如何評價華人科學家用簡單的兩步處理，就製造出「比鋼鐵還強的木頭」？

被各位大神批評了嗚嗚嗚~ 改成強度了啦

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Stronger Than Steel, Able to Stop a Speeding Bullet--Its Super Wood!

Processing bulk natural wood into a high-performance structural material

先用氫氧化鈉和亞硫酸煮，然後加壓並逐漸升溫。這就能使木頭的抗壓能力提升 50 倍，抗彎曲能力提升 20 倍，抗拉能力提升 10 倍。

木頭經過簡單的兩部處理，強度就可以變得比鋼鐵還高。

這項技術能使木頭成為低成本的高強度材料嗎？

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我做金屬材料。別的不說，就說這個比鋼還硬這個噱頭。

以點帶面，說下媒體語不驚人死不休的自己找存在感的精神，以及科學家擺弄數據編故事的常見行為。

標題中兩個鏈接，第一個是科學美國人旗下Sid Perkins寫的一個report，其後是nature的原文。

其實NC類期刊自己系統內有專門有人寫學術型的report，體系大嘛，自己專門養了評論家對期刊內重大的發現寫個小短評，當小廣告用。

但這次不是，這次科普至上的Scientific American搞的一個第三方廣告。科普的就有點兒過了。

科學嘛，沒什麼意思，但架不住有人會講故事啊。

科學嘛，沒什麼意思，但架不住有人會講故事啊。

科學嘛，沒什麼意思，但架不住有人會講故事啊。

科學嘛，沒什麼意思，但架不住有人會講故事啊。

科學嘛，沒什麼意思，但架不住有人會講故事啊。

科學嘛，沒什麼意思，但架不住有人會講故事啊。

這篇文章放到專業期刊，沒什麼意思。但經Sid同志一講，立馬有了水變油的效果。想想滿世界自然生長鋼鐵的圖景，真以為人類找到了培育怪獸星球上的鋼鐵植物的秘方了啊你。

回到這篇報道和這個問題的標題，這個故事點在哪兒呢？

1、stronger than steel，注意，人家的原話不是比鐵更硬，是比鋼更強。（向著法西斯蒂開火，讓一切不民主的……）

所以，請題主注意，標題黨如果是個病，你是這個系列的第三個病號兒。

2、往回找，找到第二個病號兒，Sid同學的這個報道。

這個句子雖然有can，hedging一次，但還真有比鋼還強這個說法。

3、好，那以我一個做金屬材料的，有基本常識的學生身份繼續往上找病源原——宋同學。

好一個對比！

不和木頭比，沒意思，顯然不能配得上我NS的高大上，比就比你鋼鐵，還有那誰，鈦合金，做F22不是很牛逼嗎，也得把她比下去。

其實真看他數據，普通木頭跟鋼鐵也沒差多少啊，你這費心的提高也就三四倍而已啊。裝什麼大瓣兒蒜。

但還是那句話，和木頭比就沒故事性了啊。誰會知道普通木頭有多大的比強度，鋼鐵，哎嘿，這大家就知道了，特別是弄個子彈什麼的給他擋住。這牛才能吹的起來。

不過，這也只是從我一個做金屬材料的人和他們這種找上門來踢館的人鬥嘴而已。

真正論理，人家沒毛病（雖然我們根本就不屑他一顧），頂多也就是數據運用的嫻熟而已。人家說的是specific Strength，不是純強度，是先得除一下密度。這除密度操作立馬讓鋼鐵吃大虧了，鋼鐵8，而絕大多數木頭小於1.0。

真要玩兒比強度，木頭你還是太菜。

波音公司金屬材料「微格金屬 (microlattice)」的結構如何實現極致輕且堅固強韌？

波音公司金屬材料「微格金屬 (microlattice)」的結構如何實現極致輕且堅固強韌？?

www.zhihu.com

4、從原著中的比強度，到Sid同學的Strength（stronger），再到本問題標題同學的硬度。一場華麗的演出。

不出意外，明後天就有微博頭條之類的，「震驚，人類可以擺脫金屬材料，無限再生純原生態生活不再是夢想」的標題已然不遠。

結合上前一段時間「松木抗張力為鋼鐵的 3 倍、砼的 25 倍、大理石的 50 倍，抗壓力為大理石的 4 倍」的驚人發現，木頭未來做火箭發動機也必將實現。

不得不感嘆，隨著科學的發展，智商稅將會是GDP的最大貢獻者。

————————————科普/答疑/繼續吐槽專用線——————————————

@Luyao Zou

看了一下了論文，好像強化後的木頭密度提了5倍的，那和鋼材的密度沒有很大差別。你說比強度要除以密度，在這種情況下好像鋼材並不太吃虧啊

嗯，建議大家也要如上，看完論文，點贊的同時提出問題和疑惑，以便更清楚的理解各方情緒。

1、回答疑問

論文中的絕對強度給的是500-600MPa；Specific Strength給的是451MPa

那，壓縮後的密度就是1.1-1.3。比鋼鐵8，相差還是懸殊的，鋼鐵是吃虧的。

（細節：而壓縮比是5沒錯，但不代表密度增加5倍，木頭會有寬展和伸長，其比強度數據那塊兒可以推出密度增加了不到4倍，說這個，僅代表咱進入學術討論模式）

2、繼續較真兒

注意這個曲線。木頭應變到1.2%斷裂，且斷裂前一直發生持續的塑性變形和硬化。

這是鋼的。材料看強度，我們要注意的不只是MPa前面的數字，而是依照重要程度從重要到次要，看材料的屈服強度，伸長率，抗拉強度。

這裡我說兩個事兒：

（1）屈服強度

屈服，一般定義為不能發生明顯的塑性變形。所以圖中的鋼屈服大概就是曲線拐彎兒處。這個數據意味著用這個材料做的東西，不會像橡皮筋兒一樣，沒有剛度。

如果按照常規金屬材料的屈服定義，0.2%塑性變形即為屈服，你可以認為這個壓縮木頭屈服只有不到100MPa。比強度立馬降低為原來的六分之一。絕對強度也就塑料的程度。

注意，木頭這種東西，和碳纖維二維編製材料一樣，單根纖維拉伸長度高，做成塊體，壓縮或拉伸時發生的都是塑性變形，卸載後幾乎沒有回彈。本文中的木頭我不知道會不會屬於彈性變形，但如果和常規木頭一樣的彈性物理屬性，那屈服就可以用0.2%判定和鋼鐵做對比。這裡可不是我故意先找你木頭的短處，是你先找上門來的。我只是按照你按照你的比法兒來，我按照我的比法兒來。而已。

（2）伸長率

1.2%的斷裂伸長率，這水平在金屬結構材料中就是渣渣。一定是製備不合格，回爐另造或者直接扔了得了，省的浪費後面的能源。

3、繼續吐槽

我且不說這技術能不能做大規模生產（你給我做個2000mm*10000mm*20mm的板子來試試，做個凳子墊兒的話，強度1GPa有啥用，啥，做防彈衣？不說別的，我弄個AZ91複合薄板防彈衣，密度，是，比你高一倍，但價格比你低，技術比你簡單，韌性是你6-10倍，誰讓你伸長率那麼渣）

最終Specific Strength高很大一部分原因是因為密度的劇變，欺負金屬不能變化密度。當然，能在不斷裂的情況下實現這點，是個好途徑。我們金屬材料比不過，我們羨慕，祝您繼續想辦法做高比強度。

但如果就這麼理直氣壯的比數據，那我就不客氣了。

既然都是非常規，我們放棄已經可以商用的，可以批量生產的金屬材料。

我們來比納米柱，晶須，甚至碳納米管兒。

有人要說了，你這不是耍流氓么，不是同一個東西能放一塊兒比么。

嗯，您的理解很有道理。給您點贊。

這裡不能這麼比，不科學；愣是拉到一起比，這叫博眼球。

這裡不能這麼比，不科學；愣是拉到一起比，這叫博眼球。

這裡不能這麼比，不科學；愣是拉到一起比，這叫博眼球。

拿一個新出爐的，不確定可行性的方案，和一個已經存在的極為有效的方案做對比，說這叫可續，恐怕連作者自己都不信。

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搞材料的就喜歡弄這種大新聞。典型案例就是各種石墨烯的「重大突破。」鬧得我每次只要回去，各種人都要問我，啥是石墨烯？其實我至今都沒研究，了解過石墨烯這一塊。然而做100個裡能有一個產業化的就算成功。

我只能告訴你，做為電子器件用的材料，硅，Silicon, 是絕對的天選之才。

手機產業的創新日新月異，但是實際上最靠譜的手機玻璃，實際上還是20世紀30年代的技術。你指望做材料的，在這裡面冒出多少可以用的創新呢？

說實話我看這些東西就像當年日本軍部里的聰明人比如石原莞爾看軍部發的那些「我們又成功的戰勝了美軍」一樣的大新聞一個感覺。下一題！

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比強度（Specific strength），跟鋼鐵比，那是撿軟柿子捏啊，比強度數據上，鋼鐵還不如很多工程塑料（其實鋼鐵材料的強度範圍也很寬，上下差出幾倍甚至十幾倍總有的）。天然木材也撿了個不到100的弱雞，木材的比強度範圍非常寬，弱的一腳即渣，強的木棉科輕木可以達到500+呢（當然主要佔便宜在夠輕）。

評價嘛……乾貨是有的，但是數據上的小「技巧」也太亮了一些，明顯有給外行看的意思。不用材料專業，我這個工程呆就看不下去……

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我不是學材料的，但是現在以木結構設計為主。下面分幾點來非專業的評論一下這篇報告。但不管怎麼說，不能否認這種木材加工技術是一種技術進步，今後也可能是很優秀加工處理方法，我所做的就是從設計方面來說一下材料性能，期望能給大家做一點基本的科普。避免大家進入 @Jason Wayne 所說的「科學嘛，沒什麼意思，但架不住有人會講故事啊。」的噱頭模式，哈哈。

1. 其他形式的人工加密或加強木材

這種技術可能在材料學是一項的突破。但這應該不算木材人工加工方法的首創。其實現在多種人工加強的木材早已經在傢具和建築上應用，比如glue partial board膠合粒子板，

大量的用作傢具隔板和木結構建築的樓板。強度更高的還有膠合層板（plywood），就是平時大家稱的3層板，5層板之類的。其實在這篇論文里，XYXYX五層板在子彈耗能測試中就優於這種新型壓縮板。

而膠合的Laminated 以及Laminated veneer木材已經在建築中廣泛使用，高強度的LVL能達到14GPa設計彈性模量，40MPa的設計抗彎強度，將近3倍於普通松木。當然，之所以說這項技術是進步，因為粗略從這篇報告的圖表來看，這種新型壓縮板材可以達到250MPa屈服抗彎強度，已經相當於建築用的低強度高碳鋼。

2. 強度有很多種

舉個簡單的例子，就是很多人以為鑽石是最硬物質，可以加工各類受力構件，但是已經有材料學專家說明其實金剛石的韌性很低，抗彎性能不佳。

簡單來說，材料強度分為抗壓強度，剪切強度，彎曲強度等等，同時很多情況下還要考慮由剛度控制的變形。從彎曲強度來說，該種木材的可用的彎曲強度以及抗壓，抗拉強度並未高過鋼材。

在報告一開始所說的422MPa平均抗拉強度，可能是居於材料變形（破壞）而言。

下面是金屬材料和這種新型壓縮木材的應力應變曲線（受拉時的內力和變形曲線）比較。

（新型木材的曲線可能未至破壞）

3. 不止要考慮強度

從上圖可以看出，鋁的屈服強度大約在250MPa，而上圖實驗圖表中這種新型木材也輕易達到了250MPa，破壞強度（此處為猜測）更是達到了報告中稱的422MPa。

但是在結構設計中，我們並不會用破壞強度作為設計強度。從上圖我們可以看出，金屬一般在達到彈性變形（曲線表現為向上斜直線）的峰值後會有一段平緩的期間，應力不變，變形加大。一般稱之為屈服後變形，這種屈服後較大的變形能力，我們稱其為「延性好「，說明材料達到設計強度後依然不會直接破壞。

相對而言，混凝土、木材等脆性材料不會有這種屈服後變形的階段，所以並不會用彈性變形的最大強度作為設計值。因為一旦使用這個強度做設計，在實際的荷載接近設計工況時，這個構件就可能會突然完蛋。也就是材料延性差，安全餘量不足，破壞突然發生。這在設計中正好是要避免的，因此，木結構往往需要搭配合理的鋼材（金屬）連接件，同時設計時減小木材的可用設計強度，讓延性更好的連接件先於木材本身破壞。

如果大家還是不明白上面講的，可以想像一下一段鐵皮和一塊玻璃。對其用力時，鐵皮容易彎曲但不會破壞，但是玻璃易碎。（當然這個比喻並不恰當，但是比較直觀）

其他還有方向性問題，一般鋼材為各向勻質材料，而木材卻根據紋理方向有很大變化，比如下圖是該種木材在垂直木紋方向時受拉的應力應變曲線，拉應力只有40MPa，僅有縱向的1/8.

至於文中那個平均密度的強度比較，基本沒有很大參考價值，拋開截面形狀和受力工況說強度，有點流氓的感覺。更不要提材料運用的未來趨勢朝著複合，多孔，纖維化等方向發展。

4.體積和重量

報告中稱，這種新型壓縮木材壓縮量到達80%，那麼以建築上常用的45mm厚木材來說，原木的厚度需要225mm， 如果做雙向壓縮，高度要達到150mm時，原木的高度更是需要750mm。可以想像這樣的原木需求本身是不經濟的。

因為高壓縮，重量也會從普通硬木的1噸每立方變為5噸每立方左右，相比鋼材7.8噸沒有很大優勢，而鋁合金3噸每立方左右的重量卻反而在某些領域存在優勢。

所以這種新技術在結構的實用性上可能會朝著板材，或是壓縮後再膠合的方向發展，實際運用會有一些限制。

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看了一下，大概的意思就是把木頭裡的木纖維變密並用氫鍵相連形成高纖維體積含量的複合材料。和其它複合材料相同，並不能直接用於代替金屬材料，需經過等剛度替換和強度校核。考慮到此自然纖維增強複合材料的增強體是互相之間有氫鍵連接的纖維束，成型性基本沒有，並不能替代玻璃纖維進行複雜結構的成型。從處理方式上看，成本也不會比鋼更低。這項技術在古代就有雛形，就是紙甲的製造，我沒看出現代有什麼實際作用。

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