走进科学
从智能手机到导弹：材料的新时代
劳动密集型的制造工艺限制了轻质、强韧复合材料的使用，但新兴技术可能会改变这一现状。
在人类历史上，只有少数几次出现了新的材料时代——陶瓷、钢铁和塑料是其中的代表，而我们现在正处于下一个时代的边缘：复合材料。
当我们谈论复合材料时，我们指的是风力涡轮机、赛车和波音787等中的碳纤维材料。这些材料比它们通常替代的金属部件轻得多，同时强度相当，并且制造所需的资源更少。
材料科学家们几十年来甚至几千年来都在努力使复合材料变得经济实惠——从技术上讲，复合材料是由美索不达米亚人发明的。由于其制造过程劳动密集，导致成本高昂，这限制了它们在一些优势超过成本的领域(如航空航天工业)中的应用。
现在，得益于能够快速廉价地生产复合材料部件的新制造技术，一切都在改变，结果可能既深远又令人兴奋。
现代复合材料始于20世纪初期的酚醛塑料(Bakelite)。其他复合材料也以稳定的速度被发明出来，到了20世纪90年代末和2000年代初，自动化工艺使得碳纤维等材料可以制成飞机机身和风车叶片等巨型结构，这个行业开始蓬勃发展。
在过去的几年里，一些初创公司开发了快速廉价地制造各种小型复合材料物品的工艺，包括位于加州伯克利的Arris Composites、苏黎世的9T Labs、硅谷的Orbital Composites等。
将我们制造和使用的很大一部分从钢铁和塑料转向复合材料——这些复合材料是各种纤维嵌入各种塑料中的混合物——可能会带来新的交通工具、更可怕的战争武器，以及更轻、更耐用的智能手机、可穿戴设备和其他消费电子产品。
所有这些都因为复合材料尽管有其挑战，但通常能够以更轻的重量实现与高强度金属部件相同的性能。复合材料是现代喷气式客机如此省油的原因，整个风电行业也离不开用复合材料制成的巨大涡轮叶片。
用复合材料制造飞机是一回事——波音公司在其787上率先采用了这项技术，几乎每一个可见的表面实际上都是由碳纤维复合材料制成的。大规模生产通常用钛或其他金属制造的小型复合材料部件，如787上的螺栓和支架，则是另一回事。
与其他开创性的制造技术(如3D打印)一样，将复合材料引入主流市场更像是一个渐进的过程，而不是革命性的。
如今，你可以购买由Arris和9T Labs制造的超轻、超强部件的消费产品，包括Brooks跑鞋、自行车轮的辐条和奢侈手表。但更有趣的是即将到来的：Arris的技术正在由空中客车公司测试，以替代飞机内部的金属支架，以及由位于新加坡的ST Engineering公司测试，该公司负责美国大量飞机的维修。
9T Labs也正在进行航空航天应用的研究，并希望在今年年底前至少有一家客户能够宣布用其部件制造的自行车面世。同时，Orbital Composites与美国军方有几份合同，开发其复合材料制造工艺，用于卫星、火箭、无人机和高超音速飞机。
9T Labs首席执行官Martin Eichenhofer表示，制造一级方程式赛车的车壳或高端竞赛自行车的车架仍然是一个劳动密集型的过程。他的公司和行业内其他公司的目标是将所有的密集且需要技能的手工劳动从过程中移除，使其像金属和塑料部件的制造一样自动化。
为了实现这种自动化，像Arris和9T Labs这样的公司使用的制造工艺与飞机和风力涡轮机制造商使用的工艺有很大不同，Composites World杂志的出版人Jeff Sloan说。
Arris使用一种类似于弯曲电线的工艺来成型碳纤维——想象一下衣架是如何制造的——然后将这些成型的纤维放入树脂中，形成的结构被放入一个定制模具中，通过加热和加压进一步压缩、成型和增强部件。Eichenhofer说，9T Labs使用类似的工艺，但首先使用“增材制造”(类似于3D打印)将碳纤维条按特定形状排列，然后以类似于Arris工艺的方式进行模具成型。
Orbital Composites使用的工艺有很大不同，其首席执行官Amolak Badesha说。公司使用带有定制打印头的现成工业机器人，这些打印头吐出碳纤维，形成的形状类似于儿童书《Harold’s Purple Crayon》中Harold的紫色蜡笔。不同之处在于，Harold可以在三维空间中绘制任何他喜欢的形状，而Orbital则使用可移除的模具来支撑其打印的碳纤维形状。
这些公司所使用的自动化方法的多样性是复合材料制造业碎片化的典型表现。这也表明，这些公司有许多可能的成功途径，它们正在探索一种根本性的新的制造方式——正如在另一个时代，许多公司开发了注塑成型塑料或锻造和加工金属的方法一样。
虽然复合材料看起来像是一种未来技术，但在许多方面，它们回溯了数百万年的人类甚至前人类的材料技术。木材，毕竟是最原始的复合材料，因为它是由长短纤维和其他物质粘合在一起的——这与现代合成复合材料通常由碳纤维和环氧树脂粘合在一起的方式非常相似。木材是我们物种成功的主要推动力之一，它展示了许多复合材料的优点和缺点。
木材轻便、坚固，能够承受压缩和拉伸，并且容易加工成其他形式。但它也可能沿其纹理轴线开裂。同样，复合材料也可能出现多种故障，包括在其层之间裂开。
ST Engineering公司先进材料解决方案主管Jeremy Koh表示，新复合材料技术面临的最大挑战是，随着时间的推移，它们可能会因疲劳而分解。他的公司目前正在使用Arris的制造工艺，试验用复合材料替代飞机中的钛螺栓。初步测试表明，这些复合材料螺栓在新时的性能与金属螺栓一样好。同时，它们更轻，制造更容易，潜在的成本更低，而且不受世界上主要钛供应国俄罗斯和中国的地缘政治供应链问题的影响。Koh不会知道这些复合材料螺栓在长时间内的表现如何，直到他的公司进行必要的反复压力测试来认证这些部件。
这些新复合材料的其他应用不会需要这么长的时间才能上市——尤其是消费产品。Arris正与至少一家公司洽谈，将其复合材料用于虚拟现实头戴设备中，重量一直是该产品普及的主要障碍。展望未来，有一天我们可能会买到由复合材料而非金属制成的智能手机。这同样适用于汽车。但这也取决于即使是最好的技术也无法克服的惯性——消费者将金属与质量联系在一起，Arris的首席执行官Riley Reese说，即使金属并不是某一特定应用中最强、最轻或最好的材料。