[科普中國]-【材料改變戰(zhàn)爭】攀登之高永無止境：現(xiàn)代戰(zhàn)場的新概念材料

編者按：

材料是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。人類社會不斷地發(fā)展進(jìn)步，就在于人類能夠利用材料制造工具并用來改造世界。正所謂“一代材料，一代裝備”。新型材料的誕生與發(fā)展，會推動武器裝備和作戰(zhàn)樣式出現(xiàn)重大變革。那么，從古至今，材料在戰(zhàn)爭中的應(yīng)用發(fā)生了哪些變化？即日起，科普中國軍事科技前沿將推出《材料改變戰(zhàn)爭》系列科普文章進(jìn)行解讀，歡迎關(guān)注。

也不知道是至何時(shí)起，人類的戰(zhàn)爭已經(jīng)近乎完全脫離了天然金屬與動植物材料，進(jìn)入了混雜金屬、塑料和單晶硅等提純礦物的全新時(shí)代。

一夜之間，所謂“純天然更珍貴”的論調(diào)幾乎就變得徹底過時(shí)。觀察家們收起了對畜牧林業(yè)的監(jiān)測表，轉(zhuǎn)而把目光投向?qū)嶒?yàn)室、合成車間和高等院?！麨椤安牧峡茖W(xué)”的蝴蝶將在那里扇起翅膀，把風(fēng)暴帶上遙遠(yuǎn)的戰(zhàn)場。

圖為GE9X發(fā)動機(jī)的單片渦輪扇葉，部分應(yīng)用了增材技術(shù)進(jìn)行鑄造。（圖源：GE）

物以稀為貴：寸土寸金的稀土合金

以“不銹鋼”為代表，現(xiàn)代冶金工業(yè)算是摸到了千百年來所謂“玄鐵”的門路：在尋常鋼鐵中投入鉻、釩、鎳等金屬元素，或是控制磷、硫等元素的含量，能夠極大強(qiáng)化其機(jī)械或化學(xué)性能，同時(shí)可以通過機(jī)械或熱加工手段消除相應(yīng)副作用。

但隨著對金屬材料的性能要求呈指數(shù)性上升，這些添加常見元素的法子開始不太頂用。辦法倒是現(xiàn)成：元素周期表后頭還有大量的金屬元素可以拿來逐一“試錯”，甭管要電還是磁還是化學(xué)機(jī)械，抑或是更少見的發(fā)光、催化和儲能性能，總之挨個試就對了。

當(dāng)然我們現(xiàn)在都知道，比方說鎵于雷達(dá)、釹于激光器與磁體、錸于渦扇發(fā)動機(jī)葉片、鉭于高溫涂層，這些稀土元素在各自的細(xì)分領(lǐng)域都價(jià)值非凡，只要“加一點(diǎn)“，尋常鋼鐵、鋁合金與鈦合金的表現(xiàn)就能脫胎換骨，顯出截然不同的性能來。

沒錯，往金屬材料里加稀土元素這件事不難，但前提是如何把稀土元素從石頭里煉出來，同時(shí)把雜質(zhì)排除掉——如果不能做到這一點(diǎn)，那就是手握萬噸稀土礦也枉然。

從簡單到極致：獨(dú)占鰲頭的碳纖維復(fù)合材料

圖為應(yīng)用碳復(fù)合材料一體成型技術(shù)的川崎重工機(jī)身產(chǎn)線，為波音787客機(jī)代工。（圖源：seattletimes）

碳首次以“纖維”的角度展現(xiàn)在世人面前，其實(shí)已經(jīng)是一百多年前的事情了。那時(shí)候碳絲還在惰性氣體的保護(hù)下，被陳列在玻璃燈罩當(dāng)中，用來接通電源發(fā)出光芒。

然后，造價(jià)更低且壽命更持久的鎢絲出現(xiàn)了。碳絲被迅速排除出燈絲領(lǐng)域，至此沉寂了數(shù)十年，直到美蘇圍繞著核彈頭、導(dǎo)彈和火箭領(lǐng)域開始新一輪爭奪，碳纖維才從冷宮中被再度發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入到主流科學(xué)領(lǐng)域。

簡單來說，洲際彈道導(dǎo)彈的彈頭頭錐在返回大氣層時(shí)，將與稠密空氣發(fā)生“不減速”的劇烈摩擦，由此能夠產(chǎn)生數(shù)千攝氏度的高溫，曾經(jīng)替代碳絲的鎢熔點(diǎn)不過三千多攝氏度，根本不夠使。

那咋辦？先進(jìn)碳纖維再次站了出來。與耐熱陶瓷復(fù)合之后，碳纖維已經(jīng)廣泛地出現(xiàn)在洲際彈道導(dǎo)彈的彈體、頭錐和彈翼等領(lǐng)域，到上世紀(jì)80年代時(shí)更有全用碳纖維纏繞制成的固體彈道導(dǎo)彈，其制造成本和性能均非金屬彈體可比。

而隨著冷戰(zhàn)結(jié)束，這類先進(jìn)技術(shù)也開始逐漸下放到航天之外的軍事領(lǐng)域：第五代戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)開始廣泛使用碳纖維制造的個體部件，諸如波音787、空客A350等大飛機(jī)也開始應(yīng)用碳纖維整體纏繞制成的機(jī)翼，甚至是機(jī)身大段……除了在可修復(fù)性方面暫時(shí)得不到證明，實(shí)驗(yàn)室模擬和實(shí)際應(yīng)用均已經(jīng)證明，碳纖復(fù)合材料在未來戰(zhàn)場上只會愈發(fā)多見且強(qiáng)大，乃至于即便預(yù)言它將取代鋼鐵，那也是一點(diǎn)都不過分。

化腐朽為神奇：增材成型技術(shù)與聚合物材料

圖為使用3D打印技術(shù)制造的FGC-9沖鋒槍。（圖源：ARES）

想象一下，如果有這么一臺機(jī)器，只需輸入指令，同時(shí)具備足夠的幾種資源，即可現(xiàn)場制造長槍短炮、備件彈藥，那么困擾幾乎所有軍隊(duì)的后勤問題無疑就迎刃而解——要知道一支現(xiàn)代化的重裝部隊(duì)往往要攜帶多達(dá)數(shù)百種零備件、數(shù)十種不同用途和標(biāo)號的滑油、最少十幾種彈藥，少了其中一環(huán)整個作戰(zhàn)體系就有崩潰危險(xiǎn)。

不過，這個有些科幻的想法，卻也逐漸成為現(xiàn)實(shí)：增材成型技術(shù)，也即俗稱“3D打印機(jī)”的出現(xiàn)和興起，不僅讓制造企業(yè)紛紛選擇工業(yè)級打印機(jī)，替代復(fù)雜的傳統(tǒng)加工產(chǎn)線，更讓面向消費(fèi)者的桌面級打印機(jī)價(jià)格接連下降，幾乎到了“滑坡”的地步；同樣，配套的成型材料也隨著產(chǎn)能提升價(jià)格猛降，至少現(xiàn)在使用成型樹脂來為替換零件進(jìn)行“打樣”，已經(jīng)是穩(wěn)賺不賠的買賣。

而技術(shù)的演進(jìn)，往往也很出乎人的意料：在各國武裝力量廣泛應(yīng)用3D打印機(jī)“打印武器”之前，就已經(jīng)有民間組織絞盡腦汁，應(yīng)用桌面級3D打印機(jī)和尋常聚合物造出槍支。

這種“化腐朽為神奇”般的場景究竟是不是又打開了一個“潘多拉之盒”，或許還要等后世人加以評說。

出品：科普中國軍事科技前沿

策劃：趙清建

制作：旋鈕工作室

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部