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06-17
俗话说“天下武功唯快”。
在以金庸为代表的武侠小说中，如果想要成为英雄，在追求更快更强的道路上，修炼青功似乎是不可或缺的一部分。
▲ 图片来自：电影《功夫》 作者小说中的主人公练出轻功后，身轻如燕，能飞檐走壁，爬山入海。
而往往轻功的高低，也能体现出他功力的深浅。
▲ 图片来自：电影《藏龙卧虎》 回到强调逻辑和科学的现实世界，很多时候为了追求更快更强，“轻功”不仅是必修课，而且做得越轻，更能体现你的造诣。
深刻的。
长期以来，航空航天一直是引领新材料、新工艺发展的主要领域。
轻量化高性能材料的实现也是科学家们研发新材料的动力源泉。
让人类跑得更快、让跑车更快达到最高速度、让飞机寿命越来越长的秘诀，自然离不开轻质高强的材料。
随着人类在轻质高强材料领域不断创新，轻质高强材料开始从航空航天领域向民用领域转移，相关产品已走进寻常百姓家。
接下来我们就来看看三种比较常见的轻质高能材料。
碳纤维：轻量化、高性能的代名词。
相信很多人都知道，点燃人类第一盏实用电灯的是爱迪生。
但很少有人知道，最早的白炽灯中的灯丝是由碳化竹丝制成的，这被认为是最早的“碳纤维”材料。
经过多次改进，爱迪生制作出了一种可以持续三个小时的碳化竹丝灯。
直到20世纪初，碳化丝才被钨丝取代。
由于碳化竹丝不再是制作灯丝的理想材料，而且其机械性能很低，难以在当时工业化应用，所以这种最早的碳纤维材料被冷落和搁置。
俗话说：“天生我材必有用”。
被忽视多年的碳纤维终于以其价值被人们认识，并首先获得了航天科学家的青睐。
在20世纪50年代“太空竞赛”时代的背景下，科学家们迫切需要一种具有高比强度、比模量和耐高温的新材料来建造航天器。
▲ 图片来自 SpinLaunch。
航天器重量每减少1公斤，就可以减少运载火箭的负载，增加的就是太空任务的成功率。
由此，美国赖特-帕特森空军基地成功试制了以粘胶纤维为原料的碳纤维复合材料，并将其用作火箭喷嘴和鼻锥体的烧蚀材料。
。
碳纤维不负众望，取得了非常好的成绩。
既能满足高强度的高温抗烧蚀，又能达到航天器轻量化的目的。
经过多年的发展和迭代，目前市场上90%以上的碳纤维复合材料主要是PAN基碳纤维。
生产方法主要以含碳有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）为原料，将有机纤维与塑料树脂复合进行碳化，生产碳纤维复合材料。
但生产过程对原材料、技术、能源消耗等要求较高，这也是碳纤维材料生产成本居高不下的原因。
碳纤维复合材料具有两大特点：拉伸强度强和纤维柔软、加工性能好。
作为一种具有优良机械性能的新材料，是航空航天、军工的重要战略材料。
▲ 图片来自：中国军事网81.cn 我国第五代战斗机歼20的机翼采用树脂基碳纤维复合材料制成。
碳纤维的直径只有5微米，相当于人的头发丝的十到十二分钟。
一、但强度是铝合金的4倍以上。
用它来制作机翼，可以轻松减轻30%以上的重量，换取更高的机动性和更长的续航能力。
▲ 图片来自银河动力空间 2019年12月7日12时13分，谷神一号（耀二号）运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射，成功将五颗商业卫星送入千米太阳同步轨道。
其独特的黑色外壳由金属材质升级为碳纤维复合材料。
火箭整箭减轻了1公斤，卫星的运载能力增加了一倍。
随着技术的成熟，碳纤维材料也开始出现在消费产品中。
2016年，宝马量产纯电动车型i3。
整个乘客舱采用超轻量、高强度的CFRP碳纤维复合材料制成。
这是首款采用碳纤维车身的量产车型。
与其他常用的金属材料相比，宝马开发的CFRP碳纤维材料的强度是普通钢铁材料的10倍。
一体式碳纤维座舱的结构不仅让i3的乘客舱更加坚固，也很容易让i3获得了双门设计。
另一方面，CFRP碳纤维材料的重量是同体积钢材重量的一半。
车身的轻量化可以很好地抵消底盘内置的电池和电机的重量。
减轻车辆的重量也意味着增加车辆的纯电动续航里程。
虽然像宝马i3这样全白车身采用碳纤维复合材料的汽车并不多见，但凭借其轻量化的特性，碳纤维材料仍然经常出现在性能车和超级跑车中，不仅减轻了重量汽车的同时还可以优化空气管道。
随着时间的推移，碳纤维逐渐成为轻量化和高性能的代名词。
值得一提的是，由于工艺复杂、成本高昂，采用真正的碳纤维材料属于定位极高的昂贵产品。
日常生活中有很多物品的表面似乎都有经典的碳纤维编织图案，但它们可能只是贴有一张带有碳纤维图案的贴纸。
芳纶纤维：堪称“万能”纤维。
与碳纤维相比，我们日常生活中更常见的一种轻质材料其实就是芳纶纤维。
然而，芳纶纤维的编织外观与碳纤维的编织图案非常相似，因此人们常常将两者混淆。
芳纶纤维位居世界三大高科技纤维（碳纤维、芳纶纤维、高强高模聚乙烯纤维）之列。
其强度是优质钢的5-6倍，模量是钢或玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢的2倍，但重量仅为1/5。
它具有强度高、韧性好、重量轻、耐高温、耐低温、耐腐蚀、耐磨等优异性能，因此又被称为“全能纤维”。
▲ Stephanie Kwolek 和 Kevlar 纤维原料 作为最广为人知的芳纶纤维类型，被称为“Kevlar”的芳纶是由波兰裔美国女化学家 Stephanie Kwolek 在杜邦公司工作时发明的。
她的团队想要开发一种用于轮胎的新型轻质、强韧纤维，但在这个过程中，他们意外地合成了一种独特、轻质、乳白色的解决方案。
这种解决方案可以赋予纤维超高的强度和刚度，从而导致了凯夫拉纤维产品的诞生。
▲ 左边是拉塞尔·施韦卡特 (Russell Schweickart) 在阿波罗 9 号登月时所穿的宇航服，右边是艾伦·谢泼德 (Alan Shepard) 在阿波罗 14 号 A7-L 舱外活动时所穿的宇航服。
两者均采用杜邦材料制成。
芳纶纤维很快就应用于航空航天领域。
阿波罗登月宇航服共有21层面料。
杜邦公司的芳纶纤维产品凯夫拉用于宇航服的限制层，为宇航服提供了高强度和柔韧性。
芳纶纤维以其耐磨、耐腐蚀、阻燃等特点，逐渐成为防弹背心、空天飞机、机电、建筑、高档汽车、体育用品等产品的主要材料之一。
作为“高精度”新材料的代表，芳纶纤维被世界认为是材料科学发展的重要里程碑，一直被视为非常重要的国防军工材料。
芳纶纤维问世几十年来，经历了从军用战略材料向民用材料的转变过程。
随着制造成本不断下降，芳纶纤维在消费电子行业中经常可见。
比如我们常用的智能手机就是芳纶纤维的重要应用产品。
为了追求更好的手感，手机厂商从未停止过材质和结构工艺的探索。
所以多年来，聚碳酸酯、玻璃、金属、原木、尼龙等材料都被应用在手机上。
但对我来说，我永远不会忘记的是摩托罗拉RAZR（XT）背面的那层薄薄的芳纶纤维材料。
一层薄至0.3毫米的芳纶纤维不仅让RAZR 7.1毫米的机身超薄坚韧，还提供了独特的耐磨和卓越的触感。
遗憾的是，由于成本、技术、信号等因素，直接采用芳纶纤维作为手机背面主要材料的量产机型越来越少。
但好消息是，如果你不忘记，就会有回应。
PITAKA，一个总部位于中国深圳的新硬科技消费品牌，被无数碳粉视为“凯夫拉天花板”。
2017年开始使用芳纶纤维制作手机壳，后来逐渐使用芳纶纤维材料制作更多产品，如iPad保护壳、Galaxy手机壳、苹果手表壳、充电底座、移动电源等。
似乎构成了以芳纶纤维为主要材料构建的一整套产品生态。
可贵的是，PITAKA在拓展芳纶纤维材料应用的同时，也在不断探索新的材料技术，为用户带来更多个性化的选择。
2018年iPhone 13系列时代，PITAKA首创了其标志性的芳纶纤维“浮织工艺”。
传统的芳纶纤维织物颜色和纹理比较单一，通常同一块布上只有一种颜色或纹理，如最常见的黑色和灰色斜纹布。
PITAKA开创了中国传统编织工艺与高科技芳纶纤维材料的结合。
通过调整不同基色芳纶纤维的径向和纬向编织的交替顺序，可以将两种或多种不同的编织方法组合在同一组织中。
该布机呈现在同一块芳纶纤维布上，从而达到同面两种或两种以上不同编织图案、立体排列、多色织物的效果。
在实际体验中，采用压花技术的保护壳在黑灰色外壳表面实现了压花彩色线条，不仅提高了视觉效果，还可以让用户用指尖触摸感受到纤维的轻微起伏。
，独特的凹凸感。
这也是一种细腻的、立体的感觉，是通常的印刷图案难以模仿的。
除了织造技术上的创新，PITAKA还推出了D-芳纶纤维，这种纤维价格更贵，纤维更细、更轻。
与之前的D款式相比，更密、更细的D芳纶纤维，原材料成本和加工难度更高，换来了更精致、更轻薄的使用体验。
超薄厚度仅为0.95mm，重量轻至17.3g。
简单来说，就是佩戴表壳时比较轻，拿在手上感觉比较细腻。
芳纶纤维作为高分子材料，具有强度高、重量轻的特点。
它可以保护手机免受刮擦，而不会显着增加手机的厚度和重量，也不会遮挡信号。
从这个角度来看，芳纶纤维确实是制造轻薄手机壳的理想材料。
据了解，PITAKA作为行业领先品牌，通过开发新型环保树脂，实现了材料的回收再利用，为该材料的可持续应用开辟了更广阔的前景。
钛合金：苹果Ultra的选择。
人类对钛金属的发现始于1999年，并以希腊神话中的泰坦巨人命名。
钛（Titanium）一词现在不仅指钛，还经常作为“坚不可摧”的形容词出现，并且还被引申为更高层次的指代。
例如福特会使用Titanium作为其高端车型的标识，而Nvidia则一直习惯使用Ti作为高性能显卡型号的后缀。
2008年，美国杜邦公司采用镁法生产出吨级海绵钛——这标志着海绵钛即钛的工业化生产的开始。
钛金属是一种轻而硬的金属。
由于其比强度高、耐腐蚀性好、耐热性高，广泛应用于核工业、化学石化工业、航空航天、体育用品、牙科和医疗等领域。
维修等领域。
钛合金材料也被选为替代或修复失效硬组织（结构生物医学应用）的最佳材料。
与碳纤维和芳纶纤维这两种复合材料相比，钛合金是制造航天器的主要金属材料，因此常被宇航员称为“太空金属”。
得益于其诸多优点，钛金属也开始受到传统手表制造商的青睐，因为钛金属不仅显着减轻了表壳的重量，而且保证了外观的质感，不易磨损。
▲ 图片来自 MKBHD 苹果对钛也情有独钟。
在Apple Watch引入钛金之前，苹果2018年推出的Apple Card信用卡业务的实体卡就是钛金卡。
次年，苹果为 Apple Watch Series 6 准备了一款钛金属表壳的 Edition 版本，这种材质和高端版本自然也被后继的 Apple Watch Series 7 系列所继承。
除了前面提到的硬度更高、重量更轻、更耐腐蚀之外，钛金属最受苹果青睐的原因还在于其更好的生物相容性。
苹果Apple Watch团队曾向粉丝分享过一个简短的开发故事：在试制不锈钢Apple Watch时，苹果将这些产品分发给部分员工试戴。
但苹果很快发现相当多的员工在试穿后出现了过敏现象。
经过研究，苹果发现问题实际上是由不锈钢中的镍元素引起的。
随后，苹果不得不重新调整不锈钢表壳中各种金属元素的比例。
虽然重新调整后，过敏的几率已经很低，但还是有一些皮肤比较敏感的用户会“遭殃”。
生物相容性更好的钛金属表壳恰好对使用者的皮肤更友好，更不容易引起敏感。
今年，苹果不仅更新了 Apple Watch Series 8，还为户外极限运动爱好者准备了专业级 Apple Watch Ultra。
同样配备钛金属表壳的Ultra腕表自然具有耐摔、耐摔的性能。
据曾大量使用Apple Watch Ultra进行四天三夜无人区徒步的同事介绍，尽管我在徒步第一天不小心摔倒在泥泞的路上，唤醒了手表的跌倒检测，但手表的身体的边缘也沾满了一层泥土。
用水短暂冲洗后，手表两侧的孔内没有污泥残留。
从屏幕到侧面，手表看上去依然崭新无瑕。
另一方面，近期有消息称苹果将在iPhone 15系列中采用钛合金作为金属中框。
与目前Pro机型所使用的不锈钢相比，钛合金的使用可以让iPhone变得更轻，同时也提高了iPhone的耐用性和抗刮擦性。
现在，Apple Watch Ultra 已经有了钛金属表壳。
根据苹果的产品定位策略和这一传闻，钛合金机身也可能成为“Ultra”系列的优势。
科学技术的快速发展促进了材料的不断创新，新材料和工艺技术往往带来创新和突破。
在材料科学一百多年的发展史上，每一代人都在前人的知识基础上进一步深化研究和应用。
随着人类对材料科学认识的不断加深，改善人类生活的应用具有近乎无限的潜力。
可以预见，现有的轻质高强材料将不断发展，随着技术的成熟，这些轻质高强材料将覆盖越来越多的消费类别，进入千家万户。
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