納熱炒之后的米復合材料

寂靜天花板

巴克球、納米管、石墨烯……幾十年來，材料相關的出版物一直充斥著這種納米技術術語，但是這些炒作有多少真正實現了呢？在某些領域，例如醫學領域，它們發揮著作用，納米粒子現在被用來將藥物直接輸送到細胞。然而，在其它領域，納米材料曾經宣揚的應用并沒有實現，因此領先的產業數據開始重新評估它們的定位。去年，曾在這一領域大舉投資的著名的拜耳材料科技（現名“科思創”）公司宣布將退出碳納米管業務，可見納米管“淘金熱”已經正式結束；盡管拜耳的首席執行官信誓旦旦地說，他們做出此決定單純是因為納米管應用與該公司的核心產品相關性很小。
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但其他納米材料制造商繼續降低材料成本，同時提高產品的質量和可靠性。此外，開發重點有所轉變——現在的重點是將納米材料集成到大規模的應用中——復合材料世界正引領著這種變化。


有觀點認為，聚合物納米復合材料使用炭黑和熱解硅石作為聚合物增強劑和增稠劑。但隨著我們對納米材料認識的深入，也嘗試利用它們來解決復合材料工程方面的挑戰。

* j7 }; Q5 o. ]適應性既是納米材料最大的優勢也是最大的弱點——納米材料這個術語涵蓋了從納米管和納米顆粒到納米粘土和石墨烯等所有材料。即使是官方的定義也是非常模糊的。根據國際標準化組織（ISO）的定義，納米材料是指外部尺寸為納米級，以及內部結構或表面結構為納米級（尺寸范圍大于從1nm到100nm）的所有材料。這一定義在2011年發布之時，受到化學行業的批評，認為它太簡單了。自那時起，相繼又提出了其他定義，但納米材料定義的不統一仍然是限制其廣泛應用的一個瓶頸。

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9 c9 b7 S& R+ h& u由于納米材料的范圍是如此廣泛，它們的潛在應用有很多。這不僅導致了最初的炒作，也引入了一種觀點：納米材料不僅僅是用來解決問題的解決方案。過去五年的轉變帶來了一個微小但極為重要的改變——納米材料不再被視為主要的解決方案。相反，它們正與傳統填料，如碳纖維，一起發揮著作用。這引發了學術界、材料制造商和終端用戶之間更加廣泛的協作——納米技術不再僅限于實驗室。尤其是在復合材料領域，納米材料正遭遇新的挑戰，因為它們能夠改變任何基體材料的性能。它們可以改變聚合物的光學或流變特性能，或提高其電氣、機械或熱性能。

龐巴迪英國皇家工程學院復合材料工程教席教授Eileen Harkin-Jones 非常看好納米材料：“……納米顆粒與傳統復合材料的融合有著巨大的潛力，尤其是在輕量化、增韌和健康監測方面。”

納米復合材料還有強勁的經濟預期——BCC Research 最近的一項研究表明，納米復合材料的市場將繼續增長。到2013年底，全球納米復合材料的消費量達了190,562噸，價值超過12億美元。這一趨勢有望繼續保持，到2019年預計將達到42億美元。
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9 Z8 `* }' r" `# L+ i1 |挑戰

在供應鏈的每個階段使用納米添加劑都面臨著許多挑戰。許多權威專家認為，挑戰甚至在這些過程的更早階段就開始了。英國國家復合材料中心（NCC）的技術總監Mike Hinton 教授說：“目前，這一領域缺乏技術準備水平（TRL）路線圖，并深受其苦。從NCC的角度來看，這是被忽視的一步——沒有一個清晰的框架來支撐這一基礎技術，我們可以經常看到基于零星科學證據的夸張說法。”

談到生產規模，納米添加劑仍然落后于其他化學物質，這對納米復合材料的研究人員和終端用戶都有著深遠影響。同樣來自NCC的Tim Young 博士說：“在將納米復合材料引入到聚合物復合材料中時，我遇到的主要問題（從實用的角度來看）是，生產所需的量是以噸計的，而不是克。”
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1 u) \) [  Y, [, z' U; o7 b1 J在這條供應鏈上還存在著另一個挑戰——納米材料如何在加工階段改變復合材料的性能？ Harkin-Jones 教授對此問題特別感興趣，她認為能否解決該問題是納米材料能否工業化生產的關鍵所在。她說：“納米粒子會影響聚合物的流變學。在某些情況下，流變改性有助于改變納米復合材料的性能，例如增強某些材料的應變硬化性能。然而，在其他工藝，如滾塑成型工藝中，粘度增加會引發一定的問題。納米粒子的存在也會對聚合物的結晶過程產生重大影響。然后，這也會對最終產品的生產周期、控冷工藝以及性能產生連鎖影響。
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& o! s8 Z2 S2 ^3 ?! f2 @9 I那么，如何確保承諾的性能可以實現呢？單片石墨烯可能具有非凡的導電性，但它們在納米尺寸中所表現出的性能是很難轉移到整體材料中的。這是納米復合材料時代所面臨的最大挑戰，而且我們對納米復合材料力學性能的理解還遠遠不夠。
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Young 博士還指出，我們需要更明智地利用納米復合材料，“人們經常使用輕量的復合材料來復制金屬組件——這并沒有完全發揮復合材料獨特的力學性能。在設計組件的時候，就應該考慮采用這種材料，而不僅僅是復制原本已經存在的組件。”

Harkin-Jones 教授強調的另一個主要挑戰是監控和過程控制技術的發展——沒有這項技術，在大批量處理工藝中，很難保證納米顆粒分散的均勻性和長徑比的一致性。安全也是納米材料用戶所面臨的一個問題。人們正在開發適用于納米添加劑的明確指導方針以及標準，并針對納米粒子在聚合物加工工業中的安全使用進行嚴格的風險評估。
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現狀
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今天的納米復合材料使用環境都是物流相關的。的確，目前已經采用納米顆粒的產品包括汽車保險杠、機器外殼、包裝和涂層。但炒作之后，重點已經轉移為如何應對具體的挑戰——制造商現在專注于高質量原材料的工業化生產，研究人員正在研究納米復合材料的加工力學。但不要認為該行業不再景氣，其目標依然遠大。
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- D9 ]( q2 u6 u2 G" O$ `  b. |Warwick 大學目前正在建設一個全新的機構——納米復合材料制造國際研究所（IINM：International Institute for Nanocomposites Manufacturing），旨在使工業界有能力實現納米復合材料部件的大規模生產。IINM 主任Tony McNally 教授說：“IINM 的研究成果將直接影響這一行業，即將進行的研究將植根于基礎的工程科學。”
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$ {2 N( x3 o1 K5 t4 v5 G- mUlster大學的Harkin-Jones教授和她的團隊，正在研究各種碳基納米填料在中試加工設備上的加工性能，以及納米粒子如何提高傳統復合材料的性能。專門設置的諸如NCC 等機構一直幫助復合材料行業創建一個切實可行的供應鏈。這反過來將為英國制造商提供商業機會，并將有助于加強整個學術界和產業界的聯系。

1 c" o! g  T& u" g0 z3 I9 O( O3 f7 V展望未來，仍然有大量的納米復合材料技術仍然處于它們的初級階段。歐盟的石墨烯旗艦項目中有很多項目關注高性能的導電石墨烯復合材料的發展，它的性能將超過目前市場上的任何一種材料。
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! c* j# Y9 L0 P, X) @* B& o因此，納米技術在過去幾年可能已經成為昨日黃花，但取而代之的是更持久的集中研究工作，跨學科和領域的研究者們開始參與其中。當然，挑戰仍然存在。但新的驅動因素正在推動這一行業向前發展。Harkin-Jones 教授簡潔地總結到：“這些材料的巨大潛力凸顯了工業化的必要性。我們需要有能力來評估新的納米材料，這樣我們就可以在最短的時間內從實驗室轉到真實的產品中來。
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