不管你是否注意过,玻璃钢在我们的生活中已经非常普遍了。它的名字确实很讨巧:“玻璃”并不是它的主体成分,而“钢”跟它更是一毛钱关系都没有,唯一的作用……大概是让它听起来很结实。
“玻璃钢”这个称呼可能有点拗口,但“塑料”这个词大家一定非常熟悉。“塑料”是一大类物质的统称,基本都是由很多个有机的小分子,“手拉手”连在一起形成的高分子。毫不夸张地说,如果明天所有塑料都消失了,人类的生活就会瞬间崩溃——环顾四周,包括你手里的手机外壳,有多少东西是含有塑料部件、外壳的呢?
虽然塑料常常和“不环保”联系在一起,但公允地说,塑料的确是一种伟大的发明。与金属相比,它的密度小(质量轻),隔热、绝缘性能都很好,不会生锈,也不怕风吹雨打,不需要涂油漆;更重要的是,人类能够轻易将它们熔化,然后挤压到模具里,做成各种便于使用的形状,不需要像金属那样依靠各种机床加工……最重要的是,塑料的成本比金属制品低得多。
然而,塑料也有它天然的缺陷,那就是韧性和强度不够。我们可以轻松把一团橡皮泥压扁、搓圆,却很难把一个玻璃珠捏扁;折断一根牙签很容易,但折断一根同等粗细的铁丝却很难,这就是强度和韧性上的差异。在这两方面上,塑料都没法和金属相比。谁也不会喜欢一坐就塌的椅子,或者一踩就裂的小船吧?
对于塑料“骨气不足”的问题,在上世纪三十年代,人类终于找到了解决办法:给塑料加上“筋骨”。具体而言,就是把一些硬度、韧性都很强的材料,均匀包裹在塑料里头,充当塑料的“骨骼”,为塑料提供强度支撑,你可以想象成钢筋混凝土,或者鱼肉和鱼骨头的关系。
那么,用什么材料来支撑塑料呢?一个很好用的答案,就是玻璃。尽管玻璃很脆,易碎,但它的硬度却相当的大(比普通的钢还要大),很适合用做塑料的“骨头”。不过,如果真的把一根玻璃棒,或者一个玻璃片放进塑料里,做成类似“脆脆鲨”的样子,不但塑料和玻璃之间的结合很差,对于材料的性能也没啥改善,塑料依然很软,里头包着的玻璃也很容易断裂,算是吃力不讨好了。
相反,如果把玻璃先拉成比头发丝还要纤细的细丝,再像织布一样横竖交叉的编织起来,它的柔韧性就会强大很多。把这种纤薄的“玻璃布”添加到塑料里,材料整体的硬度和强度都会魔幻般上升很多倍。这,就是现代工业中的明星产品——玻璃钢。它保留了塑料重量轻、抗腐蚀、易加工的优点,又有了近似钢铁的强度和硬度。
鉴于玻璃钢材料的上述优点,它很快在制造业中大放异彩。
一般来说,只要强度要求不是非常高的领域,都可以考虑用玻璃钢代替真正的钢铁。比如,我们印象中的船舶,要么是木头做的,要么就是钢铁做的。然而,从上世纪末开始,很多国家就已经尝试使用玻璃钢来制造船壳,用作近海作业的渔船。与钢铁船体相比,这种船舶自重轻、寿命长、耐腐蚀,所以航行速度快、耗油少,也无需每年保养刷漆(对于船主而言,这可不是一笔小钱),抗风浪能力甚至比钢铁船舶还好。
很多公园里的游船,也会选择用玻璃钢制成各种形状可爱的外壳,原理类似。
当然,玻璃钢只是“纤维增强塑料”( Fibre-reinforced plastic,FRP)中的一种,FRP家族中还有比它更强悍的材料——碳纤维和芳纶增强的塑料。碳纤维加强的FRP材料,它的硬度、韧性足以和钢铁媲美,重量却不到钢铁的一半,非常适合用来制造缆绳,也有不少运动产品(自行车、羽毛球球拍)甚至飞机零件都使用了碳纤维。
它重量轻、韧性好、耐腐蚀,唯一的缺点是价格依然较高,暂时还无法普及。而芳纶增强的塑料,有一个更响亮的名字:凯夫拉(Kevlar)。它被广泛地用来制造防弹背心和头盔,可以有效抵御飞来的弹头和破片,又比钢盔、钢板甲轻便、柔软得多;甚至有些坦克、装甲车辆,都会用它来制造一个内衬层,在装甲被击碎的情况下,尽可能减少对乘员的伤害,算是工程学上的强度极致了。