【材料改变战争】攀登之高永无止境：现代战场的新概念材料

　　编者按：

　　材料是人类赖以生存的物质基础。人类社会不断地发展进步，就在于人类能够利用材料制造工具并用来改造世界。正所谓“一代材料，一代装备”。新型材料的诞生与发展，会推动武器装备和作战样式出现重大变革。那么，从古至今，材料在战争中的应用发生了哪些变化？即日起，科普中国军事科技前沿将推出《材料改变战争》系列科普文章进行解读，欢迎关注。

　　也不知道是至何时起，人类的战争已经近乎完全脱离了天然金属与动植物材料，进入了混杂金属、塑料和单晶硅等提纯矿物的全新时代。

　　一夜之间，所谓“纯天然更珍贵”的论调几乎就变得彻底过时。观察家们收起了对畜牧林业的监测表，转而把目光投向实验室、合成车间和高等院校——名为“材料科学”的蝴蝶将在那里扇起翅膀，把风暴带上遥远的战场。

　　图为GE9X发动机的单片涡轮扇叶，部分应用了增材技术进行铸造。（图源：GE）

　　物以稀为贵：寸土寸金的稀土合金

　　以“不锈钢”为代表，现代冶金工业算是摸到了千百年来所谓“玄铁”的门路：在寻常钢铁中投入铬、钒、镍等金属元素，或是控制磷、硫等元素的含量，能够极大强化其机械或化学性能，同时可以通过机械或热加工手段消除相应副作用。

　　但随着对金属材料的性能要求呈指数性上升，这些添加常见元素的法子开始不太顶用。办法倒是现成：元素周期表后头还有大量的金属元素可以拿来逐一“试错”，甭管要电还是磁还是化学机械，抑或是更少见的发光、催化和储能性能，总之挨个试就对了。

　　当然我们现在都知道，比方说镓于雷达、钕于激光器与磁体、铼于涡扇发动机叶片、钽于高温涂层，这些稀土元素在各自的细分领域都价值非凡，只要“加一点“，寻常钢铁、铝合金与钛合金的表现就能脱胎换骨，显出截然不同的性能来。

　　没错，往金属材料里加稀土元素这件事不难，但前提是如何把稀土元素从石头里炼出来，同时把杂质排除掉——如果不能做到这一点，那就是手握万吨稀土矿也枉然。

　　从简单到极致：独占鳌头的碳纤维复合材料

　　图为应用碳复合材料一体成型技术的川崎重工机身产线，为波音787客机代工。（图源：seattletimes）

　　碳首次以“纤维”的角度展现在世人面前，其实已经是一百多年前的事情了。那时候碳丝还在惰性气体的保护下，被陈列在玻璃灯罩当中，用来接通电源发出光芒。

　　然后，造价更低且寿命更持久的钨丝出现了。碳丝被迅速排除出灯丝领域，至此沉寂了数十年，直到美苏围绕着核弹头、导弹和火箭领域开始新一轮争夺，碳纤维才从冷宫中被再度发现，进入到主流科学领域。

　　简单来说，洲际弹道导弹的弹头头锥在返回大气层时，将与稠密空气发生“不减速”的剧烈摩擦，由此能够产生数千摄氏度的高温，曾经替代碳丝的钨熔点不过三千多摄氏度，根本不够使。

　　那咋办？先进碳纤维再次站了出来。与耐热陶瓷复合之后，碳纤维已经广泛地出现在洲际弹道导弹的弹体、头锥和弹翼等领域，到上世纪80年代时更有全用碳纤维缠绕制成的固体弹道导弹，其制造成本和性能均非金属弹体可比。

　　而随着冷战结束，这类先进技术也开始逐渐下放到航天之外的军事领域：第五代战斗机已经开始广泛使用碳纤维制造的个体部件，诸如波音787、空客A350等大飞机也开始应用碳纤维整体缠绕制成的机翼，甚至是机身大段……除了在可修复性方面暂时得不到证明，实验室模拟和实际应用均已经证明，碳纤复合材料在未来战场上只会愈发多见且强大，乃至于即便预言它将取代钢铁，那也是一点都不过分。

　　化腐朽为神奇：增材成型技术与聚合物材料

　　图为使用3D打印技术制造的FGC-9冲锋枪。（图源：ARES）

　　想象一下，如果有这么一台机器，只需输入指令，同时具备足够的几种资源，即可现场制造长枪短炮、备件弹药，那么困扰几乎所有军队的后勤问题无疑就迎刃而解——要知道一支现代化的重装部队往往要携带多达数百种零备件、数十种不同用途和标号的滑油、最少十几种弹药，少了其中一环整个作战体系就有崩溃危险。

　　不过，这个有些科幻的想法，却也逐渐成为现实：增材成型技术，也即俗称“3D打印机”的出现和兴起，不仅让制造企业纷纷选择工业级打印机，替代复杂的传统加工产线，更让面向消费者的桌面级打印机价格接连下降，几乎到了“滑坡”的地步；同样，配套的成型材料也随着产能提升价格猛降，至少现在使用成型树脂来为替换零件进行“打样”，已经是稳赚不赔的买卖。

　　而技术的演进，往往也很出乎人的意料：在各国武装力量广泛应用3D打印机“打印武器”之前，就已经有民间组织绞尽脑汁，应用桌面级3D打印机和寻常聚合物造出枪支。

　　这种“化腐朽为神奇”般的场景究竟是不是又打开了一个“潘多拉之盒”，或许还要等后世人加以评说。

　　出品：科普中国军事科技前沿

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