【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。人类社会的不断发展和进步在于人类能够用材料制造工具和改造世界。俗话说，“一代材料，一代设备”。新材料的诞生和发展将推动武器装备和作战方式的重大变革。那么，自古以来，战争中材料的应用发生了什么变化？从现在起，中国军事科技科普前沿将推出一系列题为“物质变革战争”的科普文章进行解读。欢迎注意。

我也不知道人类战争什么时候已经几乎完全从天然金属和动植物材料中分离出来，进入了混合金属、塑料、单晶硅和其他提纯矿物的新时代。

一夜之间，所谓的“一切自然，更珍贵”的论点几乎完全过时了。观察家们收起了对畜牧业和林业的监控手表，将目光转向实验室、合成车间和高等院校，在这些地方，被称为“材料科学”的蝴蝶会扇动翅膀，将风暴带到遥远的战场。

图为GE9X发动机的单涡轮叶片，通过添加材料技术进行部分铸造。(资料来源:通用电气)

稀土合金

以“不锈钢”为代表的现代冶金工业几千年来一直在寻找所谓的“黑铁”之路:在普通钢中加入铬、钒、镍等金属元素，或者控制磷、硫等元素的含量，可以大大增强其机械或化学性能，同时通过机械或热处理消除相应的副作用。

然而，随着金属材料性能要求的指数级增长，这些添加普通元素的方法开始并不十分有用。解决方案很容易获得:在周期表的后面仍然有大量的金属元素可以被一个接一个地“测试”，不管它是电、磁、化学机械，还是不太常见的发光、催化和储能性质。简而言之，逐一尝试是正确的。

当然，我们现在都知道，例如，镓用于雷达，钕用于激光和磁铁，铼用于涡轮风扇发动机叶片，钽用于高温涂层。这些稀土元素在它们各自的细分领域都有很大的价值。只要加入“一点点”，普通钢、铝合金和钛合金的性能就会完全改变，表现出完全不同的性能。

是的，向金属材料中添加稀土元素并不困难，但前提是如何从岩石中提炼稀土元素，同时去除杂质——如果做不到这一点，持有1万吨稀土矿石是没有用的。

从简单到完美:主导竞争的碳纤维复合材料。

图为川崎重工采用碳复合材料集成成型技术的机身生产线，该生产线是波音787的合同制造商。(资料来源:西雅图时报)

从“纤维”的角度来看，碳第一次出现在世界面前是在100多年前。那时，在惰性气体的保护下，碳丝仍然显示在玻璃灯罩中，用来打开电源发光。

于是，出现了成本更低、寿命更长的钨丝。碳纤维很快被排除在灯丝领域之外，这个领域已经沉寂了几十年。直到美国和苏联围绕核弹头、导弹和火箭展开新一轮竞争，碳纤维才从冷宫中被重新发现并进入主流科学领域。

简而言之，洲际弹道导弹的弹头锥在返回大气层时不会“减速”，而是与稠密的空气产生强烈的摩擦，从而产生数千摄氏度的高温。曾经取代碳丝的钨的熔点只有3000多摄氏度，这根本不够。

然后呢？先进的碳纤维又出现了。碳纤维与耐热陶瓷复合后，已广泛应用于洲际弹道导弹的弹体、头锥和机翼等领域。到了20世纪80年代，完全由碳纤维制成的固体弹道导弹更加容易获得，它们的制造成本和性能与非金属导弹相当。

随着冷战的结束，这种先进技术已经逐渐转移到航天以外的军事领域:第五代战斗机已经开始广泛使用碳纤维制成的单个部件，大型飞机如波音787和空客A350也开始使用碳纤维一体缠绕的机翼，甚至机身的大部分...除了暂时缺乏可修复性方面的证据之外，实验室模拟和实际应用已经证明，碳纤维复合材料只会在未来的战场上变得越来越强大，即使预测它将取代钢，也不过分。

化腐朽为神奇:增加材料和高分子材料的技术

图为采用3D打印技术制造的FGC-9冲锋枪。(资料来源:ARES)

想象一下，如果有这样一台机器，它只需要输入指令，并有足够的资源在现场制造长枪、短枪、备件和弹药，那么困扰几乎所有军队的后勤问题无疑将得到解决——必须知道，一个现代化的重型军队通常需要携带多达数百个备件、几十种不同用途和标签的润滑油，以及至少十几种弹药，如果没有一个环，整个作战系统将处于崩溃的危险之中。

然而，这一科幻想法已逐渐成为现实:添加材料和成型技术(俗称“3D打印机”)的出现和兴起，不仅使制造商选择工业打印机来取代复杂的传统加工生产线，还使消费者面临的台式打印机价格一个接一个下降，几乎到了“下降”的地步；同样，随着产能的增加，配套成型材料的价格也大幅下降。至少现在，使用模塑树脂来“取样”替换零件是一项无需补偿就能获得稳定利润的业务。

然而，技术的发展往往是出人意料的:在各国军队广泛使用3D打印机来“打印武器”之前，已经有民间组织绞尽脑汁用台式3D打印机和普通聚合物制造枪支。

这种像“变腐败为魔法”的场景是否会打开另一个“潘多拉魔盒”将可能不得不在以后被世界评论。

生产:科普——中国军事科技的前沿

规划:赵清健

制作:旋钮工作室

监督人:光明网络科普部