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冬天來了，隨著氣溫逐漸降低，到處結(jié)冰的日子也快到了。

說到結(jié)冰，相信很多朋友們都有過看著漂亮的剛剛凍上的冰面時(shí)。心里突然涌出一股狠狠轟碎它的沖動(dòng)的經(jīng)歷~

誤判了冰的厚度就會(huì)這樣（動(dòng)圖來自 SOOGIF）

但是有一種冰卻能做到“怎么砸都砸不碎”，關(guān)于它的傳說在互聯(lián)網(wǎng)上流傳了許多年，甚至二戰(zhàn)期間的英國海軍都打過類似材料的主意。

對(duì)就是這種白花花的冰塊

這種材料背后也隱藏著材料學(xué)中相當(dāng)常見的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)技術(shù)的相關(guān)知識(shí)。

今天就讓我們和大家一起來分享一下有關(guān)這些“摻了東西的冰”的小故事以及相關(guān)的知識(shí)吧！

摻了棉花的冰真的打不碎嗎？

在互聯(lián)網(wǎng)上流傳著這樣一個(gè)故事：普通的冰塊雖然堅(jiān)硬，但只要力氣夠大總是能被敲碎的，但如果在凍之前在水里加了棉花，那這塊冰就會(huì)變得像鋼筋混凝土一樣怎么也砸不碎了。

那么事實(shí)真的是這樣嗎？今天讓我們從科學(xué)的角度來分析一下這里到底發(fā)生了什么事情！

首先，我們以日常生活中常見的普通水冰作為研究對(duì)象。冰是一種堅(jiān)硬的材料，當(dāng)溫度足夠低時(shí)，其具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。根據(jù)中國氣象局的數(shù)據(jù)，冰的抗拉強(qiáng)度約為 1.2~1.5Mpa，抗壓強(qiáng)度則在 3.5~4.5Mpa 之間，可見這是一種抗壓能力強(qiáng)于抗拉能力的脆性材料。

參考我們生活中常見的玻璃，脆性材料的特征就是較為堅(jiān)硬，但受到外應(yīng)力沖擊時(shí)局部形變很容易超過其抗拉能力，從而被破壞。

有一定彈性，但不多（動(dòng)圖來自 SOOGIF）

這時(shí)我們回頭來看，棉花作為一種常見的材料，基本沒有抗壓能力，但抗拉能力相當(dāng)之強(qiáng)，一團(tuán)棉花可以被拉成很長(zhǎng)一條棉線而不斷裂。既然如此，棉花和冰這兩種材料的特點(diǎn)是否可以互補(bǔ)一下？

在冰里加棉花這種操作在材料學(xué)中，屬于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一種。當(dāng)加了棉花的冰受到外力沖擊時(shí)，棉花組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以很好地將應(yīng)力沿著纖維傳導(dǎo)出去，從而降低局部形變的幅度，防止冰塊破裂。

此外，當(dāng)冰塊出現(xiàn)裂縫時(shí)，棉花纖維也可以作為骨架阻礙裂縫的延伸，變相增加了冰塊的韌性。相反，沒有添加棉花的冰塊在受到相同力度的敲擊時(shí)，由于缺乏這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的支撐，更容易產(chǎn)生裂縫并碎裂。

不過由于網(wǎng)上絕大多數(shù)網(wǎng)友在測(cè)試時(shí)，并沒有給出一個(gè)確定的冰與棉花的比例，我們?cè)谶@里也很難對(duì)這種材料的強(qiáng)度進(jìn)行討論。不過幸運(yùn)的是，歷史上有一項(xiàng)堪稱瘋狂的計(jì)劃就用到了非常類似的材料，從這里我們也可以粗略了解纖維骨架對(duì)于材料性能有多大的提升。

丘吉爾也干了！

二戰(zhàn)英國冰航母計(jì)劃！

在20世紀(jì)30年代，用冰來制造艦船的想法就已經(jīng)流行開來，而北大西洋的寒冷也為冰船的存在提供了現(xiàn)實(shí)條件。然而正如我們上面所說的，由于冰的抗拉性能不好，導(dǎo)致用冰做的船整體可靠性處于一個(gè)令人絕望的水準(zhǔn)。

但是隨著材料科學(xué)的進(jìn)展，美國科學(xué)家赫爾曼·馬克和沃爾特·霍恩施坦因發(fā)現(xiàn)，將 14% 的木屑與水混合后凍結(jié)，可以顯著提升冰的抗拉強(qiáng)度，在合適的溫度下，它的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到 7.584Mpa，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 4.826Mpa。

派克瑞特的原料和一個(gè)成品

這種材料被命名為派克瑞特（Pykrete），它的密度與普通的冰差距不大，卻有良好的機(jī)械加工性能，很低的熱導(dǎo)率，低廉的造價(jià)和甚至可以接近當(dāng)時(shí)混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

由于派克瑞特良好的性能，在 1942 年，英國被納粹德國無限制潛艇戰(zhàn)圍困到山窮水盡之時(shí)，蒙巴頓將軍和當(dāng)時(shí)的英國首相丘吉爾提出了用這種材料造一艘軍艦的計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃的目標(biāo)是建造一艘被命名為哈巴谷（Habakkuk）的超級(jí)冰航母。

在設(shè)計(jì)中，哈巴谷號(hào)總長(zhǎng)度 610 米，在一些記錄中甚至長(zhǎng)度為 1200 米，總重量 220 萬噸，設(shè)有 26 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，最大航速 7 節(jié)，可以攜帶 200 架戰(zhàn)斗機(jī)和 100 架轟炸機(jī)，即使是現(xiàn)代的尼米茲級(jí)航母也不及它的 1/4 大，可謂是真正的戰(zhàn)爭(zhēng)巨獸。

計(jì)劃中巨大到令人難以置信的航母

在 1943 年 5 月，工程師們?cè)诩幽么蟮呐撂乩锵暮鲜褂门煽巳鹛亟ㄔ炝艘粭l長(zhǎng) 20 米的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ诟鞣N隔熱手段的加持下，這個(gè)又大又白（可能也沒那么白）的冰塊平穩(wěn)地度過了整個(gè)夏天。

這給了丘吉爾極大的鼓舞，在 1943 年 8 月的英美聯(lián)合作戰(zhàn)會(huì)議上，蒙巴頓將軍狠狠地推銷了他們的冰航母計(jì)劃。

根據(jù)野史記載他在會(huì)議室里并排擺了一塊冰和大小相同的派克瑞特，并在毫無預(yù)警的情況下對(duì)著這兩塊冰各自開了一槍。普通的冰毫不意外地被打得粉碎，而派克瑞特竟然將子彈彈飛，于是大家可以看到一顆手槍子彈在坐滿同盟國高級(jí)軍官的會(huì)議室里四處亂飛，差點(diǎn)打傷了在座的美國海軍上將歐內(nèi)斯特·金。

一塊被槍擊過的派克瑞特

幸運(yùn)的是，在場(chǎng)各位身經(jīng)百戰(zhàn)的將軍們并沒有被這個(gè)小插曲打亂陣腳，同盟國的領(lǐng)導(dǎo)人們對(duì)這種材料的優(yōu)異性能感到驚訝，于是哈巴谷的建造正式被提上了日程。

然而，在后續(xù)的一系列測(cè)試中，工程師們發(fā)現(xiàn)，派克瑞特只有在零下 15 攝氏度以下才能保持剛性，但是航母的 26 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中排出的廢熱足以融化整個(gè)冰塊，因此只有在航母內(nèi)部另外安裝 16 個(gè)制冰廠才能勉強(qiáng)保持溫度穩(wěn)定。

除此以外，由于航母整體由冰塊構(gòu)成，普通的水密設(shè)計(jì)已經(jīng)完全起不到效果，面對(duì)魚雷的襲擊時(shí)，船艙內(nèi)會(huì)非常危險(xiǎn)。為了解決這一問題，哈巴谷的艙壁厚度達(dá)到了驚人的 40 英尺，約 12 米，可以物理意義上硬扛德國魚雷的爆炸而不破損。這就使得原本已經(jīng)足夠巨大的航母設(shè)計(jì)上變的更加巨大，而變大的整體設(shè)計(jì)又對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出了新的需求……

面多加水水多加面，最后換盆

就這樣，在不斷的面多加水水多加面的過程中，其他技術(shù)進(jìn)步到了可以克服哈巴谷原本設(shè)計(jì)用來解決的問題。最終在 1943 年 12 月，項(xiàng)目被聯(lián)合參謀會(huì)議否決，這項(xiàng)瘋狂的計(jì)劃也走到了盡頭。

內(nèi)容豐富的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

雖然“哈巴谷號(hào)”航母計(jì)劃最終未能實(shí)現(xiàn)，但通過這一計(jì)劃，我們可以直觀地看到纖維對(duì)復(fù)合材料性能的顯著提升。僅僅是在冰中加入適量的木屑，就使其具備了一定的軍事用途潛力，這種質(zhì)的飛躍令人驚嘆。

事實(shí)上，通過不同材料取長(zhǎng)補(bǔ)短而制成的復(fù)合材料，已經(jīng)在我們的生活中得到了廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料是由兩種或多種材料（如金屬、陶瓷或高分子材料）通過復(fù)合工藝制成的多相材料。這些材料在性能上相互補(bǔ)充，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于單一材料，從而滿足各種需求。

復(fù)合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草或麥秸增強(qiáng)粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復(fù)合而成。就在派克瑞特出現(xiàn)的幾乎同一時(shí)期，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱玻璃鋼）就已經(jīng)應(yīng)用在航空工業(yè)之中。

第一架使用纖維增強(qiáng)塑料的飛機(jī)費(fèi)爾柴爾德 F-46

復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料，其比強(qiáng)度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。

纖維增強(qiáng)材料的另一個(gè)特點(diǎn)是各向異性，因此可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)纖維的排列，這對(duì)于某些定制性很強(qiáng)的需求來說有很大的吸引力。

五代戰(zhàn)機(jī)就大量使用了復(fù)合材料來提升飛行性能，圖為蘇霍伊設(shè)計(jì)局生產(chǎn)的蘇-57 和中航工業(yè)成飛生產(chǎn)的殲-20

目前，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料廣泛運(yùn)用于航空航天、汽車、化工、機(jī)械設(shè)備制造等高新技術(shù)領(lǐng)域，也作為建筑材料或某些體育器材的原材料使用。

說到這里，有的小伙伴可能會(huì)問：“既然復(fù)合材料這么厲害，為什么還沒有完全取代傳統(tǒng)材料呢？”

其實(shí)，世間萬物都有其兩面性。復(fù)合材料雖然擁有眾多令人驚嘆的優(yōu)點(diǎn)，但也并非完美無缺，它同樣存在一些不容忽視的缺點(diǎn)。

首先，復(fù)合材料的高性能往往伴隨著高成本。高性能纖維、樹脂、陶瓷等基體材料的成本本身就不低，再加上加工這些材料需要特殊的工藝和設(shè)備，進(jìn)一步推高了復(fù)合材料的使用成本。因此，盡管復(fù)合材料性能優(yōu)異，但在某些領(lǐng)域，高昂的成本仍然是一個(gè)難以逾越的門檻。

其次，復(fù)合材料的界面問題也是一大挑戰(zhàn)。復(fù)合材料中，纖維與基體之間的界面強(qiáng)度直接影響材料的性能。然而，在長(zhǎng)期使用中，某些材料的界面可能會(huì)因疲勞損傷而逐漸失效，導(dǎo)致整體性能下降。此外，復(fù)合材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得性能預(yù)測(cè)變得更加困難，這對(duì)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提出了更高的要求。

更讓人頭疼的是，復(fù)合材料的回收問題至今仍是一個(gè)難題。由于纖維與基體的緊密結(jié)合，回收復(fù)合材料比傳統(tǒng)材料更加復(fù)雜。如果回收不當(dāng)，某些復(fù)合材料甚至可能對(duì)環(huán)境造成危害，比如含有石棉纖維的復(fù)合材料。這些問題使得復(fù)合材料的可持續(xù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。

盡管如此，我們也不必過于悲觀。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料的許多缺點(diǎn)正在逐步得到解決。比如，新型環(huán)保樹脂的開發(fā)、更高效的回收技術(shù)以及更精確的性能預(yù)測(cè)模型，都在為復(fù)合材料的應(yīng)用鋪平道路。我們有理由相信，未來的復(fù)合材料將會(huì)更加成熟、更加環(huán)保，并在更多領(lǐng)域大放異彩。

參考資料

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Pykrete

[2]【“這位真是重量級(jí)！”哈巴庫克號(hào)，冰塊構(gòu)筑的航母巨獸！【風(fēng)帆說】】 https://www.bilibili.com/video/BV1dC411p7xj

[3]佚名.二戰(zhàn)中英國“冰航母”計(jì)劃[J].科學(xué)大觀園,2012,(05):40-41

[4]施牧.冰制航母夭折記[J].大科技(科學(xué)之謎),2011,(05):30-32.

[5]吳明華.“冰航母”蒙巴頓的海上妄想[j].看世界,2010,(08):60-61

[6]二戰(zhàn)狂想：冰航母詳解與辟謠 https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404231996204304322

[7]https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%8D%E5%90%88%E6%9D%90%E6%96%99

[8]https://en.wikipedia.org/wiki/Fibre-reinforced_plastic

[9]https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-fiber_reinforced_polymer

策劃制作

來源丨中科院物理所（id：cas-iop）

責(zé)編丨王夢(mèng)如

審校丨徐來 林林