納熱炒之后的米復(fù)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(guān)的出版物一直充斥著這種納米技術(shù)術(shù)語，但是這些炒作有多少真正實現(xiàn)了呢？在某些領(lǐng)域，例如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它們發(fā)揮著作用，納米粒子現(xiàn)在被用來將藥物直接輸送到細胞。然而，在其它領(lǐng)域，納米材料曾經(jīng)宣揚的應(yīng)用并沒有實現(xiàn)，因此領(lǐng)先的產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)開始重新評估它們的定位。去年，曾在這一領(lǐng)域大舉投資的著名的拜耳材料科技（現(xiàn)名“科思創(chuàng)”）公司宣布將退出碳納米管業(yè)務(wù)，可見納米管“淘金熱”已經(jīng)正式結(jié)束；盡管拜耳的首席執(zhí)行官信誓旦旦地說，他們做出此決定單純是因為納米管應(yīng)用與該公司的核心產(chǎn)品相關(guān)性很小。
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但其他納米材料制造商繼續(xù)降低材料成本，同時提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。此外，開發(fā)重點有所轉(zhuǎn)變——現(xiàn)在的重點是將納米材料集成到大規(guī)模的應(yīng)用中——復(fù)合材料世界正引領(lǐng)著這種變化。
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' h( ?6 ?; k" n, k有觀點認為，聚合物納米復(fù)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(fù)合材料工程方面的挑戰(zhàn)。
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適應(yīng)性既是納米材料最大的優(yōu)勢也是最大的弱點——納米材料這個術(shù)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(jù)國際標(biāo)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(nèi)部結(jié)構(gòu)或表面結(jié)構(gòu)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(fā)布之時，受到化學(xué)行業(yè)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(tǒng)一仍然是限制其廣泛應(yīng)用的一個瓶頸。

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由于納米材料的范圍是如此廣泛，它們的潛在應(yīng)用有很多。這不僅導(dǎo)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(zhuǎn)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(tǒng)填料，如碳纖維，一起發(fā)揮著作用。這引發(fā)了學(xué)術(shù)界、材料制造商和終端用戶之間更加廣泛的協(xié)作——納米技術(shù)不再僅限于實驗室。尤其是在復(fù)合材料領(lǐng)域，納米材料正遭遇新的挑戰(zhàn)，因為它們能夠改變?nèi)魏位w材料的性能。它們可以改變聚合物的光學(xué)或流變特性能，或提高其電氣、機械或熱性能。

1 |( U+ o: `5 ]4 l: |# W龐巴迪英國皇家工程學(xué)院復(fù)合材料工程教席教授Eileen Harkin-Jones 非?？春眉{米材料：“……納米顆粒與傳統(tǒng)復(fù)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(jiān)測方面?！?br /> + |$ S3 B2 h) y) S1 ^
納米復(fù)合材料還有強勁的經(jīng)濟預(yù)期——BCC Research 最近的一項研究表明，納米復(fù)合材料的市場將繼續(xù)增長。到2013年底，全球納米復(fù)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(xù)保持，到2019年預(yù)計將達到42億美元。
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挑戰(zhàn)
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! W* j) T+ n' L) b) ?' R在供應(yīng)鏈的每個階段使用納米添加劑都面臨著許多挑戰(zhàn)。許多權(quán)威專家認為，挑戰(zhàn)甚至在這些過程的更早階段就開始了。英國國家復(fù)合材料中心（NCC）的技術(shù)總監(jiān)Mike Hinton 教授說：“目前，這一領(lǐng)域缺乏技術(shù)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(chǔ)技術(shù)，我們可以經(jīng)?？吹交诹阈强茖W(xué)證據(jù)的夸張說法?！?font class="jammer">" D0 I# U( C9 S( q0 l1 H

3 K7 X4 c9 J0 t9 c) ?' u談到生產(chǎn)規(guī)模，納米添加劑仍然落后于其他化學(xué)物質(zhì)，這對納米復(fù)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(fù)合材料引入到聚合物復(fù)合材料中時，我遇到的主要問題（從實用的角度來看）是，生產(chǎn)所需的量是以噸計的，而不是克。”

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在這條供應(yīng)鏈上還存在著另一個挑戰(zhàn)——納米材料如何在加工階段改變復(fù)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(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。她說：“納米粒子會影響聚合物的流變學(xué)。在某些情況下，流變改性有助于改變納米復(fù)合材料的性能，例如增強某些材料的應(yīng)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(fā)一定的問題。納米粒子的存在也會對聚合物的結(jié)晶過程產(chǎn)生重大影響。然后，這也會對最終產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、控冷工藝以及性能產(chǎn)生連鎖影響。
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/ E1 k4 {& v& ?" X) Y& o6 R8 Q$ |那么，如何確保承諾的性能可以實現(xiàn)呢？單片石墨烯可能具有非凡的導(dǎo)電性，但它們在納米尺寸中所表現(xiàn)出的性能是很難轉(zhuǎn)移到整體材料中的。這是納米復(fù)合材料時代所面臨的最大挑戰(zhàn)，而且我們對納米復(fù)合材料力學(xué)性能的理解還遠遠不夠。

/ @1 V/ O+ z4 D3 NYoung 博士還指出，我們需要更明智地利用納米復(fù)合材料，“人們經(jīng)常使用輕量的復(fù)合材料來復(fù)制金屬組件——這并沒有完全發(fā)揮復(fù)合材料獨特的力學(xué)性能。在設(shè)計組件的時候，就應(yīng)該考慮采用這種材料，而不僅僅是復(fù)制原本已經(jīng)存在的組件。”

Harkin-Jones 教授強調(diào)的另一個主要挑戰(zhàn)是監(jiān)控和過程控制技術(shù)的發(fā)展——沒有這項技術(shù)，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(fā)適用于納米添加劑的明確指導(dǎo)方針以及標(biāo)準，并針對納米粒子在聚合物加工工業(yè)中的安全使用進行嚴格的風(fēng)險評估。

現(xiàn)狀

( i; L6 K: D( L今天的納米復(fù)合材料使用環(huán)境都是物流相關(guān)的。的確，目前已經(jīng)采用納米顆粒的產(chǎn)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(jīng)轉(zhuǎn)移為如何應(yīng)對具體的挑戰(zhàn)——制造商現(xiàn)在專注于高質(zhì)量原材料的工業(yè)化生產(chǎn)，研究人員正在研究納米復(fù)合材料的加工力學(xué)。但不要認為該行業(yè)不再景氣，其目標(biāo)依然遠大。
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9 g0 t2 e6 m: m" I3 f+ nWarwick 大學(xué)目前正在建設(shè)一個全新的機構(gòu)——納米復(fù)合材料制造國際研究所（IINM：International Institute for Nanocomposites Manufacturing），旨在使工業(yè)界有能力實現(xiàn)納米復(fù)合材料部件的大規(guī)模生產(chǎn)。IINM 主任Tony McNally 教授說：“IINM 的研究成果將直接影響這一行業(yè)，即將進行的研究將植根于基礎(chǔ)的工程科學(xué)。”
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+ s2 i2 r( b- D) k+ m, KUlster大學(xué)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(shè)備上的加工性能，以及納米粒子如何提高傳統(tǒng)復(fù)合材料的性能。專門設(shè)置的諸如NCC 等機構(gòu)一直幫助復(fù)合材料行業(yè)創(chuàng)建一個切實可行的供應(yīng)鏈。這反過來將為英國制造商提供商業(yè)機會，并將有助于加強整個學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的聯(lián)系。

3 w' o7 X- f9 L5 T& _% L8 ^展望未來，仍然有大量的納米復(fù)合材料技術(shù)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(guān)注高性能的導(dǎo)電石墨烯復(fù)合材料的發(fā)展，它的性能將超過目前市場上的任何一種材料。
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因此，納米技術(shù)在過去幾年可能已經(jīng)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(xué)科和領(lǐng)域的研究者們開始參與其中。當(dāng)然，挑戰(zhàn)仍然存在。但新的驅(qū)動因素正在推動這一行業(yè)向前發(fā)展。Harkin-Jones 教授簡潔地總結(jié)到：“這些材料的巨大潛力凸顯了工業(yè)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(nèi)從實驗室轉(zhuǎn)到真實的產(chǎn)品中來。