你是否曾經(jīng)好奇：我們身邊的那些“超級(jí)材料”究竟是如何誕生的？為什么現(xiàn)代汽車能在輕量化前提下保持較高的強(qiáng)度？飛機(jī)輕盈的機(jī)翼如何承受巨大的空氣壓力和溫度變化而不折斷？從輕量化汽車部件到軍用武器裝備，從深海探測器到航空航天器，甚至用于個(gè)人防護(hù)的防彈衣，都離不開復(fù)合材料的應(yīng)用。讓我們一起走進(jìn)復(fù)合材料的世界，了解它背后的故事吧！

文/何衛(wèi)華 申金升 王國強(qiáng)

何衛(wèi)華，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院博士后。

申金升，中國科協(xié)戰(zhàn)略發(fā)展部部長。

王國強(qiáng)，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院研究員。

復(fù)合材料的萌芽：

古老技藝中的現(xiàn)代啟發(fā)

復(fù)合材料并非單一材料的簡單疊加，而是一種精密的科學(xué)組合。不同成分的材料巧妙地融合，它們各司其職，有的提供支撐，有的強(qiáng)化韌性，有的負(fù)責(zé)抗腐蝕，有的增強(qiáng)導(dǎo)電性。它們的相互配合不僅彌補(bǔ)了單一材料的不足，還通過復(fù)合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了性能的倍增，帶來更高強(qiáng)度、更低密度、更耐高溫、更抗沖擊等一系列特性，讓材料能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)和科技發(fā)展的多重需求。有趣的是，雖然復(fù)合材料在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用歷史不過短短100多年，但它的起源可以追溯到幾千年前的人類文明早期。

大約公元前3400年，美索不達(dá)米亞人嘗試將木條按不同角度通過天然樹脂等黏合在一起，制成了早期的膠合板。木材天然的纖維結(jié)構(gòu)使其在一定方向上具有較高的強(qiáng)度，但也容易在特定方向上發(fā)生彎曲或開裂。將木條按不同角度層層黏合，得到的膠合板不僅更加堅(jiān)固，還因多角度結(jié)構(gòu)而減少了材料的彎曲和開裂問題。這種膠合板通過結(jié)構(gòu)的巧妙組合克服了木材本身的弱點(diǎn)，是最早的復(fù)合材料實(shí)踐之一，為人類提供了一種在建材上更穩(wěn)定、耐用的選擇。

與美索不達(dá)米亞人的膠合板類似，中國古代建筑中也較早地體現(xiàn)了復(fù)合材料的思想。古人發(fā)現(xiàn)，單一的泥土在干燥后容易開裂，而將草梗與泥土混合后，墻體變得既堅(jiān)固又有韌性。泥土提供了墻體的形狀和支撐，而草梗則增加了墻體的抗裂性。這樣的結(jié)構(gòu)組合使建筑能夠經(jīng)受住風(fēng)雨的侵蝕，且更加持久耐用。盡管古代工匠未必理解現(xiàn)代材料科學(xué)的概念，但他們的這些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)恰恰與現(xiàn)代復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升上的原理不謀而合。

▲福建土樓是我國古代建筑中體現(xiàn)復(fù)合材料思想的代表

復(fù)合材料技術(shù)的蛻變：

從自然到合成

復(fù)合材料技術(shù)的突破性進(jìn)展發(fā)生在19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，化學(xué)工業(yè)的發(fā)展帶來了人工合成樹脂和纖維技術(shù)，復(fù)合材料從天然材料邁向人造材料。

1870—1890年，世界上出現(xiàn)了第一種合成樹脂，這是一種通過化學(xué)反應(yīng)將液態(tài)樹脂轉(zhuǎn)化為固態(tài)樹脂的材料。這種早期樹脂在易加工性和耐用性方面取得了突破，成為日后合成材料的關(guān)鍵工藝基礎(chǔ)。

▲ 第一種合成（人造）樹脂被開發(fā)出來

1907年，比利時(shí)裔美國化學(xué)家利奧·貝克蘭發(fā)明了世界上第一款真正被廣泛應(yīng)用的合成塑料——酚醛樹脂，被視為現(xiàn)代塑料工業(yè)的開端。與早期的樹脂相比，酚醛塑料硬度高、絕緣性好且耐高溫、抗腐蝕。

▲ 化學(xué)家貝克蘭

1917年，酚醛塑料首次被用于勞斯萊斯汽車的變速桿旋鈕。它的防水性、耐腐蝕性和堅(jiān)固性使汽車部件在外觀和性能上都得到了顯著提升。正因如此，酚醛塑料迅速引起了工業(yè)界的關(guān)注，不僅為汽車制造帶來了全新的可能，也為復(fù)合材料在其他工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打開了大門。

20世紀(jì)30年代末，美國歐文斯-伊利諾斯玻璃公司發(fā)明了一項(xiàng)新的生產(chǎn)工藝——將玻璃拉成纖維。這種玻璃纖維因其優(yōu)異的強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕性和抗沖擊性，迅速成為復(fù)合材料中廣泛使用的增強(qiáng)材料。

▲ 美國歐文斯-伊利諾斯玻璃公司發(fā)明的玻璃纖維

1942年，曾在該公司工作的工程師雷·格林用玻璃纖維和聚酯樹脂制造了世界上第一艘玻璃纖維聚酯小艇，開啟了復(fù)合材料在航海領(lǐng)域的應(yīng)用，也為未來的船舶、管道、儲(chǔ)罐等大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

▲ 世界上第一艘玻璃纖維聚酯小艇

在第二次世界大戰(zhàn)期間，復(fù)合材料成了戰(zhàn)場上的“神兵利器”，尤其是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，風(fēng)頭一時(shí)無兩。這種輕便、耐用、抗沖擊的材料迅速被應(yīng)用到軍用設(shè)備中，為戰(zhàn)場上的裝備增添了一層堅(jiān)實(shí)的防護(hù)。

▲ 超過3000 噸的玻璃纖維用于第二次世界大戰(zhàn)

到了1966年，復(fù)合材料家族又迎來一位“硬核”成員——?jiǎng)P夫拉纖維。這種材料由美國杜邦公司的化學(xué)家斯蒂芬妮·克沃勒克發(fā)明，憑借超強(qiáng)抗沖擊能力和耐用性，其迅速成為防彈衣、防刺服、頭盔等裝備的標(biāo)配，被譽(yù)為軍警的“隱形護(hù)甲”。凱夫拉纖維的誕生使復(fù)合材料的防護(hù)性能達(dá)到了新高度，為士兵們提供了不可替代的保護(hù)。

▲ 凱夫拉纖維制作的防彈衣

復(fù)合材料的進(jìn)化之路：

從軍事科技到平民生活

第二次世界大戰(zhàn)后，復(fù)合材料不再只是為軍事服務(wù)，它們悄然進(jìn)入了民用工業(yè)的視野，開始在人們的日常生活中發(fā)揮不可或缺的作用。1953年，美國雪佛蘭公司為科爾維特跑車裝上了玻璃纖維復(fù)合材料車身。這種車身既輕巧又結(jié)實(shí)，外觀輪廓優(yōu)雅流暢，一經(jīng)亮相便立刻成為焦點(diǎn)。

▲ 科爾維特跑車

與此同時(shí)，復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的出色表現(xiàn)也令人稱道。拉擠成型、真空袋成型、纖維纏繞等各類復(fù)合材料成型工藝相繼出現(xiàn)，為制造輕便而堅(jiān)固的火箭和飛機(jī)結(jié)構(gòu)帶來了變革，不但實(shí)現(xiàn)了飛行器強(qiáng)度高和質(zhì)量輕的完美結(jié)合，還解決了其所面臨的極端環(huán)境挑戰(zhàn)。復(fù)合材料因此成為太空探索中的“無聲功臣”，支撐著人類追尋未知的夢(mèng)想，幫助人類穿越大氣層，探索未知的宇宙。

1992年，世界上第一座全復(fù)合材料人行橋在英國蘇格蘭的阿伯費(fèi)爾迪建成。這座橋選用了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，以其耐腐蝕、抗疲勞、高強(qiáng)度的特性贏得了關(guān)注。與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料讓橋梁結(jié)構(gòu)更輕便、更易安裝，使用壽命也得到了顯著提升。更重要的是，復(fù)合材料橋的維護(hù)需求大大降低，使用成本明顯下降。

▲ 世界上第一座全復(fù)合材料人行橋

自此以后，復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)一步拓展，給人們的日常生活帶來了新的飛躍。例如，碳纖維復(fù)合材料以其輕盈和高強(qiáng)度被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)器材中，如網(wǎng)球拍、自行車、沖浪板等，既提升了性能又減輕了質(zhì)量。碳纖維增強(qiáng)材料制成的網(wǎng)球拍讓運(yùn)動(dòng)員能夠更精準(zhǔn)地控制球拍、提高擊球速度；自行車車架因復(fù)合材料的加持而變得輕便且耐用，使騎行體驗(yàn)更為舒適。

復(fù)合材料新時(shí)代：

納米增強(qiáng)與3D打印

21世紀(jì)，納米技術(shù)為復(fù)合材料注入了全新能量。科研人員發(fā)現(xiàn)，將碳納米管引入復(fù)合材料，可以顯著提升它們的強(qiáng)度、導(dǎo)電性和耐熱性。碳納米管宛如超級(jí)小分子“魔法師”，不管是高溫高壓環(huán)境下的航空航天裝置，還是精密醫(yī)療設(shè)備，甚至智能電子產(chǎn)品上的微芯片，加入碳納米管后都能游刃有余地工作。碳納米管復(fù)合技術(shù)為現(xiàn)代材料提供了超強(qiáng)性能，奠定了新一代復(fù)合材料的基礎(chǔ)。

▲ 碳納米管

為應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境的需求，科學(xué)家還研發(fā)出金屬基復(fù)合材料這一“耐熱先鋒”。它以鋁、鎂、鈦等金屬元素及其合金為基礎(chǔ)，添加碳化硅、氧化鋁等陶瓷顆粒，使其兼具高溫穩(wěn)定性與強(qiáng)度。金屬基復(fù)合材料在高溫下依然穩(wěn)定，能夠在高溫區(qū)保持穩(wěn)定的性能，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、導(dǎo)彈殼體等部件的理想選擇。同時(shí)，金屬基復(fù)合材料可以在保持相對(duì)較低密度的同時(shí)，獲得遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬材料的強(qiáng)度和模量，在減輕飛機(jī)和航天器質(zhì)量的同時(shí)，又能保證安全性。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料被譽(yù)為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)“鋼鐵的替代者”。碳纖維不僅比鋼輕，還具備超高強(qiáng)度，非常適合用于汽車和飛機(jī)部件。例如：特斯拉的部分車型采用碳纖維材料，不僅讓車身更輕，還有效提升了續(xù)航里程；波音787客機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼和尾翼也采用了大量碳纖維材料，減少了油耗和碳排放，提供了更安靜的飛行體驗(yàn)。2014年，美國MarkForged公司推出全球首臺(tái)碳纖維3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的快速定制。這臺(tái)設(shè)備不僅提升了生產(chǎn)效率，還將材料浪費(fèi)降到最低。從此，復(fù)合材料不再只是工業(yè)制造的專屬品，而是進(jìn)入了現(xiàn)代制造業(yè)的核心。

▲ 全球首臺(tái)碳纖維3D打印機(jī)

復(fù)合材料的未來：

智能、環(huán)保與自我修復(fù)

隨著人類環(huán)保意識(shí)的提升，復(fù)合材料的研發(fā)也在朝著綠色、可持續(xù)方向邁進(jìn)。研究人員將目光投向了生物基復(fù)合材料，它們由天然植物纖維如亞麻、竹子制成，配以可降解的生物樹脂，能夠在自然環(huán)境中分解。這類復(fù)合材料不僅具備一定的強(qiáng)度，還可以在完成使命后悄然融入自然。

通過在復(fù)合材料中嵌入微型傳感器，材料可以“感知”到溫度、壓力、振動(dòng)等環(huán)境變化，成為一個(gè)聰明的“結(jié)構(gòu)衛(wèi)士”。在航空航天領(lǐng)域，智能復(fù)合材料能夠監(jiān)測飛機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身結(jié)構(gòu)，幫助發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞和損傷，確保飛行安全。利用復(fù)合材料制造的智能植入體，不僅能監(jiān)測患者的身體狀況，還能發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為患者的健康提供更可靠的保障。

科學(xué)家還在研究一種具備自我修復(fù)功能的復(fù)合材料，讓材料“自愈”成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)材料表面出現(xiàn)微小裂縫時(shí)，內(nèi)部的微膠囊會(huì)自動(dòng)釋放修復(fù)劑，填補(bǔ)損傷。技術(shù)讓復(fù)合材料朝著更加環(huán)保、智能和耐用的方向發(fā)展，為未來帶來了無限可能。

復(fù)合材料的發(fā)展歷程是人類對(duì)自然、科學(xué)與創(chuàng)新孜孜不倦探索的精彩篇章。未來，復(fù)合材料將不再只是堅(jiān)固與輕便的代名詞，而是與智能、環(huán)保、自我修復(fù)等前沿科技緊密融合，為我們的生活帶來更多意想不到的變革。或許在不久的將來，我們將看到建筑如同有生命般自我修復(fù)，飛行器結(jié)構(gòu)根據(jù)外界條件自動(dòng)調(diào)整，衣物能夠隨氣溫變化調(diào)節(jié)舒適度。讓我們一起見證這場材料革命，期待復(fù)合材料與未來科技的融合重塑我們的世界，為我們帶來一個(gè)更智慧、和諧、充滿活力的明天。這場探索仍在繼續(xù)，復(fù)合材料將在我們未來生活中不斷綻放更多的驚喜。

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