綿を混ぜた氷はハンマーでも割れない？これは本当ですか？

冬が近づき、だんだんと気温が下がり、至る所に氷が張る日が近づいてきました。

氷といえば、凍ったばかりの美しい氷の表面を見た経験のある友人も多いと思います。突然、それを壊したいという衝動に駆られました。

氷の厚さを間違えるとこうなります（GIF は SOOGIF から）

しかし、「どれだけ強く叩いても割れない」氷もあります。それに関する伝説は何年もの間インターネット上で広まっています。第二次世界大戦中のイギリス海軍も同様の材料を使用するというアイデアを持っていました。

はい、この白い氷です。

この材料の背後には、材料科学では非常に一般的な構造強化技術の知識があります。

今日は、この「混ぜ物アイス」に関するいくつかの物語と関連する知識を皆さんと共有しましょう！

綿を混ぜた氷は割れないというのは本当ですか？

インターネット上では、普通の氷は硬いが、十分な力を加えると必ず割れるという話が広まっています。しかし、凍る前に水に綿を入れると、氷は鉄筋コンクリートのようになり、どうやっても割れなくなります。

それで、これは本当にそうなのでしょうか?今日はここで何が起こっているのかを科学的な観点から分析してみましょう。

まず、日常生活でよく見かける普通の水氷を研究対象とします。氷は、温度が十分に低い場合にはある程度の構造的強度を持つ硬い物質です。中国気象局のデータによると、氷の引張強度は約1.2〜1.5Mpa 、圧縮強度は3.5〜4.5Mpaです。引張強度よりも圧縮強度の方が強い脆い材料であることがわかります。

私たちの生活によくあるガラスを例に挙げると、脆性材料の特徴は、比較的硬いものの、外部からの応力衝撃を受けると、局所的な変形が引張強度を簡単に超えてしまい、破壊されてしまうことです。

ある程度の柔軟性はあるが、それほどではない（GIF from SOOGIF）

さて、振り返ってみましょう。一般的な素材である綿は、基本的に圧縮抵抗はありませんが、引張強度はかなり強いです。綿玉は、切れることなく非常に長い綿糸に引き伸ばすことができます。この場合、綿と氷の特性は互いに補完し合うことができるのでしょうか?

氷に綿を加えることは、材料科学における繊維強化複合材料の一種です。綿入り氷が外力の衝撃を受けると、綿で構成されたメッシュ構造が繊維に沿って応力を効果的に伝達し、局所的な変形の振幅を減らして氷の破損を防ぎます。

さらに、氷に亀裂が生じた場合、綿繊維は骨格として機能し、亀裂の拡大を防ぎ、それによって氷の靭性を高めることもできます。逆に、綿が入っていない氷に同じ力をかけると、このメッシュ構造によるサポートが不足するため、ひび割れや破損が起きやすくなります。

しかし、ほとんどのネットユーザーはテスト時に氷と綿の比率を明確に示さなかったため、ここでこの素材の強度について議論することは困難です。幸いなことに、歴史上、非常によく似た材料を使用したクレイジーな計画があり、そこから、繊維骨格が材料の性能をどの程度向上させることができるかも大まかに理解することができます。

チャーチルもそうしました！

第二次世界大戦のイギリスの氷空母計画！

氷を使って船を建造するというアイデアは 1930 年代に人気となり、北大西洋の寒冷な気候は氷船の存在に現実的な条件を提供しました。しかし、前述したように、氷の引張特性が悪いため、氷で作られた船の全体的な信頼性は絶望的なレベルにあります。

しかし、材料科学の進歩により、アメリカの科学者ヘルマン・マークとウォルター・ホーンスタインは、おがくずを14%水に混ぜて凍らせると、氷の引張強度が大幅に向上することを発見しました。適切な温度では、圧縮強度は7.584Mpaに達し、引張強度は4.826Mpaに達します。

ピケライトの原材料と完成品

この物質はPykreteと名付けられました。密度は普通の氷とあまり変わりませんが、加工性が良く、熱伝導率が非常に低く、コストが低く、構造強度は当時のコンクリートに迫るほどでした。

パイライトの優れた性能により、1942年、ナチスドイツの無制限潜水艦作戦にイギリスが包囲され窮地に陥っていたとき、マウントバッテン将軍と当時のイギリス首相チャーチルは、この素材で軍艦を建造する計画を提案しました。この計画の目的は、ハバククという名の超氷上航空母艦を建造することだった。

設計上、ハバクク号の全長は 610 メートルでしたが、記録によっては 1,200 メートルあったとも言われています。総重量は220万トン、エンジンは26基、最高速度は7ノットであった。戦闘機200機と爆撃機100機を搭載可能。現代のニミッツ級航空母艦でさえその大きさの 1/4 以下であり、まさに戦争の巨獣である。

計画中の航空母艦は信じられないほど巨大だ

1943 年 5 月、技術者たちはカナダのパトリシア湖にパイレックスを使用して長さ 20 メートルの実験モデルを構築しました。さまざまな断熱対策のおかげで、この大きな白い（それほど白くはないかもしれませんが）氷の塊は、夏の間ずっと問題なく過ごしました。

これはチャーチルに大きな励みを与えた。 1943年8月の英米合同作戦会議で、マウントバッテン将軍は氷空母計画を積極的に推進した。

非公式の記録によると、犯人は会議室に同じ大きさの氷とピケレットを並べて置き、警告なしに2つの氷のそれぞれに発砲したという。普通の氷は予想通り砕け散ったが、ピケレットは実際に弾丸を逸らしたため、南軍の上級将校が集まった会議室でピストルの弾丸が飛び交い、その場にいたアメリカ海軍のアーネスト・キング提督が危うく負傷するところだった。

ピクレットのショットショット

幸いなことに、その場にいた歴戦の将軍たちはこの事件に動揺することはなかった。同盟国の指導者たちはこの資材の優れた性能に驚き、ハバククの建設が正式に議題に上がった。

しかし、その後の一連のテストで、技術者らはパークライトが氷点下15度以下でしか硬くならないことを発見したが、航空母艦の26基のエンジンが運航中に放出する廃熱は氷の塊全体を溶かすのに十分だった。そのため、空母内にさらに 16 基の製氷装置を設置して初めて、温度をかろうじて安定させることができました。

また、航空母艦全体が氷でできているため、通常の防水設計が全く効かず、魚雷攻撃を受けた場合、客室内は非常に危険となります。この問題を解決するために、ハバクク号の隔壁の厚さはなんと40フィート（約12メートル）に達し、ドイツ軍の魚雷の爆発にも物理的に損傷なく耐えられるほどの厚さになりました。これにより、すでに大型の航空母艦の設計がさらに大型化し、全体的な設計の大型化により、内部構造に新たな要件が生じます...

麺に水を追加し、麺を水に追加し、最後にボウルを交換します

そして、小麦粉と水を絶えず追加していく過程で、他の技術が進歩し、ハバククが当初解決しようとしていた問題を克服できるようになりました。結局、1943年12月にこの計画は統合参謀本部によって拒否され、この無謀な計画は終わりを迎えた。

繊維強化複合材料

「ハバクク」航空母艦プロジェクトは最終的には実現しなかったものの、このプロジェクトを通じて、繊維が複合材料の性能に与える大幅な向上を直感的に確認することができます。氷に適量のおがくずを加えるだけで、軍事利用の可能性が確実に高まります。この質的飛躍は驚くべきものです。

実際、異なる素材の長所を組み合わせて作られた複合材料は、私たちの生活の中で広く使われています。複合材料は、複合プロセスを通じて 2 つ以上の材料 (金属、セラミック、ポリマーなど) を組み合わせて作られた多相材料です。これらの材料は互いに性能を補完し、相乗効果を生み出し、複合材料の総合的な性能は単一材料よりも優れ、さまざまなニーズに対応します。

複合材料の歴史は古代にまで遡ります。古代から使われてきた稲わらや麦わらで補強した粘土と、何百年も使われてきた鉄筋コンクリートは、どちらも2つの材料の複合体で作られています。パークライトが登場したのとほぼ同時期に、ガラス繊維強化プラスチック（通称FRP ）が航空業界ですでに使用されていました。

繊維強化プラスチックを使用した最初の航空機、フェアチャイルドF-46

複合材料の中でも、繊維強化材料は最も広く使用され、使用量も最も多くなっています。比重が小さく、比強度と比弾性率が大きいのが特徴です。例えば、炭素繊維とエポキシ樹脂の複合材料は、鋼鉄とアルミニウム合金に比べて数倍の比強度と比弾性率を持っています。また、化学的安定性、摩擦低減、耐摩耗性、自己潤滑性、耐熱性、耐疲労性、耐クリープ性、ノイズ低減、電気絶縁性にも優れています。

繊維強化材料のもう一つの特性は異方性であるため、部品のさまざまな部分の強度要件に応じて繊維の配置を設計することができ、特定の高度にカスタマイズされたニーズに非常に魅力的です。

第5世代戦闘機は飛行性能を向上させるために複合材料を多用しています。写真はスホーイ設計局が製造したSu-57とAVIC成飛が製造したJ-20。

現在、繊維強化複合材料は、航空宇宙、自動車、化学工業、機械設備製造などのハイテク分野で広く使用されています。また、建築資材や特定のスポーツ用具の原材料としても使用されます。

この時点で、「複合材料は非常に強力なのに、なぜ従来の材料を完全に置き換えていないのか」と疑問に思う人もいるかもしれません。

実際、世の中のあらゆる物事には二つの側面がある。複合材料には多くの驚くべき利点がありますが、完璧ではなく、無視できない欠点もいくつかあります。

まず、複合材料の高性能には、多くの場合、高コストが伴います。高性能繊維、樹脂、セラミックなどのマトリックス材料自体のコストは低くなく、これらの材料の加工には特殊な工程や設備が必要であり、複合材料の使用コストがさらに増加します。したがって、複合材料の優れた性能にもかかわらず、一部の分野では高コストが依然として克服できない限界となっています。

第二に、複合材料のインターフェース問題も大きな課題です。複合材料では、繊維とマトリックス間の界面強度が材料の性能に直接影響します。しかし、長期使用では、特定の材料の界面が疲労損傷により徐々に破損し、全体的な性能が低下する可能性があります。さらに、複合材料の構造が複雑なため、性能予測が難しくなり、設計と適用に対する要件が高くなります。

さらに問題なのは、複合材料のリサイクルが依然として難しい問題であることだ。複合材料のリサイクルは、繊維がマトリックスに密接に結合しているため、従来の材料よりも複雑です。アスベスト繊維を含む複合材料など、一部の複合材料は適切にリサイクルされない場合、環境に有害となることもあります。これらの問題は、複合材料の持続可能な開発にとって課題となります。

しかし、あまり悲観的になる必要はありません。技術の継続的な進歩により、複合材料の多くの欠点が徐々に解決されつつあります。例えば、環境に優しい新しい樹脂、より効率的なリサイクル技術、より正確な性能予測モデルの開発は、複合材料の応用への道を開いています。複合材料は将来、より成熟し、より環境に優しく、より多くの分野で活躍するようになるだろうと信じる理由があります。

参考文献

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Pykrete

[2] 「こいつは本物のヘビー級だ！」氷で造られた怪物航空母艦「ハバクク」！【ファンの声】】 https://www.bilibili.com/video/BV1dC411p7xj

[3] 匿名第二次世界大戦中のイギリスの「氷空母」計画[J]。サイエンスグランドビューガーデン、2012、（05）：40-41

[4] 石木氷上空母建造中止物語[J]ビッグサイエンス（サイエンスミステリーズ）、2011年、（05）：30-32。

[5] 呉明華「氷を運ぶ船」マウントバッテンの海上妄想[j]。シー・ザ・ワールド、2010年、(08):60-61。

[6] 第二次世界大戦の幻想：氷運搬船の詳細な説明と暴露 https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404231996204304322

[7]https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%8D%E5%90%88%E6%9D%90%E6%96%99

[8]https://en.wikipedia.org/wiki/Fibre-reinforced_プラスチック

[9]https://en.wikipedia.org/wiki/カーボンファイバー強化ポリマー

企画・制作

出典: 中国科学院物理研究所 (id: cas-iop)