（原标题：人类灯塔 现代生活与材料科学那些事儿）
【中关村在线办公打印频道原创】在距今约250万年-1万年前的旧石器时代，人类还使用石器、木棍、兽骨这一类的工具打猎、采集才能活下去。现在，我们坐着沙发、端着茶杯，手里拿着遥控器看电视或是翻阅报纸杂志来打发闲暇时光，拿着贴膜或者不贴膜的智能手机与朋友沟通，开着小汽车出游或接送家人。我们全天二十四小时，无时无刻离不开的就是各种各样的材料。我们来聊一聊材料和材料科学。
人类灯塔现代生活与材料科学那些事儿
●材料科学一个海洋般的学科
材料科学，在高校中通常被叫做材料科学与工程专业，或者材料工程专业，涉及物质性质的研究以及在工程学领域的应用，研究的目的是为了了解某种材料的加工工艺、微观结构、宏观性能三者之间的关系。简单来说，就是为了找到一种可靠的方法来制造材料，使这种材料有统一的结构和性能，能用在某些特定的用途上。
材料科学与工程
材料科学涉及的理论包括固体物理学、应用物理、应用化学、机械工程、土木工程、电子工程、生物工程等，范围非常广泛。不过材料科学是从什么时候开始成为一门学科的呢？我们要从人类的历史说起。
马克思哲学理论中，把制造和使用工具作为人与动物的本质区别，而人类进化史的不同阶段也是按照工具的材料选择来划分的，例如石器时代、青铜器时代、铁器时代。
人们按照使用不同的工具类型把人类历史区分成不同阶段
在19世纪末到二十世纪中叶，材料科学在当时还是以“冶金学”的身份为人们所知道，足以证明金属材料在当时的重要性。国内现在的北京科技大学在当时还叫做北京钢铁学院，处在建国初期百废待兴的时候，由六所前著名院校的矿冶学科合并组建而成，现在北科大国内最强的专业学院——材料科学与工程学院就是从那时的矿冶学演进而来。
北京钢铁学院旧照图片来自“精文老照片收藏馆”
材料科学的大进步开始于20世纪60年代，人们意识到发现和创造新的材料需要某些特定的方法，里面有规律可循。材料科学与工程逐渐成为一项跨冶金学、固体物理学、化学、化学工程、电气工程等多门学科的综合性学科。
通过特定的方法才能制备出某种属性的材料
熟悉近现代史的朋友同时也会意识到，在20世纪中后期有一个全球性的政治、经济和军事竞争，就是冷战。这场没有硝烟的战争，却为后世留下了宝贵的科技遗产，包括现在极大发展的材料科学，当时也受到冷战军备竞赛的推动，其中有一支重要力量就是美国国防高等研究计划署，就是所谓的DARPA。DARPA资助了一大批高校科研项目，在国家层面上增强材料科学的基础研究和培训。从那时起，材料科学的研究范围大大扩展，逐渐涵盖了陶瓷、聚合物、半导体、磁性材料、医疗植入材料、生物材料和纳米材料。
冷战双方的对抗和竞争很大程度上推动了科技进步很多军用技术后来转为民用
提到冷战，我们不得不提到当时前苏联与美国旷世骇俗的太空竞赛，它也是材料科学突破各种不可能、冲破天际的动机。
第2页：太空竞赛 材料科学冲破天际
●太空竞赛材料科学冲破天际
1955年，美国总统艾森豪威尔宣布，计划发射人造地球卫星，作为对即将到来的国际地球物理年的一大贡献。好了，苏联着急了，随即宣布也将在不久之后发射人造卫星，并且在1957年率先发射升空；紧接着在1961年再次先于美国，将宇航员尤里.加加林送入近地轨道，这也是人类史上第一次的人肉太空探索。
苏联在1957年10月4日发射的人造地球卫星Sputnik号引发了美苏间真金白银的太空竞赛
这是一个很关键的节点，随后美国和苏联相继多次输送宇航员进入太空，以及后来美国成功登月的阿波罗计划。与发射无人飞船和卫星不同，载人航天需要考虑重要的返航问题，并不是发射上天就完事儿了，那么返航时飞行器撞击空气产生激波以及摩擦，产生热量造成几千上万摄氏度的高温，就需要一种材料来防护航天飞行器。
美国猎户座飞船返回进入大气下降过程的渲染图
可返回的太空飞船，都使用烧蚀防护材料来解决从外太空返回大气层后的高温问题，这些烧蚀材料包括碳酚醛材料、洛克希德马丁公司研制的超轻烧蚀材料SLA-561V、美国航空航天局艾姆斯研究中心专利所有的酚醛浸染碳纤维PICA、SpaceX研发的改进版酚醛浸染碳纤维PICA-X、硅脂浸染复用陶瓷SIRCA、玻璃填充环氧酚醛材料AVCOAT等等。
阿波罗12号飞船返回舱着陆后经过烧蚀的防护层
经过烧蚀测试之后的洛马SLA-561V防护材料
在NASA艾姆斯研究中心PICA-X材料正在进行高温烧蚀测试
烧蚀材料的应用源于陨石的研究，尽管落到地面的陨石外表已经烧焦得面目全非，但是内部构造和成分却没有发生变化。它的具体原理我们不做过多阐述，有兴趣的读者搜索“烧蚀”“激波”可以了解基本的烧蚀防护原理。
在纳米比亚发现的已知最大陨石——霍巴陨石穿过大气层到达地球表面重达60吨
烧蚀阶段之后，在飞船返回过程中会出现烧蚀材料失效的情况，所有的烧蚀材料都有这个阶段，这时温度仍然很高，但是烧蚀材料已经不能防护而开始传导热量。这时就轮到LI-900上场——一种由纯石英玻璃纤维构成的、中间填充94%体积空气的防护瓦片。这种材料的隔热性能有多惊人呢？他可以加热到1024摄氏度，再立刻浸入冷水中而不出现任何破损；它在一侧700多摄氏度加热的情况下，另一侧保持仅仅人体触感的温热。
LI-900材料的小盒子里面火焰燃烧的时候外面仍然可以手持
用在航天飞机上的黑色LI-900防护瓦片
而在航天飞机的机头盖帽、机翼前缘上，更多地使用了强化碳碳复合材料RCC取代金属，以承受最高达到1510摄氏度的返回温度。并且，它有出色的抗疲劳载荷，适于航天飞机多次起飞和返回的设计场景。强化碳碳复合材料和金属相比耐热性和耐腐蚀性更好、质量更轻，和石墨相比强度和韧性更高，和陶瓷相比韧性更好并且容易加工。
航天飞机上面的热防护材料分布RCC材料主要用在鼻帽和机翼前缘
不过，强化碳碳材料的一大缺点就是抗冲击性差，在2003年举世震惊的哥伦比亚号航天飞机空难就是因为机翼的RCC板在发射时被泡沫碎片击中，导致返回时局部失去隔热防护效果，从而引起机翼由于内部温度过高而失效，整机失控在空中解体。现在，比强化碳碳RCC性能更优异的材料已经在研发中。
左边是哥伦比亚号最后一次的飞行任务徽章和代号STS-107右边是位于美国艾灵顿国家公墓的全体机组人员纪念碑哥伦比亚号空难正是由于设计者对RCC材料的性能估计不足导致
在稍微低一些的温度时，Nomex毛毡覆盖了机翼上表面、载重舱门、姿态控制系统和机身后部，来抵抗371摄氏度以下的返回温度。这种材料也是可以重复使用的。
NOMEX毯子形成航天飞机外层的热防护层
美国在航天飞机上多次往返的设计，引发了大量新材料的研究和应用。相比单次往返的飞行器，航天飞机首先不能用高温合金材料，尽管这种材料热辐射性能好但是密度太大；其次它也不适用烧蚀材料，因为这种材料同样密度很大，并且发射和返回过程中的烧蚀引起表面破损，影响飞机气动性能；航天飞机的表面积很大，需要更多可重复使用的隔热材料，材料的轻量化就变得非常关键。不过哥伦比亚号空难给航天飞机蒙上一层阴影，事实证明新材料仍然需要在飞机返航着陆后进行检查和修复，确保每一块防护面板的完整和安全，而并非像设计之初那样一劳永逸，这是后话。
亚特兰蒂斯号返回后工作人员仔细检查底部的热防护瓦
尽管冷战消耗了当时世界上最强的两个国家、或者说联盟的大量经济和物力，我们还是不能否定双方的竞争留下了大量的科技遗产，太空竞赛对材料科学的推动就是一个很好的例子。本页中呈现的隔热防护材料仅仅是航天器应用众多材料的冰山一角，包括金属与合金、有机非金属材料、复合材料、推进剂、润滑剂、液压油等多种新材料得以验证在极端条件下应用的可能，这些材料的研究和测试给民用的探险、救援、加工、制造、赛车多个行业带来飞速的发展。
既然提到了Nomex这种热防护材料，就不得不提到它的直系亲属凯夫拉（Kevlar），以及它们的诞生地——美国杜邦公司。
第3页：细说塑料 应用最广泛的材料之一
●细说塑料应用最广泛的材料之一
在Nomex热防护材料之前，我们先来说一说现在几乎是民用最广泛的材料——塑料。在哥伦布发现美洲大陆之前，中美洲和南美洲居民依靠种植橡胶树来收获天然橡胶，而橡胶正是广义上的一种塑料；现在天然橡胶已经同原油一样成为世界性的大宗工业原料。
南美洲亚马逊河流域是天然乳胶的最大产地包括巴西和玻利维亚的一部分
从橡胶树上采集树汁而树汁是天然乳胶的主要来源
后来，半人工合成、全人工合成的塑料、尼龙陆续在实验室中出现并实现商业化生产和应用，塑料制品伴随着人类社会的电气化和信息化而极大推广。根据可信的资料，李嘉诚先生早期正是投身塑胶制品生产实业，在1955年创办“长江塑胶厂”进行塑料制品生产和经营，从而获得了事业的第一桶金。
李嘉诚先生从塑胶行业获得第一桶金
到今天为止，塑料种类多种多样、价格便宜、容易生产和塑形并且防水，很快取代了很多以往材料的用途，包括木材、石材、动物角和骨骼、皮草、纸张、金属、玻璃甚至陶瓷。仔细想想，我们几乎在每天生活中的每时每刻都看到塑料的踪影——汽车、餐具、玩具、运动装备、食品包装、家具家电、办公用品、数码产品等等，在这些东西上都有塑料组成的部件或直接由塑料制造。
塑料原料类型截图自百度百科
细说塑料的分类，包括常用在食品袋和保鲜膜上的聚乙烯PE，矿泉水瓶上的聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，常用在排水管道上的聚氯乙烯PVC，用在微波餐盒和泡面盒上的聚丙烯PP和聚苯乙烯PS，键盘键帽上可见的PET和POM材料，用在显示器和笔记本外壳、汽车内衬和面板上的ABS塑料和PA尼龙，以及电影音乐光盘的主要材料聚碳酸酯PC，等等。
PE保鲜膜
在矿泉水瓶底常能看到PET可回收的标识
用作下水管道的PVC管
可微波炉加热的PP餐盒
POM键帽
光盘的用料主要是聚碳酸酯PC
iPhone5c的背壳也是聚碳酸酯材质
现在桌面式FDM3D打印机上使用的线材，大多为塑料品，最常见的就是ABS，在200℃温度下即可变软挤出，并塑造不同的形状，这正是利用了塑料热塑性好的特点。另一种常见的3D打印材料聚乳酸PLA同样是塑料，它由于生产过程没有污染、材料可降解这些环保的特性，正在逐渐替代ABS成为常用的FDM3D打印材料。
FDM3D打印的材料有ABS和PLA两种塑料
塑料是现代生活民用最广泛的材料之一，伴随着我们生活的每时每刻。
细心的读者注意到，这些材料的中文名称里都有一个“聚”，正是这样——塑料就是通过聚合反应而形成的高分子化合物的统称。好了，前方高能预警——同样是在实验室中通过缩聚反应合成、塑料的远房亲戚凯夫拉（Kevlar）即将进入我们的视野。
第4页：远房亲戚 凯夫拉星光熠熠
●远房亲戚凯夫拉星光熠熠
凯夫拉，来自美国杜邦公司的神奇材料，学名叫做聚对苯二甲酰对苯二胺，是一种芳族聚酰胺，常被编织成纤维并加入其它材料形成更多特性的复合材料。
凯夫拉的分子结构
凯夫拉材料最早在1965年由杜邦公司的女研究员斯蒂芬妮.科沃勒克发现，并申请了商标和专利权。关于它的化学名称和分子式，我们看起来非常复杂，似乎不明所以；不过了解它我们只需要知道关于它的几个特点。
它的分子结构中有像苯环一样的环形强结构；它的长条状分子在凯夫拉纤维中与纤维走向平行排列；凯夫拉是尼龙（聚酰胺）的远房亲戚。而关于它的物理特性，非常突出的就是拉伸强度高，但是密度却很低，尤其适合制备人的穿着物。在温度低至-196摄氏度条件下，凯夫拉材料没有任何脆化或强度降低。尽管凯夫拉可以被点燃，但是当热源撤去后通常不会继续燃烧。
凯夫拉纤维织物有很强的拉伸强度
正是基于它的强度、抗撕裂性和稳定性，凯夫拉在美国被作为符合ISO标准的防弹衣和防刺衣材料，将凯夫拉纤维编织成布，再叠加多层形成不同标准的防手枪和大威力手枪的防护装甲。
凯夫拉材质防弹衣
此外，凯夫拉大量应用在体育用品领域。锐步CrossFit系列训练鞋、压缩衣裤使用了凯夫拉材料，阿迪达斯adizero5star足球鞋在鞋面部分使用了凯夫拉材料。当然喜欢数码产品的朋友知道，摩托罗拉RAZERXT910手机背壳加入了凯夫拉涂层，除了高强防刮之外，据说也有非常好的手感。当然，现在手机前后材质非常普遍的康宁大猩猩玻璃那个时候还在研发中。
锐步CrossFit系列运动装备使用凯夫拉
锐步CrossFit系列的运动背心同样使用凯夫拉
锐步CrossFit系列的运动背心同样使用凯夫拉
阿迪达斯adizero足球鞋使用凯夫拉
摩托罗拉XT910背壳凯夫拉贴层
当然，凯夫拉材料也用在工业生产防护中，用来生产匹配ASTM和ISO标准的防切割手套上。
凯夫拉防切割手套
下一页，我们继续高能之旅，来看同属尼龙的远房亲戚、凯夫拉的亲兄弟——杜邦公司的诺迈柯斯材料。
第5页：兄弟上阵 诺迈柯斯致密防护
●兄弟上阵诺迈柯斯致密防护
诺迈柯斯（NOMEX）材料同样由杜邦公司出品，并申请了商标和专利。它是凯夫拉的亲兄弟，学名叫做聚间苯二甲酰间苯二胺，与凯夫拉的不同之处在于从对位变成了间位。
我国类似NOMEX材料的芳纶1313分子式从对位变成了间位
诺迈柯斯最重要的特性，就是无毒、阻燃，同时绝缘、韧性好。诺迈柯斯纤维最重要的一点是，在常温下穿着仍然保持比较好的透气性；当突然遇到高温时，纤维立刻变粗，从而进一步阻隔外部的热量传导到内部，保护内部的人体皮肤。在高温下，诺迈柯斯纤维仍然能够保持柔软和灵活，降低对穿着者的伤害。
在诺迈柯斯发现之处，杜邦为测试它的防火性能和应用在防火服上的可能性，开发出另外一套测试系统——热人仪，在人偶表面覆盖上百个传感器，穿上NOMEX试制防火服并进行高温灼烧。测试结果证明，NOMEX能够在火灾意外中为消防员增加几秒宝贵的逃生时间，成为符合美国ISO和NFPA标准的消防防护服材料。
NOMEX材料消防服
不同材质防护服经过热人仪试验后的结果
除此之外，NOMEX也用在电焊、切割、金属加工等工业领域，为操作员提供更好的防护。前文我们也提到，NOMEX毛毡还用在航天飞机上，作为返回时较低温度的热防护材料使用。
第6页：一种奇迹 康宁大猩猩与苹果
●一种奇迹康宁大猩猩与苹果
大猩猩玻璃是美国康宁公司出品的强化玻璃。笔者仍然记得在上世纪90年代家庭中、学校里窗户上用的透明玻璃非常易碎，调皮孩子打破窗户玻璃是常有的事，那时窗户上普遍使用的是钠钙玻璃，容易破碎。
过去窗户上使用的玻璃经常打碎
后来替代这种玻璃的是钢化玻璃，通过制备工艺在玻璃表面形成张应力，这样当外部压力施加到玻璃上时会先与玻璃内部的张力抵消，从而降低玻璃破损的可能。
而康宁则试图研制一种更为强化的玻璃，目的是用在汽车前风挡上，以应对复杂的天气状况、路况以及潜在的交通事故；最终这种强化玻璃用在了道奇Dart轿车和普利茅斯“梭鱼”跑车上，当时还不叫做康宁大猩猩玻璃，而是“Chemcor”。
道奇Dart1968轿车
普利茅斯梭鱼跑车
中间康宁的强化玻璃项目停止过一段时间，重新开启研发测试是在2005年，正式商用是在2007年——没错，就是第一代苹果手机上市的日子。由于乔布斯的敏锐眼光和大胆尝试，促使康宁研发一种比“Chemcor”玻璃更薄且坚硬、不易破碎的玻璃，也就是现在的大猩猩玻璃，用在手机上。
iPhone1代手机就使用了康宁大猩猩玻璃屏幕
从此，康宁大猩猩玻璃一发不可收拾。到2010年，在全球范围内大约有20%的手机使用了康宁大猩猩玻璃；2012年康宁推出大猩猩二代玻璃，到当年10月份康宁宣布超过10亿台移动设备使用了大猩猩一代和二代玻璃；接下来康宁又陆续推出大猩猩三代和四代玻璃，在降低反射率、抗破损、低指纹收集以及更纤薄化上都有更显著的改善。康宁也重新与汽车厂商合作——福特计划在2016年将康宁大猩猩玻璃作为福特GT赛车的前后风挡来使用。
福特GT赛车打算使用康宁大猩猩玻璃作为前后风挡
现在，不仅仅是苹果，包括锤子、华为、魅族、华硕等等更多的国产手机也使用了康宁大猩猩玻璃，应该说康宁大猩猩玻璃是伴随着苹果和安卓智能手机的普及而深入、改变了我们的生活。
到此，这篇文章告一段落。还有更多的改变人们生存状态、伴随现代生活方式而产生的材料我们并没有提及，比如不锈钢、铝合金、碳纤维、Gore-Tex等等。从人类和国家对未知空间的探索，到我们每个个体的居家生活、户外旅行、运动健身、日常出行，都有材料科学的快速发展来支撑。欢迎大家在评论区留言探讨，说出你与某种材料的一段故事。
