導(dǎo)讀：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(qiáng)的路上時，修煉輕功似乎是不可或缺的一環(huán)。

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。

回到講求邏輯和科學(xué)的現(xiàn)實(shí)世界，很多時候?yàn)榱俗非蟾旄鼜?qiáng)，「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(shí)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(dá)到極速，讓飛機(jī)續(xù)航更遠(yuǎn)更持久的訣竅，自然離不開輕質(zhì)高強(qiáng)材料。

隨著人類在輕質(zhì)高強(qiáng)材料領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新，輕質(zhì)高強(qiáng)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。

01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(diǎn)亮了人類的第一盞實(shí)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(qiáng)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(yùn)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(qiáng)度，也能實(shí)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(jī)纖維（如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等）為原料，將有機(jī)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(qiáng)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(jī)殲-20的機(jī)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(qiáng)度卻在鋁合金4倍以上。用它制造機(jī)翼，可以輕易獲得30%以上的減重，換取更高的機(jī)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(yùn)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(dú)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(fèi)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)剛性的同時，也輕松讓i3獲得了對開門的設(shè)計(jì)。

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(jī)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。

02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(shí)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(qiáng)高模聚乙烯纖維），其強(qiáng)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(qiáng)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(tuán)隊(duì)想要研制一種用于制作輪胎的新型輕量級強(qiáng)力纖維，但制作過程中卻意外地合成了一種獨(dú)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(qiáng)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(yùn)用于航天服的限制層，為航天服提供了高強(qiáng)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(jī)、機(jī)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(fèi)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(jī)，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(jī)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(yùn)用于手機(jī)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0.3mm的一層芳綸纖維，不但成就了RAZR 7.1mm的超薄堅(jiān)韌機(jī)身，亦提供了獨(dú)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(jī)背面主要材質(zhì)的量產(chǎn)款機(jī)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(fèi)品牌，在2015年就開始使用芳綸纖維來制作手機(jī)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(hù)殼、Galaxy 手機(jī)保護(hù)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(kuò)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(jī)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(shí)際的體驗(yàn)中，浮織工藝的保護(hù)殼實(shí)現(xiàn)了浮雕狀的彩色紋路躍然于黑灰殼面之上，不僅僅實(shí)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(dú)特的凹凸感。這也是通常印刷的花紋很難仿造的細(xì)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(xì)密輕薄的600D芳綸纖維。相較于之前的1500D款式，更細(xì)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(yàn)。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(xì)膩。

芳綸纖維作為高分子材料，本?強(qiáng)度?、質(zhì)量輕，既可保護(hù)?機(jī)免遭刮碰，?不會明顯增加?機(jī)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(jī)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(shí)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。

03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(jìn)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(jiān)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(dá)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(jiān)硬的金屬，因其比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)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(diǎn)，鈦金屬也開始受到傳統(tǒng)手表廠商的青睞，因?yàn)?strong>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(dú)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(shí)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(diǎn)。

蘋果 Apple Watch 團(tuán)隊(duì)曾分享了一則開發(fā)時的小故事：

當(dāng)時在試產(chǎn)不銹鋼材質(zhì)的 Apple Watch 時，蘋果將這批產(chǎn)品分發(fā)了給部分員工試戴。但蘋果不久后就發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分員工在試戴過后出現(xiàn)了過敏的現(xiàn)象。在經(jīng)過研究后，蘋果發(fā)現(xiàn)其實(shí)是不銹鋼里面的鎳元素導(dǎo)致的。隨后蘋果不得不重新調(diào)制過不銹鋼表殼當(dāng)中各金屬元素的比例。

雖然經(jīng)過重新調(diào)整后，出現(xiàn)過敏的幾率已經(jīng)很低了，但依然有部分皮膚更為敏感用戶會「中招」。

而生物相容性更好的鈦金屬表殼，恰好會對用戶的皮膚更加友好，不易造成敏感。

而來到今年，蘋果不但更新了Apple Watch Series 8，并且為戶外極限運(yùn)動愛好者們準(zhǔn)備了專業(yè)級的Apple Watch Ultra。同樣配備鈦金屬表殼的Ultra款手表，自然獲得了抗摔耐造的特性。

根據(jù)深度使用過Apple Watch Ultra去進(jìn)行四天三夜無人區(qū)徒步活動的同事所述，盡管徒步首日就在泥洼路不小心摔了一跤，喚醒了手表的摔倒檢測之余，表體邊緣還被糊上了一層泥巴。之后在水中簡單沖洗后， Watch的兩側(cè)孔內(nèi)沒有污泥殘留，從屏幕到側(cè)面，這只手表依然看起來全新無瑕疵。

另一方面，最近也有消息稱蘋果將會在iPhone 15系列里使用鈦合金作為金屬邊框。相對于目前Pro款機(jī)型采用的不銹鋼，采用鈦合金可以使iPhone重量更輕，也可以改善iPhone的耐用性和耐刮擦性。

既然Apple Watch Ultra已經(jīng)采用了鈦金屬表殼。按照蘋果的產(chǎn)品定位策略以及該傳聞，鈦合金機(jī)身也或?qū)⒊蔀椤窾ltra」系列的優(yōu)勢。

科技的快速發(fā)展，促進(jìn)了材料的不斷革新，而新的材料和工藝技術(shù)往往會帶來革新和突破。

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(jìn)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(qiáng)材料還是會繼續(xù)進(jìn)化，并且隨著技術(shù)的成熟，這些輕質(zhì)高強(qiáng)材料也會覆蓋越來越多的消費(fèi)品類，走進(jìn)千家萬戶。