《材料与社会》铠甲和防弹衣

1.3 世贸大厦坍塌的材料学追思世贸大楼简况：纽约世界贸易中心大楼位于曼哈顿闹市区南端，雄踞纽约海港旁，是美国纽约市楼层最多的摩天大楼。

它由纽约和新泽西州港务局集资兴建，原籍日本的总建筑师山崎实负责设计。

大楼于1966年开工，历时7年，1973年竣工以后，以110层、411m的高度作为摩天巨人而载入史册。

它是由5幢建筑物组成的综合体，其主楼呈双塔形，塔柱边宽63.5m。

大楼采用钢架结构，用钢7.8万吨，楼的外围有密置的钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成，有“世界之窗”之称。

塔楼坍塌的原因：波音飞机为什么能够撞倒像世贸中心塔楼这样坚固的庞然大物?据当时世界最权威的科技杂志之一的《科学》杂志报道：专家们相信，塔楼坍塌的首要原因是:飞机上约有3万公升的油料爆炸后，在局部形成了1000 ℃以上的高温以及引燃了某些可燃的建筑材料及楼内可燃物质。

需知几乎任何材料一旦在较高温度时其强度都会迅速降低：如从室温上升到600℃，45钢的抗拉强度下降一半(从调质或正火态的约800MPa降至400MPa)；铝合金在400 ℃时的强度仅为室温时强度的10%不到。

按照当初的设计，如果是在20世纪70年代，世贸中心塔楼是能够经受住那时的飞机撞击的。

这一方面由于塔楼简直就是钢铁巨人，其钢架结构外围的密置钢柱的柱与柱之间的距离(即窗户宽)仅0.5m宽；另一方面，其钢梁钢柱表面涂有耐火材料。

世贸中心的设计者曾为了比喻大楼的坚固，说：“如果有一架波音707以每小时180英里(1英里＝1.61km)的速度飞向大楼，只有它撞击到的7层会被损坏，其余的部分仍然会站在那里，整个大楼也不会塌”。

每小时180英里是纽约允许空间飞行物飞过城市的最高速度。

但是这个美籍日本人如果还活着也难以料想，真会有人驾着飞机冲向他引以自豪的空间控制感极美的双塔。

事实上，纽约人看到的是一架波音767飞机，速度是每小时400-500英里，并在距离大楼不远的地方开始加速。

所以问题在于，现在的飞机越来越大．专家指出，对于如今喷气式飞机燃料所引发的大火，绝大多数建筑物内的灭火装置根本不起作用，而支撑塔楼的钢梁钢柱经过600 ℃以上的持续烘烤，必然发生严重软化，原有的强度几乎丧失殆尽。

防弹衣材料防弹衣是一种能够保护人身安全的重要装备，也是现代军事、警察、特种部队等专业人员必备的防护装备之一。

防弹衣的最主要功能就是能够抵御弹片、子弹等来自各个方向的攻击，保护使用者免受伤害。

防弹衣的材料一般采用高性能的纤维材料。

比较常见的防弹衣材料包括凯夫拉、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、陶瓷、钛合金等。

凯夫拉是一种具有极高强度和韧性的合成纤维材料，由于它的独特结构和性质，在防弹衣中有着广泛的应用。

凯夫拉纤维的强度是钢材的5倍，而密度仅为钢材的1/3。

凯夫拉纤维能够有效地分散和吸收弹片或子弹的撞击能量，从而避免伤害的发生。

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种具有极高强度和抗冲击性能的聚合物材料，被广泛应用于防弹衣材料的制造中。

UHMWPE纤维比凯夫拉纤维更轻，而且耐化学腐蚀性能更好。

它的强度比钢材还要高，同时具有较好的柔韧性和耐磨性能，能够有效地抵抗弹片或子弹的撞击。

陶瓷是一种常见的防弹衣材料，由于其硬度和脆性，可以有效地承受弹片或子弹的撞击。

陶瓷材料常常与纤维材料相结合，通过层压或插板的方式使用。

纤维材料能够有效地吸收和分散撞击能量，而陶瓷材料则起到了抵挡和阻止弹片或子弹穿透的作用。

钛合金因为其较低的密度和良好的强度也常用于制造防弹衣。

钛合金的强度比钢材高，同时又相对较轻，能够提供较好的防弹性能。

然而，由于钛合金的成本较高且加工难度较大，所以在实际应用中并不常见。

综上所述，防弹衣材料主要采用凯夫拉、超高分子量聚乙烯、陶瓷和钛合金等材料。

这些材料都具有较高的强度和抗冲击性能，在防护人员免受弹片、子弹等攻击时发挥了重要作用。

随着材料科学和技术的不断发展，防弹衣材料的性能将会不断提升，为使用者提供更有效的保护。

2.4 带翼的金属——铝及其合金和铜、铁相比，铝是年轻得多的金属。

但是，铝在地壳中的蕴储量极大，分布极广。

地壳中铁占4.7％，而铝占7.5％，比地壳中所有有色金属的总和还要多。

人类之所以与铝打交道的时间较短，主要原因是金属铝必须由铝的氧化物通过电解法来获取。

随着发电事业的飞快进步，电冶铝迅速发展，使铝在所有金属材料中的比重也逐渐增加。

铝的密度小、重量轻、比强度(抗拉强度/密度)高、塑性好，有很好的导电和导热性，并且具有较好的耐蚀性。

在纯铝中加入其他金属或非金属元素可以制成变形铝合金和铸造铝合金，以满足不同的需求。

铝材从1919年开始被用作飞机蒙皮和其他零件，这些零件是以铝为基础、并含有铜、镁、锰等元素的铝基合金。

因此铝曾被称为“带翼的金属”。

1. 铝及铝合金的特点(1) 密度低、比强度高；铝是元素周期表中第Ⅲ族(类)主族元素，纯铝的密度小（ρ=2.72g/cm3），大约是铁的1/3，所以铝合金密度也比较小；铝的熔点低，为660℃，随着杂质含量的增加，熔点降低。

纯铝的沸点为2467℃，含有杂质时，沸点下降；纯铝的强度很低，退火状态σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。

铝合金比强度高（通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。

添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb值可达24～60kgf/mm2。

这样使得其“比强度”（强度与比重的比值σb/ρ）），远比灰铸铁、铜合金和球墨铸铁高，仅次于镁合金、钛合金和高合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。

采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。

(2) 优良的物理、化学性能。

导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。

铝的导电性和导热性均很好，其导电性仅次于银和铜，居第三位。

4.5 蜘蛛丝里有学问你听说过用一小束细丝就能把小型飞机吊起来的事吗?这种丝就是我们许多人都看见过的蜘蛛丝。

曾经有人做过试验，发现扯断蜘蛛丝所需的力，比扯断同样粗细的钢丝所需的力足足大上100倍。

通过对蜘蛛丝研究，还发现蜘蛛丝在目前已知的所有的高强度纤维里，是最柔软的，重量也最轻。

蜘蛛丝是由蛋白质分子构成的，因此，它和人体有生物的亲和性，可被微生物所分解，也有一定的吸湿性能，用它做的防弹衣将是世界上最坚固而又最轻柔、最舒适的防弹衣了。

据英国《每日邮报》报道，坚韧如钢、交错如织的蛛网无疑是大自然的神奇造物，富有弹性的蛛网甚至能抵御飓风的侵袭。

日前，美国的科学家们正试图揭示蛛网的奥秘，希望能将其用于未来的建筑设计或耐用材料的研发。

美国麻省理工学院的研究人员表示，蛛网的成功之处在于：即使有多根蛛丝断掉，蛛网也不会垮掉，甚至会变得更牢固。

实验中，研究人员在蛛网各处去掉了总计10%的蛛丝，蛛网的韧性不单没因此而降低，却反而增强了10%。

研究人员发现，这种韧性不单是源自每根蛛丝在质地上的强度，也同时源自蛛丝的内部结构。

蛛丝纤维能够根据所承受压力的不同而变化柔韧程度，这种特性是其他任何自然纤维或人造纤维所不具有的。

科学家们已经证明，蛛丝的强度是等质量钢丝的5倍。

实验表明，蛛网的韧性是其他网格的6倍有余。

工程师可以将蜘蛛丝的构造原理应用到其它方面。

蜘蛛丝在受到破坏时只受很小的损坏、而不影响整个结构这一特性可以应用于设计虚拟网络，如互联网，在遭受攻击期间只有本地节点被破坏，而整个系统可继续运行。

了解其微观的蛋白质结构和其宏观性质，可能有助于将碳纳米管串在一起，可能有一天会用于生产太空电梯。

蜘蛛丝具有广泛的用途：这是用蜘蛛丝做成小的提琴琴弦。

在医学领域，这种精细的蜘蛛丝是外科医生手术时是理想的缝合线，和医用尼龙线相比，这种蜘蛛丝既有尼龙线的灵活和结实，而且还有可以打结的优点。

此外，它还可以用来制作人造肌腱或合成韧带。