聚合物基复合材料：当前和未来应用不可或缺的材料

几个世纪以来，人类经历了从石器时代、青铜器时代、铁器时代、玻璃时代、钢铁时代、铝时代到目前的塑料（聚合物）时代。材料时代的所有这些变化都是因为人类的环境在不断发展，需要改进材料以满足当前的需求和应用。聚合物基质复合材料 (PMC) 具有一系列优异的性能，包括重量轻、刚度高、比强度高、抗疲劳、耐磨、耐腐蚀、易于制造、经济高效、设计灵活性高以及理想的热膨胀特性。这些特性使PMC成为汽车、航空航天、医疗、民用、电子、通信、体育、海洋、军事、能源、工业、建筑和各种家居用品等众多领域的热门复合材料类型。与金属基和陶瓷基复合材料相比，聚合物基复合材料由于加工温度相对较低，因此更容易制造。对可持续性、创新和节能技术日益增长的需求促使研究人员和工程师开始生产天然可生物降解的聚合物复合材料来代替合成复合材料，以促进可持续发展。因此，来自植物和动物的天然纤维受到了广泛关注，包括大麻、棉花、黄麻、亚麻、竹子、剑麻、洋麻、稻壳、苎麻、蕉麻、甘蔗渣、椰壳纤维、凯夫拉羊毛、角蛋白羊毛、头发和丝绸。研究发现，天然纤维（特别是纳米纤维）用作增强材料时，可以显著改善材料的强度、刚度、断裂韧性、热稳定性、电导率和耐磨性等性能，使其非常适用于建筑、汽车、生物医学、海洋、航空航天和军事等不同领域。凯夫拉是一种芳纶纤维，用作聚合物有机基质复合材料的增强材料，由于其高抗拉强度、重量轻、刚度和热稳定性等优异性能，其应用越来越广泛。凯夫拉在复合材料中的使用有助于开发高性能材料并提高资源效率，使其适用于各种领域，如底盘、刹车片和车辆的不同车身部件、作战头盔、防弹面罩和防御用防弹背心、直升机旋翼叶片、机鼻雷达罩、起落架门和飞机螺旋桨、自行车轮胎、绳索和电缆。在生物医学领域，基于角蛋白的生物材料因其固有的生物学特性和优异的生物相容性，在伤口愈合、药物输送和组织工程中的应用越来越多。角蛋白是一种纤维蛋白，是头发、羽毛、蹄、羊毛和角的主要结构成分。它是家禽和牲畜产业的副产品。人们对使用剑麻、黄麻、香蕉、椰壳纤维、角蛋白和棉花等天然纤维作为增强材料的研究兴趣日益浓厚，因为它们重量轻、成本低、环境友好、隔热、隔音，适用于消费品、生物医药行业、运输业、军事和民用结构等众多行业。

为了满足汽车和其他商业用途对轻质材料的需求，人们开始更多地研究废塑料等可用的聚合物资源。最近，为了满足全球对新材料日益增长的需求，人们开展了推广使用二次材料而非创造新材料的工作。此外，还需要加大力度，寻找具有衍生材料潜力的合适应用领域。因为许多发达国家规定在汽车、航空航天、生物医学和许多其他领域应更多使用可生物降解材料。除了提高某些聚合物复合材料的性能外，一些天然填料还可以改善合成聚合物的降解。

1. 汽车应用

汽车行业是 PMC 的最大收益者之一，因为它可以节省成本并减轻重量。PMC 所提供的机械性能在车辆设计中具有独特的重要性，比如减轻汽车重量可提高燃油效率并减少废气排放，从而减少空气污染。据估计，汽车重量减轻25%可节省约 2.5亿桶原油，而汽车重量每减轻 10%，燃油效率可提高6%-8%。同时，为了实现这些目标不能牺牲乘客的安全。因此，这三个（轻量化、燃油效率和乘客安全）是汽车设计中需要考虑的最重要的因素。天然纤维聚合物复合材料具有重量轻、强度高、刚度高、设计灵活、冲击能量吸收率高、降噪减振、耐腐蚀耐磨、生产成本低、可生物降解等特点，是此类应用的理想材料。表1列出了汽车制造商、其车型及其使用PMCs的零部件的示例。

天然纤维聚合物复合材料（NFPC）在汽车部件中的使用仍然存在一些缺点，例如高吸湿性和高可燃性。因此，需要通过混合技术与合成纤维结合，形成具有更优异的机械和结构性能且更具成本效益的混合复合材料。

据估计，航空航天工业消耗了美国整个先进复合材料产量的50%左右。航空航天工业使用这些材料的原因与汽车工业相似。减轻重量、节省成本和辐射屏蔽是这个行业最关注的问题。减轻重量至关重要，因为它会影响燃油效率、速度、组装部件数量、机动性和增加航程等多种因素。聚合物的轻量化为航空航天工业带来了最大的优势，即减轻重量和节省燃料。美国航空公司运营着一个由约 600 架飞机组成的机队，如果每架飞机的重量减少 1 磅，每年就可以节省多达 11,000 加仑的燃油。通过使用纤维增强聚合物复合材料代替金属合金，降低加工成本，减少组装部件数量，从而减少将各种部件连接在一起以及维护所产生的成本，可以节省飞机生产的成本。

研究表明，与金属基体相比，用纳米填料增强的聚合物基质具有更好的辐射防护能力。从而提供更高的 X 射线防护能力。例如，硅橡胶在不同温度下表现优异，耐辐照、耐化学品和老化，具有独特的电绝缘性能，因而在飞机上得到应用，而石墨烯、碳纳米管和炭黑等碳纳米颗粒则具有出色的抗空气氧化性能。

纤维增强聚合物 (FRP) 复合材料具有独特的机械、电气和摩擦学性能，在飞机上使用可以提升设计灵活性、减少废料、提高耐腐蚀和耐疲劳性、增加强度和刚度、内饰面板的阻燃和耐热性、提高损伤和冲击耐受性、耐久性、降低噪音水平、减振性能和抗断裂性。这些使得聚合物复合材料可用于飞机刹车、舱壁、窗框、旋翼、支架、机身、飞机翼盒、机身、配件、叶片、垂直尾翼、食品托盘臂和尾翼组件等部件。

混合复合材料最近也被采用，因为研究表明它们具有航空航天应用所需的增强机械性能。通过使用混合洋麻/玻璃纤维增强聚合物复合材料，飞机的比强度和抗雨蚀性得到提高，而碳纤维增强碳化硅在用于生产飞机刹车时往往能承受高达 1200°C的温度。混合FRP 复合材料被广泛用于波音飞机的各种部件。在 A320飞机中，与使用铝合金相比，使用 FRP 复合材料可减轻约800公斤的重量。在印度14座飞机SARAS（图1）的设计和制造中，使用PMC有助于减轻重量，比使用金属合金的飞机减轻近 25%。此机型PMC只有一个机身部件，没有紧固件，而使用金属合金则有31个不同的部件，总共有3400个紧固件。

图1印度SARAS

医疗领域是公认的领先行业，聚合物复合材料在医疗领域的应用取得了最新的进展。聚合物复合材料兼容机械强度、生物降解性、精确控制、生物相容性、仿生性、致密性和生物可吸收性等。生物聚合物材料由于其生物相容性，可以巧妙地模仿生物材料的形态特征。它们的应用领域包括但不限于伤口敷料、医疗器械、组织工程、口腔组织、蛋白质固定、药物输送、再生医学、骨骼和韧带应用、血管、抗菌材料和外科植入物。生物医学领域利用天然聚合物，如壳聚糖、胶原蛋白、瓜尔胶、藻酸盐、琼脂、果胶、车前草、普鲁兰多糖、淀粉和纤维素，以及合成聚合物，如聚酰胺 (PA)、聚乙醇酸 (PGA)、聚乳酸 (PLA)、聚己内酯 (PCL)、聚乳酸-乙醇酸共聚物 (PLGA) 和聚酯酰胺 (PEA)，同时还使用纤维作为其主要增强形式。聚合物复合材料在生物医学应用中的更详细用途可以广义地分为硬组织（骨）和软组织（皮肤）。

3.1. 骨骼

骨骼是一种形态学组成部分，能够自我调整和重塑，以适应任何所处的机械环境。骨骼由羟基磷灰石 (HA) 纳米晶体、骨细胞、粘多糖、胶原纤维和血管组成。羟基磷灰石经常用于移植物和骨填充物，可以从动物废骨中轻松获得。它们的持续使用包括其骨传导性，这种特性使骨细胞能够快速发育。因此，它们可用作骨填充物来帮助骨折修复，而骨折修复是骨骼最常见的疾病之一。天然和合成的可降解聚合物复合材料因其优异的机械和生物学性能而被广泛用作骨修复支架。

3.2. 皮肤

皮肤是人体最大的免疫系统器官。这赋予了它防止病原体进入人体的责任。然而，皮肤仍然面临着感染、烧伤和坏死等风险。因此，使用可生物降解和生物相容性的聚合物复合材料进行皮肤再生引起了研究人员的极大兴趣。研究表明聚合物材料非常适合药物输送系统，因此它们被广泛用作药物输送材料。例如，聚合物基水凝胶被用作药物分子的载体，如抗癌药、抗生素药和抗真菌药。此外，聚合物材料还用于伤口敷料，为伤口部位提供保护，帮助加快愈合过程，以及用于组织工程，通过促进新细胞的发育来帮助复制丢失或受损的组织。表2列出了一些用于生物医学应用的不同聚合物基复合材料。

过去几十年来，建筑业一直在寻求新材料和新设计工艺，以增强世界各地建筑物和桥梁结构的结构、机械和环境性能。传统材料钢材、混凝土和水泥虽然可使用时间很长，但不足以满足某些机械和环境要求，因此有必要研究能够满足这些要求的新材料。混凝土和水泥最常用作建筑，它们的创新力不足，钢材在某些情况下也表现不佳。这些传统材料的一些缺点是，水泥生产会引起严重的环境问题，因为生产一吨水泥会产生约一吨二氧化碳，而且当暴露在碱性或酸性环境中时，外表面也会迅速变质。此外，水泥混凝土还具有孔隙率高、空蚀、抗弯强度低、耐磨性低、抗拉强度低、凝固时间长、耐久性差等特点。当基础设施长期无人看管时可发生不同类型的退化。结构退化的一些原因包括环境暴露、材料使用不合格、设计不良、施工质量差等。

如今，纤维增强聚合物复合材料 (FRPC) 已被研究用作众多土木工程应用的优良材料替代品，因为它具有强度高、重量轻、耐腐蚀、延展性好、易加工、成本低、美观等独特性能。与普通建筑材料相比，FRPC 有助于提高强度重量比和刚度重量比。例如，聚合物混凝土可用于替代水泥混凝土，因为其强度高、耐腐蚀、耐磨、耐化学性好、延展性好、耐久性高、渗透性低、维护要求低、固化收缩率低、粘合性好、环保、减震性高、耐候性优异、抗冻融性好。这些特性使聚合物混凝土非常适用于各种土木工程应用，包括地下建筑、桥面、建筑覆层、地漏、下水道管道、公用设施箱、饮用水过滤板、预制产品、工业地板、地漏、水工结构、维修和保养目的、预制和铸造目的、沟槽线、地热能、酸罐、机场跑道等。此外，值得一提的是，在聚合物混凝土的开发中，环氧树脂主要用作粘合剂，而更广泛的材料用作填料。它们包括棕榈油燃料灰、PET纤维、硅灰、甘蔗渣灰、粉煤灰、大理石废料、碳酸钙等。

先进复合材料对建筑行业至关重要。腐蚀是混凝土劣化的主要原因，为了防止腐蚀，人们使用 FRPC 板来控制腐蚀的影响、提高结构强度，并通过用板材包裹混凝土柱来修复混凝土柱。混凝土柱的能量吸收、剪切能力、承载能力和损伤控制也得到了提高。它们还用于加固公路结构、梁、桥梁结构、板、铁路结构、墙体和梁柱接头。

近几十年来，先进复合材料因其优异的工程性能而在海洋工业中得到广泛应用。纤维增强聚合物复合材料 (FRPC) 材料可以有效利用生物热塑性塑料，如聚乳酸 (PLA) 或其他热塑性塑料，如聚酰胺或聚丙烯。目前，需要进一步转变材料选择，从环氧树脂和乙烯基酯树脂转向碳、玻璃和芳族聚酰胺增强材料。人们比较了用钢、铝或夹层材料制造的大型巡逻艇的成本、重量和结构性能。研究发现，由玻璃增强塑料 (GRP) 夹层复合材料制成的巡逻艇的结构重量应比铝制艇轻 10%，比同等大小的钢制艇轻 36%。此外，使用混合复合材料（例如混合玻璃碳增强聚合物复合材料 (GCG2C)）最有助于长期保持材料在海洋工业中高效运行所需的机械性能。混合 (GCG2C) 具有 462 MPa 的极高抗弯强度，吸水率极低。同样，混合亚麻和碳纤维复合材料可用于替代铝 6061 作为结构材料，因为它可将减震性能提高约141%，将拉伸强度提高252%，同时重量减轻49%。使用黄麻和碳纤维作为混合复合结构的增强材料也有助于提高减震性能以及经济和环境可持续性。

先进复合材料具有一些突出的性能，这些性能促进了它们在海洋工业中的应用，包括良好的强度重量比和刚度重量比、高耐久性、提高尺寸稳定性、增加航程、满足隐身要求的平整度、设计灵活性、降低燃料消耗、制造和维护成本、降低电磁特征、提高速度、减少磨损、低吸湿性、耐腐蚀、抗冲击和抗性、增强的减振特性、隔音、耐腐蚀海水、提高效率、高承载能力、低惯性、增加浮力和高水平的声学透明度。因此，由于这些优异的性能，船舶建造业、可再生能源业、海上结构业和修理业等海洋行业大量使用它们作为配件和内部设备，如阀门、管道、泵、热交换器、管道、海军舰艇、小型船舶、上层建筑、桅杆、甲板、舱壁、机械、螺旋桨、舵、推进轴，用于驱逐舰、护卫舰等军舰设备，用于配件、气垫船、轻型护卫舰、鱼雷发射管、天线箱、发动机部件、油箱（水、燃料、润滑油）、渡轮、转子叶片、天然气管道、船体、支柱、浮动平台（如肌腱、立管和支撑结构）、帆船、游艇和驳船、上部结构、栏杆、机鼻雷达罩、潮汐和风力涡轮机叶片以及声纳罩。

多年来，纳米材料的使用在国防和军事领域呈惊人的增长趋势，显著提高军事设备的性能并提高人员的舒适度和生存机会。图2显示了国防和军事部门使用的各种纳米材料。聚合物纳米复合材料 (PNC) 在传感、军事医学、智能结构和纺织品、发电和管理、军事武器和空气动力学等各种军事和国防部门中的应用急剧增加。PNC 是一类聚合物复合材料，其聚合物基质用纳米级颗粒（纳米粒子）增强，因此具有出色的抗疲劳和抗断裂性能。PNC 用于生产更轻、更小、更便宜、更精确、更智能和更坚固的军事设备、材料和结构。

图2.国防和军事领域使用的各种纳米材料

总体而言，军工行业与运输业联系紧密。因为军事和国防领域不可避免地会使用车辆、飞机、轮船和无人机。与民用车辆、轮船和飞机相比，它们的用途更为特殊，因为它们有诸如阻燃、减震、电磁屏蔽、传感器、耐高温、车辆防护衬垫、执行器、防弹性能、电能存储（电容器）和微波吸收等特殊要求。例如，在军舰中，船舶生产公司英格尔造船公司通过使用碳增强乙烯基酯树脂和酚醛玻璃纤维层压板分别建造完整的甲板室和屋顶，满足了以上的一些要求。在船舶的其他部件中，聚合物复合材料用于制造天线、桅杆和透明雷达。同样，洛克希德·马丁公司的 F-35 闪电战斗机的机身、机翼、水平和垂直稳定器等部件也采用碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料制成，以增加韧性和耐用性。

在士兵防护领域，PNC可有效用于制造防弹衣、智能纺织品、手套和靴子。聚合物基质经凯夫拉和石墨烯等纳米材料增强后，有助于生产出非常坚固、智能且轻便的高科技战斗服。当进一步应用剪切增稠流体（含有纳米颗粒分散液的流体），例如聚乙二醇中的二氧化硅纳米颗粒时，它们将导致生产出更灵活、更致密和更坚固的防弹衣。这些防弹衣有助于穿戴者灵活移动，保护身体免受化学物质和毒素的伤害，并抵御高速子弹的冲击以及防御铁条、石头和棍棒等钝器。图3展示了俄罗斯最近用 PNC 制成的战斗服的典型示例。“星球大战”高科技装甲利用了石墨烯纳米填料的独特性能，这种填料具有出色的强度（比钢强 100 倍）、重量轻、高疏水性、高耐久性、出色的导电性和导热性以及防弹能力。装甲由有色夜视头盔、无线电电缆、外骨骼层、手套、加垫卡其布和枪支组成。一些先前的研究人员广泛介绍了石墨烯、纳米填料在聚合物复合材料中用于军事应用的更多好处。

图3俄罗斯先进的高科技装甲产品，包括外骨骼或外层，旨在增强力量和耐力

目前，聚合物基复合材料被用于人类活动的各个领域，包括交通运输、土木建筑、生物医学、军事、体育和休闲、食品和包装以及电气和电子。因此，在未来材料的竞争中，聚合物如何解决未来挑战？纳米技术已被确定为前进的方向之一，通过将纳米技术的优势与聚合物基材料的优势相结合，将获得更先进、更有活力的材料。通信、电子、能源、家居、包装、体育和休闲行业在聚合物纳米复合材料的应用中也毫不逊色。例如，在体育和休闲行业，一家澳大利亚冲浪板制造公司 Samsara Surfboards 正在生产可持续且环保的超高性能冲浪板。冲浪板由亚麻/PP、亚麻/PLA 和亚麻纤维混合制成，在整个生命周期中非常环保。此外，德国公司 AX-Lightness GmbH 是一级方程式赛车领域的主要聚合物复合材料供应商，该公司生产了高科技山地自行车，车轮分别由环氧预浸料和编织碳纤维作为聚合物基质和增强材料。在电气电子领域，PNC可用于制造开关设备、面板、连接器、绝缘子、电容器盖、耳机盖和锂离子电池盖等。

Polymer-Based Composites: An Indispensable Material for Present and Future Applications, 19 October 2020, Isiaka Oluwole Oladele, Taiwo Fisayo Omotosho, Adeolu Adesoji Adediran