地球上最坚硬的物质与新型材料的发展

　　钻石，通常被认为是地球上最坚硬的天然物质。但是，就像大多数事情一样，这个答案被大大简化了。首先，硬度(和强度)不是单一的属性。材料可以在某种程度上非常坚固，也可以在另一种程度上非常坚固。有些能更好地抵抗抓挠，而有些则能更好地吸收外力。还有新的合成材料结合了这些特性。
　　钻石
　　在莫氏硬度计(一种测量各种矿物质电阻的定性量表)中，钻石的硬度为10(刻度从1到10，其中10是最硬的)。
　　达尔文吠蛛丝
　　达尔文吠蛛的蛛网通常被认为是世界上最坚硬的生物物质(尽管这一说法现在正受到另一种生物材料的质疑)，它比钢铁更结实，比凯夫拉纤维更坚韧。同样值得注意的是它的重量。一根足以环绕地球直径的线只重半公斤。
　　飞行石墨Aerographite
　　这种合成泡沫是世界上最轻的结构材料之一。它比聚苯乙烯泡沫塑料轻75倍(但结实多了!)这种材料可以压缩到原来尺寸的30倍而不会对结构造成任何损伤。
　　钯微合金玻璃
　　由加利福尼亚的科学家开发的这种物质几乎是韧性和强度的完美结合。其原因是其化学结构抵消了玻璃的脆性，但仍然保持了其强度。
　　碳化硅
　　这是战斗坦克使用的基本材料。实际上，它几乎被用在任何能使子弹偏转或折射的物体上。它的莫氏硬度等级为9，热膨胀系数也很低。
　　立方氮化硼
　　立方氮化硼的强度和钻石差不多，它有一个主要的优点:在高温下不溶于镍和铁。由于这个原因，它可以用来加工这些元素(金刚石与铁和镍在高温下形成氮化物)。
　　大力马线 Dyneema
　　它被认为是世界上最坚固的纤维。也许最神奇的是，尽管它比水轻，但它能挡住子弹!
　　钛合金
　　钛合金非常柔韧，具有很高的抗拉强度，但没有钢合金那么硬。
　　纳米纤维素
　　由木浆制成，这种神奇的新材料比钢还结实，也很便宜。事实上，纳米纤维素被认为是玻璃纤维和碳纤维的廉价替代品。
　　帽贝齿
　　我们提到达尔文吠蛛的蛛网是地球上最强的生物材料之一。然而，事实证明，帽状齿甚至比蜘蛛网还要坚固。帽贝(水生蜗牛)的牙齿非常坚硬。它们必须如此，因为它们是用来清除岩石表面的藻类的。科学家们相信，在未来，我们可以复制帽贝齿牙齿的纤维结构，并将其用于汽车、船只，甚至飞机上。
　　马氏体时效钢
　　这种物质结合了极高的强度和韧性而不失去延展性。它在航空航天和工具技术中有许多用途。
　　锇
　　锇是一种密度极高的元素，用于要求高耐久性和硬度的物品(电触点、钢笔等)。
　　巴基纸
　　这种纳米技术是由比人类头发细5万倍的碳管制成的。这就解释了为什么它比钢轻10倍，却强500倍。
　　微晶格金属
　　微晶格金属是世界上最轻的金属，也是地球上最轻的结构材料之一。有人说它比泡沫塑料轻100倍!作为一种多孔的合成材料，它在许多工程领域有着广泛的应用。波音公司曾提到将其用于飞机制造，主要用于地板、座椅框架和墙壁。
　　碳纳米管
　　碳纳米管(CNTs)是一种简单的＂无缝圆柱形中空纤维＂，由单片纯石墨构成。其结果是一种非常轻的材料。在纳米尺度上，碳纳米管的强度是钢的200倍。
　　石墨烯气凝胶
　　想象一下石墨烯的韧性与难以想象的轻盈结合在一起。它比空气轻7倍，这种不可思议的材料经过90%以上的压缩后可以完全恢复，可以吸收900倍于自身重量的油。人们希望这种材料可以用来清理石油泄漏。
　　目前麻省理工学院正在研发一种尚未命名的物质
　　麻省理工学院的科学家们相信他们已经找到了在三维空间中最大化石墨烯二维强度的秘密。它们尚未命名的物质的密度大约是钢的5%，但强度却是钢的10倍。
　　碳炔
　　尽管只是单链原子，碳炔的拉伸强度是石墨烯的两倍，硬度是钻石的三倍。
　　纤锌矿型氮化硼
　　这种天然物质是在火山爆发的强度下产生的，比钻石坚硬18%。它是最近发现硬度超过钻石的仅有的两种天然物质之一。问题是这种物质并不多，而且很难进行实际测试。
　　蓝丝戴尔石
　　这种物质也是由碳原子构成的，只是排列方式不同而已。它和纤锌矿中的氮化硼是两种比钻石坚硬的天然物质之一。然而，与前一种物质一样，它的供应相对不足。它有时是由含有石墨的陨石撞击地球而形成的。
　　材料作为航空业发展的基石，在航空百年的发展历程中充当了重要角色。时至今日，随着人类对于飞行速度、舒适度要求的日益提高以及运营商对于飞机效率要求的日益苛刻，制造商不断尝试使用新材料和新工艺来提高飞机性能，以更好地满足各方的要求。
　　从竹纤维到蜘蛛丝
　　尽管与传统金属材料相比，复合材料具有明显的优势，但在＂绿色航空＂的大背景下，这种材料却有其天生的弱点——在生产过程中，复合材料在经过固化后很难再次分解和回收利用。因此，碳纤维复合材料的废料往往只能通过填埋的方式进行处理，对环境造成了一定的影响。
　　为了解决这一问题，法国多家企业正在联合进行一项名为＂BAMCO＂的项目，该项目旨在研发一种由竹纤维制成的新型生物基复合材料。这种更加环保的复合材料未来可用于替代玻璃、酚醛类树脂基复合材料，应用在飞机的机舱内部盖板、机身包覆盖板和机载厨房等部位。
　　多项试验数据表明，竹纤维比传统的玻璃纤维质量更轻，却拥有旗鼓相当的应力水平，这使得它可以成为＂客舱内部具有简单几何形状的非承力或次承力结构＂等部位的理想替代品。为了降低生产和使用成本，在BAMCO项目中，研制团队将这种基于生物材料的复合材料与传统制造工艺相结合，这将对材料的批量化生产起到关键作用。目前，已有一些欧洲的客舱和部件制造商对这种新材料表现出浓厚的兴趣。根据公开资料，欧洲丽萨航空将成为全球首家使用由新型生物基复合材料生产的驾驶舱部件的客户。
　　与此同时，空客正在与德国AMSilk公司合作，共同研发一种利用合成蛛丝纤维制成的新型复合材料，并计划于今年发布由这种新材料制成的产品。
　　这种由合成蛛丝纤维制成的新型复合材料被称为＂生物钢＂，是由慕尼黑工业大学的一项科研成果衍生出的新材料。简单来说，这种新材料是一种由蛛丝蛋白制成的生物高分子材料。科研人员利用植入了蜘蛛基因的细菌发酵来获得这种蛋白质，并将其应用到商业领域。
　　目前，阿迪达斯的部分运动鞋中已经应用了这种材料，它具有更轻的质量和更好的避震性。受此启发，空客正在与AMSilk公司一起加速推进这种新材料的研发工作。如果进展顺利，空客将成为全球首家使用这种＂生物钢＂的航空企业。
　　波音在新材料的研发上也不甘落后。目前，波音正与HRL实验室、加州大学尔湾分校共同研发一种比泡沫塑料还要轻100倍的超轻金属材料。
　　这种名为＂微晶格＂（micorlattice）的材料，99.99%是中空结构，也就是99.99%是空气，其余0.01%是相互连接的3D多孔聚合物中空管，中空管的厚度只有头发丝直径的千分之一。
　　据波音公司介绍，如果将一只鸡蛋包在这种材料里，从25楼扔下地面，鸡蛋也不会有任何损伤，中空多孔结构使其具备了超高吸能特性，即便本体被压缩50%之后也能轻易还原。
　　此外，这种新材料比泡沫塑料要轻100倍，和骨骼的构造差不多。在波音公开的一段视频中，研究人员可以轻易地将微晶格金属吹起来，它就像羽毛一样轻轻地飘到空中，然后缓慢落地，很难想象这是一种金属材料。波音表示，这种材料如果能够应用于飞机制造，将大大降低飞机的重量，实现更高的燃油效率。
　　除了新材料研发之外，NASA的研究团队还＂异想天开＂地试图利用复合材料自身的结构和分子的排列组合来提高机翼效率。
　　空气动力学研究表明，机翼的形状对飞行效率有巨大的影响。从理论上来说，机翼设计的好坏取决于多种因素，如飞机的重量、飞行速度、飞行姿态等。从这个角度来说，刚性机翼并不是效率最高的机翼。为此，NASA的自适应数字复合航空结构技术团队利用碳纤维复合材料，设计了在飞行过程中可以改变形状的机翼，以求降低飞行阻力。
　　在这项研究中，NASA与美国麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学圣克鲁斯分校、加州大学伯克利分校和加州大学戴维斯分校合作，使用新的复合材料来制造一种能够主动改变形状的超轻型机翼。
　　在NASA的这项研究中，机翼由碳纤维复合材料构件单元组合而成。这些构件单元被组装成晶格结构或以重复结构排列，构件的排列方式决定了机翼的弯曲方式。借助制动器和飞行控制系统，机翼能在不同的飞行状态下变成最合适的形态。NASA表示，这种更加智能的机翼最显著的特点是可以通过减少由诸如襟翼、方向舵和副翼等刚性控制表面所带来的阻力，从而提高飞机的空气动力学效率。
　　更高效、更经济
　　根据IATA发布的市场预测报告，2018年，全球航空公司共运送旅客43亿人次，到2037年，这一数字将增长至82亿人次。为了满足航空运输快速发展的需求，未来20年，飞机制造商至少需要交付36700架新飞机。
　　为了满足产能提升的需求，一些创新的生产工艺应运而生。其中，非热压罐工艺进入热固性复合材料主承力结构制造领域引发了复合材料制造体系的一场变革。由于热压罐的使用成本昂贵，同时还会限制生产效率，因此，摆脱热压罐的掣肘是复合材料生产过程中降本增效的关键。
　　2015年，NASA开始了第一次尝试。其对一种翼身混合体飞机的非圆柱形复合材料压力舱验证件进行了测试，该验证件采用了波音的非热压罐制造工艺。同年4月，俄罗斯航空复合材料公司交付了MC-21干线客机第一套非热压罐工艺制造的复合材料中央翼盒，该机的机翼蒙皮也由非热压罐制造，这是大型民用客机第一次采用这一技术。
　　在有了制造工艺的支撑后，热塑性材料开始逐步替代热固性材料，在航空器承力部件中被更多地采用。
　　空客表示，在A350项目之前，公司已经将热塑性材料应用在超过1500种零部件上。此外，在欧盟的框架计划下，空客还在加快大型热塑性复合材料主承力结构方面的研究。庞巴迪公司则公开了一项新型热塑性复合材料托架技术，适用于飞机机翼、中央翼盒以及油箱的液压和燃油托架，使用这种新材料生产的零部件可比金属材料零部件减重至少40%。
　　随着技术成熟、成本降低，更多复合材料结构件制造商将从经济性和周期短的角度，选择非热压罐材料与工艺，这在复合材料结构件设计、制造流程，以及原材料和制造装备供应链中掀起了一场新的变革，越来越多的企业参与到这场技术变革中。
　　总部位于美国的Tri-Mack塑料制造公司提供了一种＂混合＂热塑性复合材料部件，其中具有单向纤维增强的热塑性复合材料（用于提供强度和刚度）与注塑成型工艺相结合，以实现设计灵活性。坚硬的单向碳纤维会阻碍部件生产成各种复杂的形状，而注塑成型为该部件带来了额外的功能，克服了坚硬的单向碳纤维带来的工艺性差的挑战。Tri-Mack公司表示，整个工艺过程完全实现了自动化，比制造性能相同的热固性复合材料部件周期更短。
　　此外，还有一些制造商另辟蹊径，通过开发复合材料纤维的3D＂编织＂技术来提高生产效率。
　　法国制造商Saint-Gobain开发了一种用于复合材料纤维的3D＂编织＂技术，可以将热塑性树脂纤维与增强碳纤维编织结合在一起。当部件固化时，热塑性树脂成为材料的基体，碳纤维也嵌入其中。目前，公务机制造商达索公司已经在一款＂猎鹰＂公务机上采用了由这种工艺生产的零部件。根据Saint-Gobain公司的规划，未来这种工艺还将推广到雷达天线罩、螺旋桨桨毂和排气整流罩等部件的制造中。