冬天来了，随着气温逐渐降低，到处结冰的日子也快到了。
什么时候才能下雪呢~
说到结冰，相信很多朋友们都有过看着漂亮的、刚刚冻上的冰面时，心里突然涌出一股狠狠轰碎它的冲动的经历~
漂亮滴很呐
误判了冰的厚度就会这样（动图来自SOOGIF）
但是有一种冰却能做到“怎么砸都砸不碎”，关于它的传说在互联网上流传了许多年，甚至二战期间的英国海军都打过类似材料的主意。
对，就是这种白花花的冰块
这种材料背后也隐藏着材料学中相当常见的结构增强技术的相关知识。
今天就让小编和大家一起来分享一下有关这些“掺了东西的冰”的小故事以及相关的知识吧！
1
掺了棉花的冰真的打不碎吗？
在互联网上流传着这样一个故事：普通的冰块虽然坚硬，但只要力气够大总是能被敲碎的，但如果在冻之前在水里加了棉花，那这块冰就会变得像钢筋混凝土一样怎么也砸不碎了。
那么事实真的是这样吗？作为中科院物理所的学生，小编当然要用科学的角度来编造分析一下这里到底发生了什么事情！
首先，我们以日常生活中常见的普通水冰作为研究对象。冰是一种坚硬的材料，当温度足够低时，其具有一定的结构强度。根据中国气象局的数据，冰的抗拉强度约为1.2~1.5 Mpa，抗压强度则在3.5~4.5 Mpa之间。可见这是一种抗压能力强于抗拉能力的脆性材料。
参考我们生活中常见的玻璃，脆性材料的特征就是较为坚硬，但受到外应力冲击时局部形变很容易超过其抗拉能力，从而被破坏。
有一定弹性，但不多（动图来自SOOGIF）
这时我们回头来看，棉花作为一种常见的材料，基本没有抗压能力，但抗拉能力相当之强，一团棉花可以被拉成很长一条棉线而不断裂。既然如此，棉花和冰这两种材料的特点是否可以互补一下？
我向材料学许愿，想要一种又硬又抗拉的材料。材料学佛祖说，可以。
在冰里加棉花这种操作在材料学中，属于纤维增强复合材料的一种。当加了棉花的冰受到外力冲击时，棉花组成的网状结构可以很好地将应力沿着纤维传导出去，从而降低局部形变的幅度，防止冰块破裂。此外，当冰块出现裂缝时，棉花纤维也可以作为骨架阻碍裂缝的延伸，变相增加了冰块的韧性。相反，没有添加棉花的冰块在受到相同力度的敲击时，由于缺乏这种网状结构的支撑，更容易产生裂缝并碎裂。
多样的纤维增强复合材料，但对普通人来说，冰和植物纤维是最容易得到的两种材料
不过由于网上绝大多数网友在测试时，并没有给出一个确定的冰与棉花的比例，我们在这里也很难对这种材料的强度进行讨论。不过幸运的是，历史上有一项堪称疯狂的计划就用到了非常类似的材料，从这里我们也可以粗略了解纤维骨架对于材料性能有多大的提升。
2
丘吉尔也干了！二战英国冰航母计划！
在20世纪30年代，用冰来制造舰船的想法就已经流行开来，而北大西洋的寒冷也为冰船的存在提供了现实条件。然而正如我们上面所说的，由于冰的抗拉性能不好，导致用冰做的船整体可靠性处于一个令人绝望的水准。
冰山自己漂着漂着就解体了，更别说拿来做船了
但是随着材料科学的进展，美国科学家赫尔曼·马克和沃尔特·霍恩施坦因发现，将14%的木屑与水混合后冻结，可以显著提升冰的抗拉强度，在合适的温度下，它的抗压强度可以达到7.584 Mpa，抗拉强度可以达到4.826 Mpa。
派克瑞特的原料和一个成品
这种材料被命名为派克瑞特（Pykrete），它的密度与普通的冰差距不大，却有良好的机械加工性能，很低的热导率，低廉的造价和甚至可以接近当时混凝土的结构强度。
由于派克瑞特良好的性能，在1942年，英国被纳粹德国无限制潜艇战围困到山穷水尽之时，蒙巴顿将军和当时的英国首相丘吉尔提出了用这种材料造一艘军舰的计划，这个计划的目标是建造一艘被命名为哈巴谷（Habakkuk）的超级冰航母。
丘吉尔：Make Royal Navy Great Again!
在设计中，哈巴谷号总长度610米，在一些记录中甚至长度为1200米，总重量220万吨，设有26个发动机，最大航速7节，可以携带200架战斗机和100架轰炸机，即使是现代的尼米兹级航母也不及它的1/4大，可谓是真正的战争巨兽。
计划中巨大到令人难以置信的航母
在1943年5月，工程师们在加拿大的帕特里夏湖上使用派克瑞特建造了一条长20米的实验模型。在各种隔热手段的加持下，这个又大又白（可能也没那么白）的冰块平稳地度过了整个夏天。
帕特里夏湖 据说现在湖底还沉着当时的一些试验设备
这给了丘吉尔极大的鼓舞，在1943年8月的英美联合作战会议上，蒙巴顿将军狠狠地推销了他们的冰航母计划。
根据野史记载他在会议室里并排摆了一块冰和大小相同的派克瑞特，并在毫无预警的情况下对着这两块冰各自开了一枪。普通的冰毫不意外地被打得粉碎，而派克瑞特竟然将子弹弹飞，于是大家可以看到一颗手枪子弹在坐满同盟国高级军官的会议室里四处乱飞，差点打伤了在座的美国海军上将欧内斯特·金。
一块被枪击过的派克瑞特
幸运的是，在场各位身经百战的将军们并没有被这个小插曲打乱阵脚，同盟国的领导人们对这种材料的优异性能感到惊讶，于是哈巴谷的建造正式被提上了日程。
然而，在后续的一系列测试中，工程师们发现，派克瑞特只有在零下15摄氏度以下才能保持刚性，但是航母的26个发动机在运行中排出的废热足以融化整个冰块，因此只有在航母内部另外安装16个制冰厂才能勉强保持温度稳定。
除此以外，由于航母整体由冰块构成，普通的水密设计已经完全起不到效果，面对鱼雷的袭击时，船舱内会非常危险。为了解决这一问题，哈巴谷的舱壁厚度达到了惊人的40英尺，约12米，可以物理意义上硬扛德国鱼雷的爆炸而不破损。这就使得原本已经足够巨大的航母设计上变得更加巨大，而变大的整体设计又对内部结构提出了新的需求……
面多加水水多加面，最后换盆
就这样，在不断的面多加水水多加面的过程中，其他技术进步到了可以克服哈巴谷原本设计用来解决的问题。最终，在1943年12月，项目被联合参谋会议否决，这项疯狂的计划也走到了尽头。
3
内容丰富的纤维增强复合材料
虽然“哈巴谷号”航母计划最终未能实现，但通过这一计划，我们可以直观地看到纤维对复合材料性能的显著提升。仅仅是在冰中加入适量的木屑，就使其具备了一定的军事用途潜力，这种质的飞跃令人惊叹。
事实上，通过不同材料取长补短而制成的复合材料，已经在我们的生活中得到了广泛应用。复合材料是由两种或多种材料（如金属、陶瓷或高分子材料）通过复合工艺制成的多相材料。这些材料在性能上相互补充，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于单一材料，从而满足各种需求。
复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草或麦秸增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。就在派克瑞特出现的几乎同一时期，玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）就已经应用在航空工业之中。
第一架使用纤维增强塑料的飞机费尔柴尔德 F-46
东风-31的第三级发动机FG-08就使用了玻璃钢外壳，其重量影响了整体射程，更新后的东风-31A将第三级壳体换为了更先进的芳纶纤维/环氧树脂复合材料
复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。
纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列，这对于某些定制性很强的需求来说有很大的吸引力。
五代战机就大量使用了复合材料来提升飞行性能，图为苏霍伊设计局生产的苏-57和中航工业成飞生产的歼-20
目前，纤维增强复合材料广泛运用于航空航天、汽车、化工、机械设备制造等高新技术领域，也作为建筑材料或某些体育器材的原材料使用。
高级跑车为了减轻重量也大量使用了复合材料
说到这里，有的小伙伴可能会问：“既然复合材料这么厉害，为什么还没有完全取代传统材料呢？”
其实，世间万物都有其两面性。复合材料虽然拥有众多令人惊叹的优点，但也并非完美无缺，它同样存在一些不容忽视的缺点。
首先，复合材料的高性能往往伴随着高成本。高性能纤维、树脂、陶瓷等基体材料的成本本身就不低，再加上加工这些材料需要特殊的工艺和设备，进一步推高了复合材料的使用成本。因此，尽管复合材料性能优异，但在某些领域，高昂的成本仍然是一个难以逾越的门槛。
其次，复合材料的界面问题也是一大挑战。复合材料中，纤维与基体之间的界面强度直接影响材料的性能。然而，在长期使用中，某些材料的界面可能会因疲劳损伤而逐渐失效，导致整体性能下降。此外，复合材料的复杂结构使得性能预测变得更加困难，这对设计和应用提出了更高的要求。
更让人头疼的是，复合材料的回收问题至今仍是一个难题。由于纤维与基体的紧密结合，回收复合材料比传统材料更加复杂。如果回收不当，某些复合材料甚至可能对环境造成危害，比如含有石棉纤维的复合材料。这些问题使得复合材料的可持续发展面临挑战。
尽管如此，我们也不必过于悲观。随着技术的不断进步，复合材料的许多缺点正在逐步得到解决。比如，新型环保树脂的开发、更高效的回收技术以及更精确的性能预测模型，都在为复合材料的应用铺平道路。我们有理由相信，未来的复合材料将会更加成熟、更加环保，并在更多领域大放异彩。
也是某种科技胜利
在文章的最后，小编邀请各位读者也来试试自制一些派克瑞特，用质量占比14%左右的木屑（或者报纸、餐巾纸等撕碎得到的纸屑）与水均匀混合在一起进行冷冻，来亲手体验一下复合材料的奇妙之处！也欢迎各位读者在评论区分享自己的小实验~
转载自：中科院物理所
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