复合材料是不可思议的材料。在效能方面，无疑是最佳的材料。这种效能源于其方向性，碳纤维增强聚合物是结构复合材料的顶峰。而且它们具有强烈的方向性。但复合材料行业中存在一个工程理念，它扼杀了材料的大部分价值。——那就是“黑色铝材”。

     取一种单向碳纤维层压板——一种在纤维方向上具有 2400 MPa以上强度的材料——然后将其排列成准各向同性层压板（例如 0°、90°、±45°铺层），使其在平面内能“像金属一样”。结果实际强度约为 300 MPa。浪费了材料 88% 的性能。

为什么会发生这种情况：

     针对各向同性材料（金属）的设计方法简单且易于理解。工程师们已使用这些方法数十年。当面对各向异性材料的复杂性时，行业创造了准各向同性层压板来适应旧的设计方法。

     问题在于，复合材料的优越性恰恰在于其方向性。碳纤维其不可思议的特性来自于高度定向的分子链——在一个方向上被拉伸和聚焦。当你通过将纤维以不同方向铺层来稀释这种方向性时，你就是在贬低其优势。

数据对比：

单向碳纤维：

- 强度：> 2400MPa

- 密度：1.7 g/cm³

- 对比强度：比铝高约 10 倍

“黑色铝材”：

- 强度：300 MPa

- 密度：1.7 g/cm³

- 对比强度：仅略优于铝

铝：

- 强度：400 MPa

- 密度：2.7 g/cm³

高昂的材料费和复杂的制造工艺，却只得到了相对于铝的边际改进。

解决方案：

复合材料——要针对各向异性进行设计：

• 根据载荷情况设计层压板

• 使纤维沿载荷路径对齐

• 在需要每个构件进行单向工作的部位使用格栅结构

• 接受复合材料设计与金属设计有着根本不同的事实

     这就是为什么拓扑优化和生成式设计对复合材料至关重要，需要能够从一开始就处理方向性属性的工具。问题不在于材料，而在于设计思维。在设计中如何对待方向性，是在优化利用各向异性，还是在与之对抗。