碳纖維能助你上天下海嗎？

饅頭老妖

讀完上期雜志的“科學聚焦”之后，科學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1

建造一艘深潛器，探索海溝的生物環境

要求：深潛器的外殼必須能耐受海底的巨大壓強，且能反復多次使用，安全可靠。

初步方案

用碳纖維復合材料制作深潛器的外殼。

優點 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，碳纖維復合材料的崩潰，往往是驟然發生的，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，把其中的人和設備瞬間摧毀。

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。碳纖維復合材料可以作為鈦合金的內襯層，用以增強鈦合金外殼。

優點 金屬外殼的質量更可靠。如果殼體出現問題，也能更及時地發現征兆，避免出現更大的損失。

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，進而也限制了艙內的活動空間。而碳纖維復合材料的壽命，通常都遠遠低于鈦合金材料。

任務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。其主要結構是非常結實的纜繩，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、組裝的技術也很成熟，制造成本可控。

缺點 盡管有上述優點，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生的拉力，就已經遠遠超過了鈦合金的承受能力。

改進方案

用碳纖維制成復合材料，再編織成纜繩。

優點 碳纖維復合材料，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，碳纖維復合材料的質量只有鋼材的5%。同時，其化學性質穩定，不銹蝕、抗腐蝕，使用壽命較長。

缺點 碳纖維的成本很高。當然，在開采月球礦產的重大任務面前，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，技術上也是一個極大的挑戰呢。

任務3

在火星表面搭建“帳篷”式的基地

要求：作為人類開發火星的橋頭堡，需要在火星表面搭建半球形的全封閉建筑，內部充滿空氣，作為航天員們的工作、居住區。考慮到火箭運載能力，所需材料應盡可能的輕，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。

優點 成本較低，重量也不大，適合用火箭運輸到火星表面。

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℃，容易導致骨架變形、損壞。

改進方案

用碳纖維復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合材料制作。

優點 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 碳纖維材料一旦發生破損，破口容易迅速擴大，且較難修復，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，碳纖維復合材料在性能方面表現優異，但也有它難以發揮作用的場合，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，幫助人類更好更快地上天入海。