谁才是当之无愧的“最轻材料”？——超轻材料10强

前面我们介绍了10种超轻材料，但实际工程中仅有轻（密度低）这个特性是不够的，因为实际结构往往需要承担多种功能。强度就是其中的一个重要指标。例如，常用的金属材料，这些材料虽然很常用，价格也相对便宜，但是比强度并不算很大，特别是常见的钢材。

今天我们一起来了解下哪些材料具有又轻又强的特点，以及这些材料的设计原理。低密度高强度材料设计原理如下： 

1.轻质元素主导

采用C, H, O, Mg, Li, Al等低原子序数元素构建基础结构。

2. 多尺度强化

 - 原子级：有序相/强键合（如石墨烯sp²键）  

 - 纳米级：析出相/纳米纤丝（如CNF）  

 - 微米级：纤维增强/晶粒细化（如CFRP）  

3. 结构优化

多孔桁架（SiC泡沫）、仿生层状（γ-TiAl）降低密度而不牺牲强度。

机器学习辅助设计：加速高熵合金成分优化  

仿生复合结构：贝壳珍珠层启发"砖-泥"结构

基于上述设计原理，科学家们发现/开发了各种各样的材料，以下是10种具有低密度和高强度的先进材料的相关性能参数、结构特征和强化机制：

 1. 碳纤维增强聚合物（CFRP）  

密度: 1.5–1.8 g/cm³ ，拉伸强度: 1.5–5 GPa ，比强度: 830–3300 kN·m/kg 。

结构特征:

- 环氧树脂/热塑性基体中嵌入高强度碳纤维（直径5–10 μm），纤维体积分数60–70%。

- 纤维取向（单向/编织）决定各向异性强度。

强化机制: 纤维承载应力，基体传递载荷并抑制纤维屈曲。

相关 参考文献:  Soutis, C. (2005). Carbon fiber reinforced plastics in aircraft construction. Materials Science and Engineering A, 412(1-2), 171–176. 

 2. 石墨烯片层（Graphene Monolayer）  

密度: 2.2 g/cm³ ，拉伸强度: 130 GPa ，比强度: 59000 kN·m/kg  

结构特征:

- 单层sp²杂化碳原子蜂窝晶格，键长0.142 nm。

- 无缺陷单晶结构实现理论强度极限。

强化机制: 强共价键网络抵抗面内变形。  

相关参考文献:  Lee, C., et al. (2008). Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science, 321(5887), 385–388.

 3. 镁锂合金（Mg-Li Alloys）  

密度: 1.3–1.6 g/cm³ ，屈服强度: 150–300 MPa ，比强度: 94–230 kN·m/kg 。

结构特征:  

- 体心立方（Li-rich β-phase）或双相（α-Mg + β-Li）结构，晶粒尺寸<10 μm。

- 添加Al、Zn等元素形成强化析出相（如AlLi）。

强化机制: 固溶强化 + 细晶强化。  

相关参考文献:  Wu, R., et al. (2015). Ultralight Mg-Li Alloys: Processing and Properties. Materials Science and Engineering R, 89, 1–43. 

 4. 碳化硅泡沫（SiC Foam）  

密度: 0.5–0.8 g/cm³ ，压缩强度: 10–50 MPa ，比强度: 12–100 kN·m/kg 。 

结构特征:

- 开孔网状结构，支柱直径100–500 μm，孔隙率85–95%。

- 化学气相渗透（CVI）增密提高支柱致密度。

强化机制: 陶瓷支柱抗弯+多孔结构应力分散。  

 5. 芳纶纤维（Aramid Fibers, e.g., Kevlar®）  

密度: 1.44 g/cm³ ，拉伸强度: 3.0–3.6 GPa ，比强度: 2100–2500 kN·m/kg。

结构特征:

- 刚性聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）分子链沿轴向排列，氢键链接形成片层结构。

- 高结晶度（>90%）和取向度。

强化机制: 分子链取向最大化共价键承载。  

相关参考文献:  Yang, H.H. (1993). Kevlar Aramid Fiber. John Wiley & Sons. ISBN: 978-0471189208.

 6. 钛铝金属间化合物（γ-TiAl）  

密度: 3.9–4.2 g/cm³ ，屈服强度: 450–800 MPa ，比强度: 110–205 kN·m/kg 。 

结构特征:

- γ相（L1₀有序结构）与α₂-Ti₃Al相层状交替，片层间距0.2–1 μm。

- 添加Nb、Mo等元素稳定微观结构。

强化机制: 有序相+细片层阻碍位错运动。  

相关参考文献:  M Oehring，JDH Paul，F Appel. (2011). Gamma Titanium Aluminide Alloys: Science and Technology. Wiley-VCH. ISBN: 978-3527326102.

 7. 高强中熵合金（High-Entropy Alloys, e.g., CrCoNi）  

密度: 8.0–8.5 g/cm³ ，屈服强度: 1.0–1.5 GPa ，比强度: 120–180 kN·m/kg 。

结构特征:

- 等原子比多主元固溶体（FCC结构），晶格畸变能高。

- 纳米级层错+变形孪晶协同强化。

强化机制: 晶格畸变+位错相互作用。  

Kumar, P., Huang, S., Cook, D.H. et al. A strong fracture-resistant high-entropy alloy with nano-bridged honeycomb microstructure intrinsically toughened by 3D-printing. Nat Commun 15, 841 (2024)

 8. 纳米纤维素纸（Nanocellulose Paper）  

密度: 1.0–1.2 g/cm³ ，拉伸强度: 0.3–1.0 GPa ，比强度: 250–830 kN·m/kg 。 

结构特征:

- 纤维素纳米纤丝（CNF）氢键网络，纤丝直径5–20 nm，长径比>100。

- 真空抽滤形成高度取向层状结构。

强化机制: 纳米纤丝高模量+界面氢键作用。 

相关参考文献:  Zhu,H.#; Luo, W.#; Ciesielski, P.; Fang, Z.; Zhu, J.; Henriksson, G.; Himmel, M.; Hu, L.*, Wood-derived materials for green electronics, biological devices, and energy applications. Chemical Reviews 2016. 

 9. 碳-碳复合材料（C/C Composites）  

密度: 1.6–1.8 g/cm³ ，弯曲强度: 200–400 MPa ，比强度: 110–250 kN·m/kg  

结构特征:

- 碳纤维骨架（PAN基/沥青基）嵌入热解碳基体，界面结合强度可控。

- 高温石墨化（>2500℃）提升结晶度。

强化机制: 纤维桥联+基体裂纹偏转。 

T Windhorst，G Blount.  Carbon-carbon composites: a summary of recent developments and applications. Materials & Design, 1997, 18, 1,11-15 

 10. 聚醚醚酮复合材料（PEEK-CF）  

密度: 1.3–1.5 g/cm³ ，拉伸强度: 200–300 MPa ，比强度: 130–230 kN·m/kg  

结构特征:

- 半结晶PEEK基体（结晶度30–40%）包裹短切碳纤维（长度>100 μm）。

- 注塑成型形成"skin-core"梯度结构。

强化机制: 纤维增强+基体韧性协同。