正所謂「天下武功唯快不破」，在以金庸為代表的武俠小說里，若想成為大俠，走在追求更快更強的路上時，修煉輕功似乎是不可或缺的一環(huán)。

▲ 圖片來自：電影《功夫》

作者筆下的大俠有了輕功之后，身輕如燕，飛檐走壁上山下海都不在話下。而往往輕功的水平高低，恰好也能反映其功力之深淺。

▲ 圖片來自：電影《藏龍臥虎》

回到講求邏輯和科學(xué)的現(xiàn)實世界，很多時候為了追求更快更強，「輕功」不但是一門必修課，而且做得越輕，越是能夠體現(xiàn)出造詣之高深。

長期以來，航空航天是引領(lǐng)帶動新材料、新工藝發(fā)展的主要領(lǐng)域，實現(xiàn)高性能材料輕量化，也是科學(xué)家們研發(fā)新材料的源動力。讓人類跑得更快，讓跑車更快達到極速，讓飛機續(xù)航更遠更持久的訣竅，自然離不開輕質(zhì)高強材料。

推動復(fù)材產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、在線化、智能化，共建復(fù)材生態(tài)系統(tǒng)，促進產(chǎn)業(yè)升級

隨著人類在輕質(zhì)高強材料領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新，輕質(zhì)高強材料也開始從航天領(lǐng)域轉(zhuǎn)至民用領(lǐng)域，相關(guān)的產(chǎn)品已經(jīng)步入尋常百姓家。接下來，讓我們一起來看看，三種相對常見的輕質(zhì)高能材料吧。

碳纖維：輕量化與高性能的代名詞

相信很多人都知道，是愛迪生點亮了人類的第一盞實用性電燈。但鮮有人知的是，最早的白熾電燈里的燈絲是用碳化竹絲來制成的，這被認(rèn)為是最早的「碳纖維」材料。

經(jīng)過多次改良之后，愛迪生在 1880 年制作出能持續(xù)亮 1200 個小時的碳化竹絲燈。到 20 世紀(jì)初，碳化燈絲才被鎢絲取代。

由于碳化竹絲不再是制作燈絲的理想材料，而且其力學(xué)性能很低且難以應(yīng)用于當(dāng)時的工業(yè)化，所以這種最早期的碳纖維材料被冷落、擱置于一旁。

常言道「天生我材必有用」，被冷落多年的碳纖維后來終于被人們認(rèn)識到它的價值所在，首先獲得了航天科學(xué)家們的青睞。

在 20 世紀(jì) 50 年代的「太空競賽」時代背景下，科學(xué)家們迫切地需要一種比強度、比模量高和耐高溫的新型材料來打造航天飛行器。

▲ 圖片來自 SpinLaunch

航天飛行器每減少 1 公斤的重量，就可使運載火箭減輕 500 公斤負(fù)載，而增加的，是航天任務(wù)的成功率。

于是，美國賴特-帕特森空軍基地 (Wright-Patterson Air Force Base) 以黏膠纖維為原料，成功試制出一種碳纖維復(fù)合材料，并將其用作火箭噴管和鼻錐的燒蝕材料。碳纖維不負(fù)眾望，獲得了很好的效果，既能滿足耐高溫?zé)g的高強度，也能實現(xiàn)航天器輕量化的目的。

經(jīng)過多年的發(fā)展迭代，如今市面上 90% 以上碳纖維復(fù)合材料以 PAN 基碳纖維為主。

其生產(chǎn)方式主要是采用含碳的有機纖維（如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等）為原料，將有機纖維與塑料樹脂結(jié)合在一起炭化，從而制得碳纖維復(fù)合材料。但生產(chǎn)過程中對原料、工藝、能源消耗、都有較高的要求，這也是導(dǎo)致碳纖維材料的生產(chǎn)成本居高不下的原因。

碳纖維復(fù)合材料具備強抗拉力和纖維柔軟可加工兩大特征，作為一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，航天軍工的重要戰(zhàn)略物資。

▲ 圖片來自：中國軍網(wǎng) 81.cn

我國第五代戰(zhàn)機殲-20 的機翼是由樹脂基碳纖維復(fù)合材料制成，其碳纖直徑只有 5 微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的十到十二分之一，但強度卻在鋁合金 4 倍以上。用它制造機翼，可以輕易獲得 30% 以上的減重，換取更高的機動性和更長的續(xù)航。

▲ 圖片來自 星河動力航天

2021 年 12 月 7 日 12 時 13 分，谷神星一號（遙二）運載火箭于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，順利將五顆商業(yè)衛(wèi)星精確送入 500km 太陽同步軌道。其獨特的黑色外觀殼體由金屬材料升級為碳纖維復(fù)合材料，火箭全箭頭減輕了 1310 公斤，衛(wèi)星的承載能力提高了 100 倍。

隨著技術(shù)的成熟，碳纖維材料也開始在消費級產(chǎn)品中嶄露頭角。

2013 年，寶馬量產(chǎn)了純電車型 i3，其乘員艙整體采用了超輕量化且高強度的 CFRP 碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成，這是首款大批量產(chǎn)的碳纖維車身的車型。

與常用的其他金屬材料相比，寶馬研發(fā)的 CFRP 碳纖維材質(zhì)的強度，是常見鋼材質(zhì)的 10 倍。一體化碳纖艙體的結(jié)構(gòu)，讓 i3 乘員艙有了更強剛性的同時，也輕松讓 i3 獲得了對開門的設(shè)計。

另一方面，CFRP 碳纖維材質(zhì)的重量是同等體積鋼材重量的一半，車身的輕量化很好地抵消了底盤內(nèi)置的電池和電機重量，降低車重也就意味著提升了整車的純電續(xù)航。

雖然像寶馬 i3 這樣整個白車身都采用碳纖維復(fù)合材料制成的車型并不多見，但依托于輕量化特性，碳纖維材料還是會經(jīng)常出現(xiàn)在性能車和超跑車型身上，降低車重之余還能優(yōu)化空氣風(fēng)道。久而久之，碳纖維也逐漸成為輕量化與高性能的代名詞。

值得一提的是，由于工藝復(fù)雜和造價高昂，所以使用了真正的碳纖維材料都是定位極高的昂貴產(chǎn)品。而日常生活中有很多物品的表面，雖然看起來是附有碳纖維的經(jīng)典編織紋路，但它說不定只是貼了一張?zhí)祭w維紋路的貼紙罷了。

芳綸纖維：堪稱「全能」纖維

相較于碳纖維而言，我們?nèi)粘８Ｒ姷囊环N輕質(zhì)材料，其實是芳綸纖維。只不過應(yīng)用芳綸纖維的編織外觀，和碳纖維的編織紋路非常相像，所以經(jīng)常會有人把它們倆弄混。

芳綸纖維位列世界三大高科技纖維（碳纖維、芳綸纖維、高強高模聚乙烯纖維），其強度是優(yōu)質(zhì)鋼材的 5-6 倍，模量是鋼材或者玻璃纖維的 2-3 倍，韌性是鋼材的 2 倍，但重量僅為鋼材的 1/5。它具有強度高、韌性好、重量輕、耐高溫、抗低溫、抗腐蝕、耐磨等優(yōu)秀特性，因此也被稱之為「全能纖維」。

▲ Stephanie Kwolek 和凱夫拉纖維原料

作為芳綸纖維里最知名的一種，名為「凱夫拉 Kevlar」的芳綸 1414 是由波蘭裔美國女化學(xué)家斯蒂芬妮·克沃勒克（Stephanie Kwolek）在杜邦公司工作期間發(fā)明的。

她的團隊想要研制一種用于制作輪胎的新型輕量級強力纖維，但制作過程中卻意外地合成了一種獨特的質(zhì)地輕薄的乳狀溶液。這種溶液可以使纖維獲得超高的強度和剛度，促成了凱夫拉纖維產(chǎn)品的誕生。

▲ 左邊為 Russell Schweickart 乘坐阿波羅 9 號登月時的宇航服，右邊為 Alan Shepard 乘坐阿波羅 14 A7-L 號出艙活動時所穿的航天服，都由杜邦材料制成。

芳綸纖維很快就應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中。阿波羅登月的太空服一共有 21 層面料，杜邦公司的芳綸纖維產(chǎn)品 Kevlar 凱芙拉就被運用于航天服的限制層，為航天服提供了高強度和靈活性的功能。

具有耐磨損、耐腐蝕和阻燃性的芳綸纖維，逐漸也成為了諸如防彈背心、航空航天飛機、機電、建筑、高端汽車、體育用品等產(chǎn)品的主要制作材料之一。

作為新材料「高精尖」里的代表，芳綸纖維被世人認(rèn)為是材料科學(xué)發(fā)展的一個重要里程碑，也一直都被視為非常重要的國防軍工材料。面世至今的這數(shù)十年間，芳綸纖維走過了由軍用戰(zhàn)略物資向民用物資過渡的歷程。隨著制造成本的不斷下降，消費電子行業(yè)里也經(jīng)常能看到芳綸纖維活躍的身影。

例如，我們常用的智能手機，便是芳綸纖維的一個重要應(yīng)用產(chǎn)品。

為了追求更好的手感，手機廠商從未停止過對材質(zhì)和結(jié)構(gòu)工藝的探索。所以這些年來，聚碳酸酯、玻璃、金屬、原木、尼龍等材質(zhì)都曾運用于手機之上。

但對于我來說，念念不忘的，還是摩托羅拉 RAZR（XT910）背面那薄薄一層的芳綸纖維材質(zhì)。

薄至 0.3 mm 的一層芳綸纖維，不但成就了 RAZR 7.1 mm 的超薄堅韌機身，亦提供了獨特耐磨的優(yōu)越觸感。

只可惜，受限于成本、工藝、信號等因素，直接采用芳綸纖維作為手機背面主要材質(zhì)的量產(chǎn)款機型越來越少。

但好在，念念不忘，必有回響。PITAKA，一個總部位于中國深圳、被無數(shù)碳粉視為「凱夫拉天花板」的硬科技新消費品牌，在 2015 年就開始使用芳綸纖維來制作手機殼，后來一步步地使用芳綸纖維材料去制作更多產(chǎn)品，比如 iPad 保護殼、Galaxy 手機保護殼、蘋果手表殼、充電底座、移動電源等等。儼然構(gòu)成了一整套以芳綸纖維為主要材料而打造的產(chǎn)品生態(tài)。

難得可貴的是，在擴大芳綸纖維材料應(yīng)用的同時，PITAKA 也在不斷地探索新材料的技術(shù)，為用戶帶來更加多個性化的選擇。

在 2021 年的 iPhone 13 系列時代，PITAKA 就始創(chuàng)了其標(biāo)志性的芳綸纖維「浮織工藝」。傳統(tǒng)的芳綸纖維編織顏色和紋路都比較單一，通常在同一塊布上只有一種顏色或紋路，比如最常見的黑灰斜紋。

而 PITAKA 則開創(chuàng)性地將中國傳統(tǒng)編織工藝與高科技芳綸纖維材料結(jié)合，通過調(diào)整不同原色芳綸纖維的徑向和緯向編織交替順序，使得兩種及以上不同的編織方式在同一個織布機同一塊芳綸纖維布上呈現(xiàn)，從而得到了織物在同一面產(chǎn)生兩種或以上不同編織紋路、立體排列、多色彩的效果。

在實際的體驗中，浮織工藝的保護殼實現(xiàn)了浮雕狀的彩色紋路躍然于黑灰殼面之上，不僅僅實現(xiàn)了視覺的提升，而且通過指腹觸摸，用戶甚至可以摸到纖維微微起伏的、獨特的凹凸感。這也是通常印刷的花紋很難仿造的細膩、立體的手感。

除了編制技藝上的創(chuàng)新，PITAKA 還引入了成本更高，纖維更細密輕薄的 600D 芳綸纖維。相較于之前的 1500D 款式， 更細密纖薄的 600D 芳綸纖維有著更高的原料成本和加工難度，并且換來了更精致輕薄的使用體驗。僅 0.95mm 的超薄厚度和 17.3g 的輕盈重量。簡單來說，就是戴殼亦輕盈，手感更細膩。

芳綸纖維作為高分子材料，本?強度?、質(zhì)量輕，既可保護?機免遭刮碰，?不會明顯增加?機厚度及重量和阻隔信號。從這個角度去看，芳綸纖維的確是制造輕薄手機殼的理想材料。據(jù)了解，作為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者品牌，PITAKA 通過開發(fā)新型環(huán)保樹脂，實現(xiàn)了材料的回收、再利用，為該材料的可持續(xù)應(yīng)用打開了更為廣闊的前景。

鈦合金：是蘋果更 Ultra 的選擇

人類對鈦金屬的發(fā)現(xiàn)始于 1791 年，并以希臘神話中的泰坦（Titans）將其進行命名。而 Titanium 這個單詞現(xiàn)在不單只有鈦的意思，還經(jīng)常會作為「堅不可摧」的形容詞出現(xiàn)，也被引申為一種更高階的指代意味。

例如福特會將 Titanium 作為最頂配車型的標(biāo)識符，還有就是英偉達一直以來都習(xí)慣于用 Ti 來作為高性能版本顯卡型號的后綴。

1948 年，美國杜邦公司采用鎂法成噸生產(chǎn)海綿鈦——這標(biāo)志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始。

鈦金屬是一種質(zhì)量較輕且質(zhì)地堅硬的金屬，因其比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于核工業(yè)、化工石化、航空航天、體育用品、牙科和醫(yī)療修復(fù)等領(lǐng)域。鈦合金材料也被選為替代或修復(fù)失效硬組織 (結(jié)構(gòu)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用) 的最佳材料。

相比起碳纖維和芳綸纖維這兩個復(fù)合材料，鈦合金是制造航天器的主要金屬材料，因此也常被航天人稱之為「太空金屬」。

得益于它的眾多優(yōu)點，鈦金屬也開始受到傳統(tǒng)手表廠商的青睞，因為鈦金在顯著減輕表殼重量的同時，又保證了外觀的質(zhì)感且不易磨損。

▲ 圖片來自 MKBHD

蘋果也對鈦金屬情有獨鐘，在 Apple Watch 引入鈦金之前，蘋果在 2019 年推出的 Apple Card 信用卡業(yè)務(wù)的實體卡片，就是一張鈦金卡片。

緊接著的 2020 年，蘋果為 Apple Watch Series 6 準(zhǔn)備了鈦金屬材質(zhì)表殼的 Edition 版本，這一材質(zhì)和高端版本自然也被繼任者 Apple Watch Series 7 系列所繼承。

除了前面提到的硬度更高，質(zhì)量更輕、更耐腐蝕以外，鈦金屬最受蘋果青睞的原因還是生物相容性更好這一點。

在材料科學(xué)過百年的發(fā)展歷史中，每一代人都以前人的知識為基礎(chǔ)，進而加深研究與應(yīng)用。隨著人類對材料科學(xué)的理解不斷加深，使得改善人類生活的應(yīng)用具備近乎無限的潛力。

可以預(yù)見，現(xiàn)有的輕質(zhì)高強材料還是會繼續(xù)進化，并且隨著技術(shù)的成熟，這些輕質(zhì)高強材料也會覆蓋越來越多的消費品類，走進千家萬戶。（來源：愛范兒）

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