【材料改变战争】攀登之高永无止境:现代战场的新概念材料

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【材料改变战争】攀登之高永无止境:现代战场的新概念材料

2年前 · 科普中国

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

策划:赵清建

制作:旋钮工作室

监制:光明网科普事业部

文章来源:中国科协

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