碳纤维能助你上天下海吗？

馒头老妖

读完上期杂志的“科学聚焦”之后，科学少年们对神秘的大海展开了疯狂的想象，同时也开始讨论起深潜器来。除了外形之外，在“如何选择建造材料”上，他们也七嘴八舌地争论不休。那么，如果人类想要进一步探索深海和宇宙，究竟什么材料更好用呢？我们一起来看看！

任务1

建造一艘深潜器，探索海沟的生物环境

要求：深潜器的外壳必须能耐受海底的巨大压强，且能反复多次使用，安全可靠。

初步方案

用碳纤维复合材料制作深潜器的外壳。

优点 相对特种钢材而言，碳纤维重量较轻、强度较大，也能够承受深海的巨大压强。

缺点 碳纤维复合材料在各个方向上的强度实际上是不同的，一旦局部出现纤维之间的滑动，就很容易顺势裂开，迅速形成一个巨大的破口。这就像是手撕牛肉干，咬起来很硬，但只要顺着牛肉干的纹理撕拉，就能轻易将它撕成一条一条的。

同时，碳纤维复合材料的崩溃，往往是骤然发生的，之前没有任何征兆，俗称“脆性破坏”。相反，金属在损坏之前都会有明显的外在征兆（如变弯、变细、出现细小裂纹等），提醒使用者及时采取补救措施。

因此，倘若真的使用碳纤维作为深潜器的外壳，将是一件非常危险的事情：也许在某次航行中，在深海巨大的压强之下，碳纤维外壳就莫名其妙地突然崩溃，海水如同瀑布一般冲进深潜器的舱内，把其中的人和设备瞬间摧毁。

改进方案

用钛合金作为深潜器的外壳——反正大部分的重量都被海水的浮力所抵消，密度的问题并不重要。碳纤维复合材料可以作为钛合金的内衬层，用以增强钛合金外壳。

优点 金属外壳的质量更可靠。如果壳体出现问题，也能更及时地发现征兆，避免出现更大的损失。

缺点 整体重量太大，制作成本极高。同时，囿于加工工艺的限制，外壳的尺寸受限，进而也限制了舱内的活动空间。而碳纤维复合材料的寿命，通常都远远低于钛合金材料。

任务2

修建地球到月球的“天梯”

要求：这是一架电梯，连接地球和月球的近地点，主要用于运载月球上开采的矿石。其主要结构是非常结实的缆绳，单根总长度约38 万千米，必须能承载50 吨以下的重量，坚固耐用。

初步方案

钛合金拉成细丝，再多次编织，形成一根巨大的钢缆。

优点 钛合金的密度比钢材小得多（通常为每立方米4.5 吨，大约是普通碳钢的60%），强度则比普通钢材大得多，因此，只需要不太粗的钛合金钢缆，就足以承受50 吨的重量。而钛合金的加工性能良好，可以轻易拉伸，焊接、组装的技术也很成熟，制造成本可控。

缺点 尽管有上述优点，但对于38 万千米的距离而言，钛合金依然太重了。也就是说，这段钛合金钢缆的自重所产生的拉力，就已经远远超过了钛合金的承受能力。

改进方案

用碳纤维制成复合材料，再编织成缆绳。

优点 碳纤维复合材料，通常是以碳纤维或碳纳米管为骨架，衬上热固性塑料（比如聚酯树脂），让两者加热加压之后结合得到的。碳纤维的抗拉强度是普通钢材的5倍，其密度却只有普通钢材的四分之一。也就是说，要达到同样的强度，碳纤维复合材料的质量只有钢材的5%。同时，其化学性质稳定，不锈蚀、抗腐蚀，使用寿命较长。

缺点 碳纤维的成本很高。当然，在开采月球矿产的重大任务面前，这个因素也可以忽略不计了。同时，要制造一根如此之长的碳纤维材料，技术上也是一个极大的挑战呢。

任务3

在火星表面搭建“帐篷”式的基地

要求：作为人类开发火星的桥头堡，需要在火星表面搭建半球形的全封闭建筑，内部充满空气，作为航天员们的工作、居住区。考虑到火箭运载能力，所需材料应尽可能的轻，并能承受火星上沙尘暴的襲击。

初步方案

用铝合金作为支撑骨架，外面用尼龙薄膜覆盖，以保持气密性、遮挡宇宙辐射。

优点 成本较低，重量也不大，适合用火箭运输到火星表面。

缺点 尼龙材料的强度不大，难以抵抗火星沙尘暴的可怕威力（火星沙尘暴的速度可达180 米/ 秒，是地球上12 级台风的6 倍）。铝合金的热胀冷缩明显，而火星的昼夜温差可达100℃，容易导致骨架变形、损坏。

改进方案

用碳纤维复合材料直接编织成型，作为“帐篷”的外膜。同时，“帐篷”的支撑骨架也以碳纤维复合材料制作。

优点 碳纤维具有极强的韧性，自重又很轻，能够耐受沙尘暴的冲击。同时，它的热膨胀系数非常小，不会因昼夜温差而变形，适合在火星上使用。

缺点 碳纤维材料一旦发生破损，破口容易迅速扩大，且较难修复，往往只有更换整块碳纤维板或碳纤维杆，维修成本较高。

通过这3个例子不难看出，碳纤维复合材料在性能方面表现优异，但也有它难以发挥作用的场合，正所谓“尺有所短，寸有所长”。未来，还会有更多、更先进的材料出现，帮助人类更好更快地上天入海。