你是否曾經(jīng)好奇：我們身邊的那些“超級材料”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度？飛機輕盈的機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，甚至用于個人防護的防彈衣，都離不開復合材料的應用。讓我們一起走進復合材料的世界，了解它背后的故事吧！

文/何衛(wèi)華 申金升 王國強

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，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院研究員。

復合材料的萌芽：

古老技藝中的現(xiàn)代啟發(fā)

復合材料并非單一材料的簡單疊加，而是一種精密的科學組合。不同成分的材料巧妙地融合，它們各司其職，有的提供支撐，有的強化韌性，有的負責抗腐蝕，有的增強導電性。它們的相互配合不僅彌補了單一材料的不足，還通過復合效應實現(xiàn)了性能的倍增，帶來更高強度、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，雖然復合材料在現(xiàn)代工業(yè)中的應用歷史不過短短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)構使其在一定方向上具有較高的強度，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固，還因多角度結(jié)構而減少了材料的彎曲和開裂問題。這種膠合板通過結(jié)構的巧妙組合克服了木材本身的弱點，是最早的復合材料實踐之一，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)構組合使建筑能夠經(jīng)受住風雨的侵蝕，且更加持久耐用。盡管古代工匠未必理解現(xiàn)代材料科學的概念，但他們的這些實踐經(jīng)驗恰恰與現(xiàn)代復合材料在結(jié)構優(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)復合材料思想的代表

復合材料技術的蛻變：

從自然到合成

復合材料技術的突破性進展發(fā)生在19世紀末至20世紀初，化學工業(yè)的發(fā)展帶來了人工合成樹脂和纖維技術，復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，這是一種通過化學反應將液態(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鍵工藝基礎。

▲ 第一種合成（人造）樹脂被開發(fā)出來

1907年，比利時裔美國化學家利奧·貝克蘭發(fā)明了世界上第一款真正被廣泛應用的合成塑料——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)界的關注，不僅為汽車制造帶來了全新的可能，也為復合材料在其他工業(yè)領域的廣泛應用打開了大門。

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

▲ 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，開啟了復合材料在航海領域的應用，也為未來的船舶、管道、儲罐等大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎。

▲ 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，復合材料成了戰(zhàn)場上的“神兵利器”，尤其是玻璃纖維增強復合材料，風頭一時無兩。這種輕便、耐用、抗沖擊的材料迅速被應用到軍用設備中，為戰(zhàn)場上的裝備增添了一層堅實的防護。

▲ 超過3000 噸的玻璃纖維用于第二次世界大戰(zhàn)

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

▲ 凱夫拉纖維制作的防彈衣

復合材料的進化之路：

從軍事科技到平民生活

第二次世界大戰(zhàn)后，復合材料不再只是為軍事服務，它們悄然進入了民用工業(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合材料車身。這種車身既輕巧又結(jié)實，外觀輪廓優(yōu)雅流暢，一經(jīng)亮相便立刻成為焦點。

▲ 科爾維特跑車

與此同時，復合材料在航空航天領域的出色表現(xiàn)也令人稱道。拉擠成型、真空袋成型、纖維纏繞等各類復合材料成型工藝相繼出現(xiàn)，為制造輕便而堅固的火箭和飛機結(jié)構帶來了變革，不但實現(xiàn)了飛行器強度高和質(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，世界上第一座全復合材料人行橋在英國蘇格蘭的阿伯費爾迪建成。這座橋選用了纖維增強復合材料，以其耐腐蝕、抗疲勞、高強度的特性贏得了關注。與傳統(tǒng)材料相比，復合材料讓橋梁結(jié)構更輕便、更易安裝，使用壽命也得到了顯著提升。更重要的是，復合材料橋的維護需求大大降低，使用成本明顯下降。

▲ 世界上第一座全復合材料人行橋

自此以后，復合材料的應用進一步拓展，給人們的日常生活帶來了新的飛躍。例如，碳纖維復合材料以其輕盈和高強度被廣泛應用于運動器材中，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。碳纖維增強材料制成的網(wǎng)球拍讓運動員能夠更精準地控制球拍、提高擊球速度；自行車車架因復合材料的加持而變得輕便且耐用，使騎行體驗更為舒適。

復合材料新時代：

納米增強與3D打印

21世紀，納米技術為復合材料注入了全新能量?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，將碳納米管引入復合材料，可以顯著提升它們的強度、導電性和耐熱性。碳納米管宛如超級小分子“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。碳納米管復合技術為現(xiàn)代材料提供了超強性能，奠定了新一代復合材料的基礎。

▲ 碳納米管

為應對高溫環(huán)境的需求，科學家還研發(fā)出金屬基復合材料這一“耐熱先鋒”。它以鋁、鎂、鈦等金屬元素及其合金為基礎，添加碳化硅、氧化鋁等陶瓷顆粒，使其兼具高溫穩(wěn)定性與強度。金屬基復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)動機葉片、導彈殼體等部件的理想選擇。同時，金屬基復合材料可以在保持相對較低密度的同時，獲得遠高于傳統(tǒng)金屬材料的強度和模量，在減輕飛機和航天器質(zhì)量的同時，又能保證安全性。

隨著技術的不斷進步，先進碳纖維復合材料被譽為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)“鋼鐵的替代者”。碳纖維不僅比鋼輕，還具備超高強度，非常適合用于汽車和飛機部件。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客機的機身、機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。2014年，美國MarkForged公司推出全球首臺碳纖維3D打印機，實現(xiàn)了復合材料的快速定制。這臺設備不僅提升了生產(chǎn)效率，還將材料浪費降到最低。從此，復合材料不再只是工業(yè)制造的專屬品，而是進入了現(xiàn)代制造業(yè)的核心。

▲ 全球首臺碳纖維3D打印機

復合材料的未來：

智能、環(huán)保與自我修復

隨著人類環(huán)保意識的提升，復合材料的研發(fā)也在朝著綠色、可持續(xù)方向邁進。研究人員將目光投向了生物基復合材料，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。這類復合材料不僅具備一定的強度，還可以在完成使命后悄然融入自然。

通過在復合材料中嵌入微型傳感器，材料可以“感知”到溫度、壓力、振動等環(huán)境變化，成為一個聰明的“結(jié)構衛(wèi)士”。在航空航天領域，智能復合材料能夠監(jiān)測飛機的機翼和機身結(jié)構，幫助發(fā)現(xiàn)結(jié)構疲勞和損傷，確保飛行安全。利用復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)出預警信號，為患者的健康提供更可靠的保障。

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

復合材料的發(fā)展歷程是人類對自然、科學與創(chuàng)新孜孜不倦探索的精彩篇章。未來，復合材料將不再只是堅固與輕便的代名詞，而是與智能、環(huán)保、自我修復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，飛行器結(jié)構根據(jù)外界條件自動調(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，為我們帶來一個更智慧、和諧、充滿活力的明天。這場探索仍在繼續(xù)，復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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