冬天來了，隨著氣溫逐漸降低，到處結冰的日子也快到了。
說到結冰，相信很多朋友們都有過看著漂亮的剛剛凍上的冰面時。心里突然涌出一股狠狠轟碎它的沖動的經(jīng)歷~
誤判了冰的厚度就會這樣（動圖來自 SOOGIF）
但是有一種冰卻能做到“怎么砸都砸不碎”，關于它的傳說在互聯(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。
對就是這種白花花的冰塊
這種材料背后也隱藏著材料學中相當常見的結構增強技術的相關知識。
今天就讓我們和大家一起來分享一下有關這些“摻了東西的冰”的小故事以及相關的知識吧！
摻了棉花的冰真的打不碎嗎？
在互聯(lián)網(wǎng)上流傳著這樣一個故事：普通的冰塊雖然堅硬，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，那這塊冰就會變得像鋼筋混凝土一樣怎么也砸不碎了。
那么事實真的是這樣嗎？今天讓我們從科學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象。冰是一種堅硬的材料，當溫度足夠低時，其具有一定的結構強度。根據(jù)中國氣象局的數(shù)據(jù)，冰的抗拉強度約為 1.2~1.5Mpa，抗壓強度則在 3.5~4.5Mpa 之間，可見這是一種抗壓能力強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硬，但受到外應力沖擊時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（動圖來自 SOOGIF）
這時我們回頭來看，棉花作為一種常見的材料，基本沒有抗壓能力，但抗拉能力相當之強，一團棉花可以被拉成很長一條棉線而不斷裂。既然如此，棉花和冰這兩種材料的特點是否可以互補一下？
在冰里加棉花這種操作在材料學中，屬于纖維增強復合材料的一種。當加了棉花的冰受到外力沖擊時，棉花組成的網(wǎng)狀結構可以很好地將應力沿著纖維傳導出去，從而降低局部形變的幅度，防止冰塊破裂。
此外，當冰塊出現(xiàn)裂縫時，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，由于缺乏這種網(wǎng)狀結構的支撐，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)友在測試時，并沒有給出一個確定的冰與棉花的比例，我們在這里也很難對這種材料的強度進行討論。不過幸運的是，歷史上有一項堪稱瘋狂的計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)英國冰航母計劃！
在20世紀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)實條件。然而正如我們上面所說的，由于冰的抗拉性能不好，導致用冰做的船整體可靠性處于一個令人絕望的水準。
但是隨著材料科學的進展，美國科學家赫爾曼·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，可以顯著提升冰的抗拉強度，在合適的溫度下，它的抗壓強度可以達到 7.584Mpa，抗拉強度可以達到 4.826Mpa。
派克瑞特的原料和一個成品
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，卻有良好的機械加工性能，很低的熱導率，低廉的造價和甚至可以接近當時混凝土的結構強度。
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，蒙巴頓將軍和當時的英國首相丘吉爾提出了用這種材料造一艘軍艦的計劃，這個計劃的目標是建造一艘被命名為哈巴谷（Habakkuk）的超級冰航母。
在設計中，哈巴谷號總長度 610 米，在一些記錄中甚至長度為 1200 米，總重量 220 萬噸，設有 26 個發(fā)動機，最大航速 7 節(jié)，可以攜帶 200 架戰(zhàn)斗機和 100 架轟炸機，即使是現(xiàn)代的尼米茲級航母也不及它的 1/4 大，可謂是真正的戰(zhàn)爭巨獸。
計劃中巨大到令人難以置信的航母
在 1943 年 5 月，工程師們在加拿大的帕特里夏湖上使用派克瑞特建造了一條長 20 米的實驗模型。在各種隔熱手段的加持下，這個又大又白（可能也沒那么白）的冰塊平穩(wěn)地度過了整個夏天。
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)會議上，蒙巴頓將軍狠狠地推銷了他們的冰航母計劃。
根據(jù)野史記載他在會議室里并排擺了一塊冰和大小相同的派克瑞特，并在毫無預警的情況下對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軍官的會議室里四處亂飛，差點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
幸運的是，在場各位身經(jīng)百戰(zhàn)的將軍們并沒有被這個小插曲打亂陣腳，同盟國的領導人們對這種材料的優(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 個發(fā)動機在運行中排出的廢熱足以融化整個冰塊，因此只有在航母內(nèi)部另外安裝 16 個制冰廠才能勉強保持溫度穩(wěn)定。
除此以外，由于航母整體由冰塊構成，普通的水密設計已經(jīng)完全起不到效果，面對魚雷的襲擊時，船艙內(nèi)會非常危險。為了解決這一問題，哈巴谷的艙壁厚度達到了驚人的 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)足夠巨大的航母設計上變的更加巨大，而變大的整體設計又對內(nèi)部結構提出了新的需求……
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，其他技術進步到了可以克服哈巴谷原本設計用來解決的問題。最終在 1943 年 12 月，項目被聯(lián)合參謀會議否決，這項瘋狂的計劃也走到了盡頭。
內(nèi)容豐富的纖維增強復合材料
雖然“哈巴谷號”航母計劃最終未能實現(xiàn)，但通過這一計劃，我們可以直觀地看到纖維對復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。
事實上，通過不同材料取長補短而制成的復合材料，已經(jīng)在我們的生活中得到了廣泛應用。復合材料是由兩種或多種材料（如金屬、陶瓷或高分子材料）通過復合工藝制成的多相材料。這些材料在性能上相互補充，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于單一材料，從而滿足各種需求。
復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粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。就在派克瑞特出現(xiàn)的幾乎同一時期，玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼）就已經(jīng)應用在航空工業(yè)之中。
第一架使用纖維增強塑料的飛機費爾柴爾德 F-46
復合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復合的材料，其比強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。
纖維增強材料的另一個特點是各向異性，因此可按制件不同部位的強度要求設計纖維的排列，這對于某些定制性很強的需求來說有很大的吸引力。
五代戰(zhàn)機就大量使用了復合材料來提升飛行性能，圖為蘇霍伊設計局生產(chǎn)的蘇-57 和中航工業(yè)成飛生產(chǎn)的殲-20
目前，纖維增強復合材料廣泛運用于航空航天、汽車、化工、機械設備制造等高新技術領域，也作為建筑材料或某些體育器材的原材料使用。
說到這里，有的小伙伴可能會問：“既然復合材料這么厲害，為什么還沒有完全取代傳統(tǒng)材料呢？”
其實，世間萬物都有其兩面性。復合材料雖然擁有眾多令人驚嘆的優(yōu)點，但也并非完美無缺，它同樣存在一些不容忽視的缺點。
首先，復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備，進一步推高了復合材料的使用成本。因此，盡管復合材料性能優(yōu)異，但在某些領域，高昂的成本仍然是一個難以逾越的門檻。
其次，復合材料的界面問題也是一大挑戰(zhàn)。復合材料中，纖維與基體之間的界面強度直接影響材料的性能。然而，在長期使用中，某些材料的界面可能會因疲勞損傷而逐漸失效，導致整體性能下降。此外，復合材料的復雜結構使得性能預測變得更加困難，這對設計和應用提出了更高的要求。
更讓人頭疼的是，復合材料的回收問題至今仍是一個難題。由于纖維與基體的緊密結合，回收復合材料比傳統(tǒng)材料更加復雜。如果回收不當，某些復合材料甚至可能對環(huán)境造成危害，比如含有石棉纖維的復合材料。這些問題使得復合材料的可持續(xù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。
盡管如此，我們也不必過于悲觀。隨著技術的不斷進步，復合材料的許多缺點正在逐步得到解決。比如，新型環(huán)保樹脂的開發(fā)、更高效的回收技術以及更精確的性能預測模型，都在為復合材料的應用鋪平道路。我們有理由相信，未來的復合材料將會更加成熟、更加環(huán)保，并在更多領域大放異彩。
參考資料
[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Pykrete
[2]【“這位真是重量級！”哈巴庫克號，冰塊構筑的航母巨獸！【風帆說】】 https://www.bilibili.com/video/BV1dC411p7xj
[3]佚名.二戰(zhàn)中英國“冰航母”計劃[J].科學大觀園,2012,(05):40-41
[4]施牧.冰制航母夭折記[J].大科技(科學之謎),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）
責編丨王夢如
審校丨徐來 林林
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