碳纖維能助你上天下海嗎？

饅頭老妖

讀完上期雜志的“科學(xué)聚焦”之后，科學(xué)少年們對神秘的大海展開了瘋狂的想象，同時也開始討論起深潛器來。除了外形之外，在“如何選擇建造材料”上，他們也七嘴八舌地爭論不休。那么，如果人類想要進一步探索深海和宇宙，究竟什么材料更好用呢？我們一起來看看！

任務(wù)1

建造一艘深潛器，探索海溝的生物環(huán)境

要求：深潛器的外殼必須能耐受海底的巨大壓強，且能反復(fù)多次使用，安全可靠。

初步方案

用碳纖維復(fù)合材料制作深潛器的外殼。

優(yōu)點 相對特種鋼材而言，碳纖維重量較輕、強度較大，也能夠承受深海的巨大壓強。

缺點 碳纖維復(fù)合材料在各個方向上的強度實際上是不同的，一旦局部出現(xiàn)纖維之間的滑動，就很容易順勢裂開，迅速形成一個巨大的破口。這就像是手撕牛肉干，咬起來很硬，但只要順著牛肉干的紋理撕拉，就能輕易將它撕成一條一條的。

同時，碳纖維復(fù)合材料的崩潰，往往是驟然發(fā)生的，之前沒有任何征兆，俗稱“脆性破壞”。相反，金屬在損壞之前都會有明顯的外在征兆（如變彎、變細、出現(xiàn)細小裂紋等），提醒使用者及時采取補救措施。

因此，倘若真的使用碳纖維作為深潛器的外殼，將是一件非常危險的事情：也許在某次航行中，在深海巨大的壓強之下，碳纖維外殼就莫名其妙地突然崩潰，海水如同瀑布一般沖進深潛器的艙內(nèi)，把其中的人和設(shè)備瞬間摧毀。

改進方案

用鈦合金作為深潛器的外殼——反正大部分的重量都被海水的浮力所抵消，密度的問題并不重要。碳纖維復(fù)合材料可以作為鈦合金的內(nèi)襯層，用以增強鈦合金外殼。

優(yōu)點 金屬外殼的質(zhì)量更可靠。如果殼體出現(xiàn)問題，也能更及時地發(fā)現(xiàn)征兆，避免出現(xiàn)更大的損失。

缺點 整體重量太大，制作成本極高。同時，囿于加工工藝的限制，外殼的尺寸受限，進而也限制了艙內(nèi)的活動空間。而碳纖維復(fù)合材料的壽命，通常都遠遠低于鈦合金材料。

任務(wù)2

修建地球到月球的“天梯”

要求：這是一架電梯，連接地球和月球的近地點，主要用于運載月球上開采的礦石。其主要結(jié)構(gòu)是非常結(jié)實的纜繩，單根總長度約38 萬千米，必須能承載50 噸以下的重量，堅固耐用。

初步方案

鈦合金拉成細絲，再多次編織，形成一根巨大的鋼纜。

優(yōu)點 鈦合金的密度比鋼材小得多（通常為每立方米4.5 噸，大約是普通碳鋼的60%），強度則比普通鋼材大得多，因此，只需要不太粗的鈦合金鋼纜，就足以承受50 噸的重量。而鈦合金的加工性能良好，可以輕易拉伸，焊接、組裝的技術(shù)也很成熟，制造成本可控。

缺點 盡管有上述優(yōu)點，但對于38 萬千米的距離而言，鈦合金依然太重了。也就是說，這段鈦合金鋼纜的自重所產(chǎn)生的拉力，就已經(jīng)遠遠超過了鈦合金的承受能力。

改進方案

用碳纖維制成復(fù)合材料，再編織成纜繩。

優(yōu)點 碳纖維復(fù)合材料，通常是以碳纖維或碳納米管為骨架，襯上熱固性塑料（比如聚酯樹脂），讓兩者加熱加壓之后結(jié)合得到的。碳纖維的抗拉強度是普通鋼材的5倍，其密度卻只有普通鋼材的四分之一。也就是說，要達到同樣的強度，碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量只有鋼材的5%。同時，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不銹蝕、抗腐蝕，使用壽命較長。

缺點 碳纖維的成本很高。當(dāng)然，在開采月球礦產(chǎn)的重大任務(wù)面前，這個因素也可以忽略不計了。同時，要制造一根如此之長的碳纖維材料，技術(shù)上也是一個極大的挑戰(zhàn)呢。

任務(wù)3

在火星表面搭建“帳篷”式的基地

要求：作為人類開發(fā)火星的橋頭堡，需要在火星表面搭建半球形的全封閉建筑，內(nèi)部充滿空氣，作為航天員們的工作、居住區(qū)?？紤]到火箭運載能力，所需材料應(yīng)盡可能的輕，并能承受火星上沙塵暴的襲擊。

初步方案

用鋁合金作為支撐骨架，外面用尼龍薄膜覆蓋，以保持氣密性、遮擋宇宙輻射。

優(yōu)點 成本較低，重量也不大，適合用火箭運輸?shù)交鹦潜砻妗?/p>

缺點 尼龍材料的強度不大，難以抵抗火星沙塵暴的可怕威力（火星沙塵暴的速度可達180 米/ 秒，是地球上12 級臺風(fēng)的6 倍）。鋁合金的熱脹冷縮明顯，而火星的晝夜溫差可達100℃，容易導(dǎo)致骨架變形、損壞。

改進方案

用碳纖維復(fù)合材料直接編織成型，作為“帳篷”的外膜。同時，“帳篷”的支撐骨架也以碳纖維復(fù)合材料制作。

優(yōu)點 碳纖維具有極強的韌性，自重又很輕，能夠耐受沙塵暴的沖擊。同時，它的熱膨脹系數(shù)非常小，不會因晝夜溫差而變形，適合在火星上使用。

缺點 碳纖維材料一旦發(fā)生破損，破口容易迅速擴大，且較難修復(fù)，往往只有更換整塊碳纖維板或碳纖維桿，維修成本較高。

通過這3個例子不難看出，碳纖維復(fù)合材料在性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，但也有它難以發(fā)揮作用的場合，正所謂“尺有所短，寸有所長”。未來，還會有更多、更先進的材料出現(xiàn)，幫助人類更好更快地上天入海。