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复合材料：人类智慧的结构创新

科学画报 · 公众号 · 科学 · 2024-12-24 16:39

正文

你是否曾经好奇：我们身边的那些“超级材料”究竟是如何诞生的？为什么现代汽车能在轻量化前提下保持较高的强度？飞机轻盈的机翼如何承受巨大的空气压力和温度变化而不折断？从轻量化汽车部件到军用武器装备，从深海探测器到航空航天器，甚至用于个人防护的防弹衣，都离不开复合材料的应用。让我们一起走进复合材料的世界，了解它背后的故事吧！

文/何卫华申金升王国强

何卫华，中国科协创新战略研究院博士后。

申金升，中国科协战略发展部部长。

王国强，中国科协创新战略研究院研究员。

复合材料的萌芽：

古老技艺中的现代启发

复合材料并非单一材料的简单叠加，而是一种精密的科学组合。不同成分的材料巧妙地融合，它们各司其职，有的提供支撑，有的强化韧性，有的负责抗腐蚀，有的增强导电性。它们的相互配合不仅弥补了单一材料的不足，还通过复合效应实现了性能的倍增，带来更高强度、更低密度、更耐高温、更抗冲击等一系列特性，让材料能够满足现代工业和科技发展的多重需求。有趣的是，虽然复合材料在现代工业中的应用历史不过短短100多年，但它的起源可以追溯到几千年前的人类文明早期。

大约公元前3400年，美索不达米亚人尝试将木条按不同角度通过天然树脂等黏合在一起，制成了早期的胶合板。木材天然的纤维结构使其在一定方向上具有较高的强度，但也容易在特定方向上发生弯曲或开裂。将木条按不同角度层层黏合，得到的胶合板不仅更加坚固，还因多角度结构而减少了材料的弯曲和开裂问题。这种胶合板通过结构的巧妙组合克服了木材本身的弱点，是最早的复合材料实践之一，为人类提供了一种在建材上更稳定、耐用的选择。

与美索不达米亚人的胶合板类似，中国古代建筑中也较早地体现了复合材料的思想。古人发现，单一的泥土在干燥后容易开裂，而将草梗与泥土混合后，墙体变得既坚固又有韧性。泥土提供了墙体的形状和支撑，而草梗则增加了墙体的抗裂性。这样的结构组合使建筑能够经受住风雨的侵蚀，且更加持久耐用。尽管古代工匠未必理解现代材料科学的概念，但他们的这些实践经验恰恰与现代复合材料在结构优化和性能提升上的原理不谋而合。

▲ 福建土楼是我国古代建筑中体现复合材料思想的代表

复合材料技术的蜕变：

从自然到合成

复合材料技术的突破性进展发生在19世纪末至20世纪初，化学工业的发展带来了人工合成树脂和纤维技术，复合材料从天然材料迈向人造材料。

1870—1890年，世界上出现了第一种合成树脂，这是一种通过化学反应将液态树脂转化为固态树脂的材料。这种早期树脂在易加工性和耐用性方面取得了突破，成为日后合成材料的关键工艺基础。

▲ 第一种合成（人造）树脂被开发出来

1907年，比利时裔美国化学家利奥·贝克兰发明了世界上第一款真正被广泛应用的合成塑料——酚醛树脂，被视为现代塑料工业的开端。与早期的树脂相比，酚醛塑料硬度高、绝缘性好且耐高温、抗腐蚀。

▲ 化学家贝克兰

1917年，酚醛塑料首次被用于劳斯莱斯汽车的变速杆旋钮。它的防水性、耐腐蚀性和坚固性使汽车部件在外观和性能上都得到了显著提升。正因如此，酚醛塑料迅速引起了工业界的关注，不仅为汽车制造带来了全新的可能，也为复合材料在其他工业领域的广泛应用打开了大门。

20世纪30年代末，美国欧文斯-伊利诺斯玻璃公司发明了一项新的生产工艺——将玻璃拉成纤维。这种玻璃纤维因其优异的强度、低密度、耐腐蚀性和抗冲击性，迅速成为复合材料中广泛使用的增强材料。

▲ 美国欧文斯-伊利诺斯玻璃公司发明的玻璃纤维

1942年，曾在该公司工作的工程师雷·格林用玻璃纤维和聚酯树脂制造了世界上第一艘玻璃纤维聚酯小艇，开启了复合材料在航海领域的应用，也为未来的船舶、管道、储罐等大规模生产奠定了基础。

▲ 世界上第一艘玻璃纤维聚酯小艇

在第二次世界大战期间，复合材料成了战场上的“神兵利器”，尤其是玻璃纤维增强复合材料，风头一时无两。这种轻便、耐用、抗冲击的材料迅速被应用到军用设备中，为战场上的装备增添了一层坚实的防护。

▲ 超过3000 吨的玻璃纤维用于第二次世界大战

到了1966年，复合材料家族又迎来一位“硬核”成员——凯夫拉纤维。这种材料由美国杜邦公司的化学家斯蒂芬妮·克沃勒克发明，凭借超强抗冲击能力和耐用性，其迅速成为防弹衣、防刺服、头盔等装备的标配，被誉为军警的“隐形护甲”。凯夫拉纤维的诞生使复合材料的防护性能达到了新高度，为士兵们提供了不可替代的保护。

▲ 凯夫拉纤维制作的防弹衣

复合材料的进化之路：

从军事科技到平民生活

第二次世界大战后，复合材料不再只是为军事服务，它们悄然进入了民用工业的视野，开始在人们的日常生活中发挥不可或缺的作用。1953年，美国雪佛兰公司为科尔维特跑车装上了玻璃纤维复合材料车身。这种车身既轻巧又结实，外观轮廓优雅流畅，一经亮相便立刻成为焦点。

▲ 科尔维特跑车

与此同时，复合材料在航空航天领域的出色表现也令人称道。拉挤成型、真空袋成型、纤维缠绕等各类复合材料成型工艺相继出现，为制造轻便而坚固的火箭和飞机结构带来了变革，不但实现了飞行器强度高和质量轻的完美结合，还解决了其所面临的极端环境挑战。复合材料因此成为太空探索中的“无声功臣”，支撑着人类追寻未知的梦想，帮助人类穿越大气层，探索未知的宇宙。

1992年，世界上第一座全复合材料人行桥在英国苏格兰的阿伯费尔迪建成。这座桥选用了纤维增强复合材料，以其耐腐蚀、抗疲劳、高强度的特性赢得了关注。与传统材料相比，复合材料让桥梁结构更轻便、更易安装，使用寿命也得到了显著提升。更重要的是，复合材料桥的维护需求大大降低，使用成本明显下降。

▲ 世界上第一座全复合材料人行桥

自此以后，复合材料的应用进一步拓展，给人们的日常生活带来了新的飞跃。例如，碳纤维复合材料以其轻盈和高强度被广泛应用于运动器材中，如网球拍、自行车、冲浪板等，既提升了性能又减轻了质量。碳纤维增强材料制成的网球拍让运动员能够更精准地控制球拍、提高击球速度；自行车车架因复合材料的加持而变得轻便且耐用，使骑行体验更为舒适。

复合材料新时代：

纳米增强与3D打印

21世纪，纳米技术为复合材料注入了全新能量。科研人员发现，将碳纳米管引入复合材料，可以显著提升它们的强度、导电性和耐热性。碳纳米管宛如超级小分子“魔法师”，不管是高温高压环境下的航空航天装置，还是精密医疗设备，甚至智能电子产品上的微芯片，加入碳纳米管后都能游刃有余地工作。碳纳米管复合技术为现代材料提供了超强性能，奠定了新一代复合材料的基础。

▲ 碳纳米管

为应对高温环境的需求，科学家还研发出金属基复合材料这一“耐热先锋”。它以铝、镁、钛等金属元素及其合金为基础，添加碳化硅、氧化铝等陶瓷颗粒，使其兼具高温稳定性与强度。金属基复合材料在高温下依然稳定，能够在高温区保持稳定的性能，是航空发动机叶片、导弹壳体等部件的理想选择。同时，金属基复合材料可以在保持相对较低密度的同时，获得远高于传统金属材料的强度和模量，在减轻飞机和航天器质量的同时，又能保证安全性。

随着技术的不断进步，先进碳纤维复合材料被誉为现代产业“钢铁的替代者”。碳纤维不仅比钢轻，还具备超高强度，非常适合用于汽车和飞机部件。例如：特斯拉的部分车型采用碳纤维材料，不仅让车身更轻，还有效提升了续航里程；波音787客机的机身、机翼和尾翼也采用了大量碳纤维材料，减少了油耗和碳排放，提供了更安静的飞行体验。2014年，美国MarkForged公司推出全球首台碳纤维3D打印机，实现了复合材料的快速定制。这台设备不仅提升了生产效率，还将材料浪费降到最低。从此，复合材料不再只是工业制造的专属品，而是进入了现代制造业的核心。

▲ 全球首台碳纤维3D打印机

复合材料的未来：

智能、环保与自我修复

随着人类环保意识的提升，复合材料的研发也在朝着绿色、可持续方向迈进。研究人员将目光投向了生物基复合材料，它们由天然植物纤维如亚麻、竹子制成，配以可降解的生物树脂，能够在自然环境中分解。这类复合材料不仅具备一定的强度，还可以在完成使命后悄然融入自然。

通过在复合材料中嵌入微型传感器，材料可以“感知”到温度、压力、振动等环境变化，成为一个聪明的“结构卫士”。在航空航天领域，智能复合材料能够监测飞机的机翼和机身结构，帮助发现结构疲劳和损伤，确保飞行安全。利用复合材料制造的智能植入体，不仅能监测患者的身体状况，还能发出预警信号，为患者的健康提供更可靠的保障。

科学家还在研究一种具备自我修复功能的复合材料，让材料“自愈”成为现实。当材料表面出现微小裂缝时，内部的微胶囊会自动释放修复剂，填补损伤。技术让复合材料朝着更加环保、智能和耐用的方向发展，为未来带来了无限可能。

复合材料的发展历程是人类对自然、科学与创新孜孜不倦探索的精彩篇章。未来，复合材料将不再只是坚固与轻便的代名词，而是与智能、环保、自我修复等前沿科技紧密融合，为我们的生活带来更多意想不到的变革。或许在不久的将来，我们将看到建筑如同有生命般自我修复，飞行器结构根据外界条件自动调整，衣物能够随气温变化调节舒适度。让我们一起见证这场材料革命，期待复合材料与未来科技的融合重塑我们的世界，为我们带来一个更智慧、和谐、充满活力的明天。这场探索仍在继续，复合材料将在我们未来生活中不断绽放更多的惊喜。

END

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