本文作者：孙 亚飞

快速替代合金的新材料

在第一篇中，我们曾经提起塑料引发了一场材料革命，替代原有材料的速度让人叹为观止。究竟是怎样的发展势头，我们感受一下。

如果有人问哪些材料产量最大，那么水泥、钢材、木材一定是容易被想到的。没错，目前全球每年水泥的总产量超过30亿吨，钢材也超过10亿吨，近一半的产量均出自于中国；木材全球总产量大约15亿立方米，折合质量大约也有10亿吨。除了这三种材料以外，再没有任何一种材料的总产量可以达到10亿吨级别，再往后数就要说到纸张和塑料了。

目前全球塑料的总产量超过3亿吨，比起纸张的4亿吨略有不足。如果按照体积来计算，由于钢材的密度平均是塑料的5-8倍，铝材也是塑料的2-3倍，实际上塑料的体积产量比钢材和铝材总和还要大。

材料是科技发展的象征，每一个时代都会因为当时所使用的材料而留下特别的印记，所以考古学上有旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等几个阶段。很多考古学家建议还要在新石器时代的同时覆盖陶器时代（两个时代重合度较高，陶器时代略晚）。然而，对于我们目前的定位则有很多说法，相比于“硅时代”只能代表一个行业，用“合金时代”这个词或许更可以概括当下的材料特征。

钢材与铝合金是我们这个时代的典型材料，其他的诸如飞机使用的镁合金、精密机械使用的钛合金、造币使用的镍合金也在生活中备受重视，半导体等电子构件也离不开一些特殊的合金，通常要用硅、砷等非金属与镓、锗等金属掺杂（本质上很多并不是合金材料而是具有特定原子比的化合物或半合金，为表述方便本文均以合金来归类）。但来自塑料的挑战使得合金时代严重缩水，远不像其他时代的漫漫千年。从总量上来说，我们所处的时代已经处在从合金时代向复合材料时代迈入的阶段。

随着中国等经济体基础建设的节奏放缓，全球钢材和铝材的增长趋势将初步放缓。目前全球钢材的平均年增长率约4%，铝材为6%左右，而塑料则在8%左右，未来它们之间增长的差距还将继续拉开。更要命的问题是，传统上认为必须要使用合金的领域正在被塑料逐个击破。

“以塑代钢”被认为是目前的一种趋势，实际上这样的过程也正在进行之中。在很多人眼中，汽车与钢材是密不可分的两个行业，因为造汽车需要大量的各类钢材。然而，近些年来，汽车里钢材的成分越来越少，除了有些部位被铝合金替代以外，大多数是被替换成了塑料。全球汽车平均的塑料占比大约达到重量的10%，考虑到密度的差异，从体积上看，塑料占比则在1/4到1/3之间，分布在发动机、外壳最外层、底盘以外的各种位置。这样的替代还没有结束，几年前全塑概念车就已经出现，未来有一天跑在大街上可能也会实现——问题是，塑料真的能够胜任吗？

看过2013年大热日剧《半泽直树》的观众或许会对其中主角父亲半泽社长开的树脂螺丝厂有点印象，其主要产品就是高强度树脂螺丝，重量仅仅1克承重却高达1470牛顿，这是任何钢材也无法实现的性能，故而被半泽社长认为可以“支撑起整个日本”，而这段故事的背景设定在1987年，27年前。电视剧里的情节固然不能反证科技的力量，但却能反映高强度塑料已经渗透到艺术作品，并且用来象征日本的制造业，足可见其影响力。在真实的世界中，聚酰亚胺实现上述性能就跟玩儿一样，丝毫不是问题。

所以在包括汽车在内的传统金属制造业，以塑代钢只不过是时间问题。塑料目前还没有彻底攻破金属的防线，并不是性能上的缺陷，恰恰是由于高强高韧塑料成本过高造成，这或许出乎很多人的意料。如果这一点不足以采信，那么只需要对比飞机的参数就可以看出端倪。飞机对重量的要求更为苛刻，并且飞机制造业的成本压力较小，所以现代飞机中塑料重量占比已经达到40%，波音787更是将这个数字提升到了50%，远远超过了汽车业。需要特别说明的一点，在飞机行业中，塑料替代的是蕴含更高技术含量的镁合金与钛合金。

波音787所用材料的比例，以碳纤维为代表的复合材料已占到总重的一半

撇开这些常规的合金不说，特殊的合金材料如半导体合金就高枕无忧吗？现在看来，以硅为代表的半导体材料也不是那么稳固。LED（发光二极管）是现在很热门的工业吧，但OLED（有机发光二极管）已是虎视眈眈，眼下只要延长更久的使用寿命并扩大产能，那些生产镓、铟、锗的老板们估计脸色就会变得很难看了。就说硅晶体管这么耀眼的产业吧，新型的OTFT（有机薄膜晶体管）的出现也使得这个行业变得不是那么坚不可摧，不过也是与OLED同样的问题，OTFT的大规模使用需要解决使用寿命与工业化的问题，使得硅材料目前仍然还可以暂时守住阵地。

伸向木材和纸张的“魔爪”

木材与石材不同，从来没有成为时代的象征，但却一直非常稳定地在各个时代中把握着特定行业，主要是建筑、家具和家装。纸张是木材的延伸品，自蔡伦公公发明之后，其应用也是非常稳定，主要是印刷品与软包装。凭良心说，木材和纸张是不应该被塑料替代的，因为塑料来源于石油，是不可再生资源，而木材却可以再生，这样的替代本质上是逆潮流的。

但问题也不是这么单纯，由于目前木材开采的力度过大超过了生长速度，各国都开始着力于保护树木资源，而科学家们又坚信用不了多久就一定能开发出新的技术采用生物质生产石油，这样石油也变成可再生资源了。于是，形势发生了逆转，与“以塑代钢”相对应的是，“以塑代木”也成为了一种新的趋势。

塑料替代木材基本是等体积替代，所以宏观上看，并不像替代合金那么迅速，而是呈一种步步推进的态势，我们的生活也就出现了如下景观：

实木地板很时尚但就是贵，没关系，用PVC塑料替代；

实木椅子很重也很贵，没关系，都用PC之类的塑料替代；

汽车的实木内饰很漂亮但太贵了，没关系，用ABS、POM、PMMA塑料替代；

……

尽管缓慢，但人们对塑料替代木材的感受显得自然而然，终于经过这种不断的替代之后，实木材料仅限于高端的家具以及高发地震地区的建筑结构材料，更多的木材取自于速生林，加工成胶合板再使用。我们的生活与木材正在渐行渐远，以至于在我们现在的房间里，离开木制品已不可怕，离开塑料制品却不可能，很多人的房间里甚至找不到一块木头。

以塑代木的优势在于塑料的抗老化、抗虫腐能力更高

对于塑料而言，这点成功当然还不过瘾，所以对纸张这一传统材料，塑料也表现出咄咄逼人的态势。软包装行业迅速遭到袭击，由于纸张不耐水、易磨损、易撕裂等缺点，塑料软包装、纸塑复合软包装与铝塑复合软包装已成为最主流的包装，绝大多数开袋即食的食品、购物袋、礼品盒都是如此，比较纯粹的纸包装也就还剩下纸箱行业。

这还没有结束，随着印刷技术的提升，眼下塑料连印刷品也打算进军——很多国家的纸币已经换成了塑料币，比如新加坡、以色列、马来西亚等国，“钞票”和“纸币”已不再是同义词。或许有一天，在传统的书籍领域，塑料的角色也不是封面封塑这么简单。

新技术的首选材料

不仅是“以塑代钢”和“以塑代木”，实际上塑料已经侵蚀了所有现存材料应用的领域。三聚氰胺甲醛塑料可以制造餐具（名字很可怕，又是三聚氰胺又是甲醛，但其实不必担心），仿照瓷器的效果故而又被称为“仿瓷”却不容易摔坏，中国人引以为傲的瓷器沦陷；甲基丙烯酸甲酯外形酷似玻璃，于是从古至今这一透明物品的首选材料形势也非常不妙；石材虽然已不常用，但宝石却引人流连，只是不饱和聚酯的“仿玉”以及脲醛树脂的“电玉”却能以假乱真；皮革是传统材料，几千年来都不曾受到冲击，直到聚氯乙烯塑料与聚氨酯塑料的人造革出现了；至于棉麻毛丝这些，塑料的亲弟兄纤维材料也取得了重大优势，而我们知道塑料和纤维使用的很多树脂是一致的。

这些都不是塑料最值得津津乐道的地方，因为除了对存量领域的替代，塑料还完成了对增量领域的开拓。很多新技术在发展过程中，基于物理方面的技术往往走在前面，瓶颈则通常在材料方面。而对新材料的探索中，塑料往往都是首选——液晶材料就是一例。

近二十年的民用科技以电子科技发展最快，电子产品中的塑料占比程度不言而喻，为了实现产品的轻量化，塑料做出了不可磨灭的贡献。而以金属为特色的苹果手机，在2013年也颇为无奈地推出了iPhone5C，很多人说这实在太不像苹果产品了，但使用聚碳酸酯的好处绝不只是降成本这一项。

纳米技术是纯粹材料领域的新科技，在这个领域中，塑料为代表的复合材料是真正主力。这不仅是因为当塑料以纳米尺度呈现的时候，它所具有的性能与加工特点都发生了变化，还因为塑料或其他树脂可以作为连续相在纳米材料中存在，与氧化物胶粒、金属纳米材料等分散相共同发挥新的功能（连续相与分散相是专业术语，简单类比就是溶液中溶剂与溶质的概念）。

这样的例子还有很多，高铁轨道上的面漆与防水涂层，采用的是聚脲材料；高铁铁轨的承重垫，采用的是聚酯材料；高铁内部的结构件，大量采用ABS塑料；防弹衣，依赖超高分子量聚乙烯（纤维）；红外吸波领域，聚丙烯是一种重要的基底材料；3D打印领域，塑料有着比金属更明显的优势；至于说到航母，至少可以肯定舰载机对高品质塑料的需求是苛刻的……

用3D打印完成图中厚度仅0.2毫米的杯子，一台精确的打印机固然不可缺少，但材料优秀的流变与固化性能也很重要，这也是塑料的强项

总之，在新技术的发展过程中，塑料扮演的是首选材料，这恰恰如同8000年前的石器，3000年前的铜器以及1500年前的铁器那样。当这些新技术渐渐从实验室走到军用又走进民用之后，我们对于新产品由塑料构成的现象也就见怪不怪了。这篇系列到此打的两万多字，也是来源于一只塑料键盘与塑料鼠标，很少有人会去寻找其他材料诸如玻璃或金属的键鼠，这也就更说明我们未来对塑料将会有着多么强烈的依赖性。

不过也恰恰是这种依赖性，引起了很多学术界及环保人士的反思——塑料的世界里当然也有着很多不和谐的音符。