化学在弗里波特的镁生产业务一直持续到20 世纪90年代。彼时，该厂近半数的镁产品用于制造铝制饮料罐。业内逐渐意识到，镁生产能否盈利，核心取决于能否获取低成本电力。自由港工厂的用电成本不断上涨，设备也日趋老旧，关停已成定局。1998年，陶氏化学启动弗里波特工厂关停流程，并彻底退出镁行业。 

现如今，全球绝大部分镁产自中国。镁依旧是全球第三大常用结构金属，主要用作铝合金的添加原料。镁具备优良的导电与导热性能，因此也被广泛应用于各类现代电子设备。当下备受关注的稀土矿产储量有限，也让各国安保部门倍感压力，但只要海洋尚存，镁就会拥有取之不尽的原料来源。