复合材料的新定义？

随着复合材料技术的发展，我们对复合材料可以是什么以及它们可以提供什么的理解也应该如此。

本博客源于我从 IntegriCo Composites（美国路易斯安那州萨雷普塔）收到的一份新闻稿，该公司生产复合材料铁路枕木和施工垫。在查看他们的新闻稿和网站时，它们都专注于回收塑料废物并将其转化为可持续的、性能改进的最终产品，我意识到这是一种 100% 的塑料技术。所以，我回信说，“你对复合的定义与我们的不符。”但是我错了。

混合物如何变成复合物

复合的定义是什么 ?

我解释说，虽然 IntegriCo 声称其产品是具有卓越性能的复合材料，但它们实际上是一种合金 — 塑料的熔化混合物。最终产品中没有纤维增强材料，只能识别一种材料。

IntegriCo 的首席技术官 Brian Arkwood 不同意，他解释说 IntegriCo 的产品是两种或多种材料的混合物，这些材料确实保留了独特的特性，通过加工进行设计和制造，以提供卓越的特性和性能。 “请允许我澄清一下，”他说。

我们的工艺使用 HDPE（高密度聚乙烯）和 LDPE（低密度聚乙烯）以及聚丙烯和聚苯乙烯的混合物。这是设计使然，因为这些不同的聚合物中的每一种都有助于最终产品的整体特性。我们可以通过改变每种塑料的比例和/或整个混合物的处理来操纵和/或改变最终产品的特性。然而，不同的塑料不仅仅是熔化在一起。

这是这种混合物作为复合材料分化的地方：

“不熔化的较高分子量 (HMW) 塑料散布在在高于熔化温度下加工的塑料的连续聚合物中。当这种混合物冷却时，塑料会经历成核过程。成核的速率和过程由加工温度、冷却速率和随后成核剂的负载量控制。该试剂是 IntegriCo 开发的化学品，仅用于我们的工艺。”

“随着成核的发生，塑料混合物的整体结晶度受到控制，HMW 非熔融聚合物缠结在共价键合的聚合物链中。聚合物还通过剪切应力进行控制，以降低成型过程中的粘度，以促进成核聚合物与非熔融聚合物更好的相互作用和缠结。”

成核、结晶度和控制纵横比

对我来说，这里的关键概念是成核 （晶体形成的开始过程），控制结晶度 （管理晶体形成）并控制过程以实现更好的界面 缠结成核聚合物和非熔融聚合物之间。最后一点对于复合材料来说真的很关键，因为如果不同材料之间没有良好的界面，就没有有效的载荷转移，也没有卓越的性能。

此外，请记住，在热塑性复合材料的高增长领域，具有更高机械性能以及更高温度和耐化学性的聚合物是半结晶的。这些半结晶特性是通过控制结晶度来实现和定制的，最常见的是通过加工过程中的温度控制来实现。

IntegriCo 复合铁路枕木提供了一种在高性能复合产品中重复利用塑料废料的方法，其中细长的高熔点塑料增强了低熔点塑料基体。 来源 | IntregiCo 复合材料

Arkwood 的描述也让我想起了自增强塑料 (SRP) ，例如 Pure、Curv、Armordon、Tegris 以及最近获得 2019 年 JEC 创新奖的 BIO4SELF 项目。通常，SRP 复合材料是通过使用低熔体温度聚合物（PE、PP 或 PLA 生物聚合物）并用由相同聚合物制成的更高熔体温度纤维进行增强而制成的。这种使用高熔点和低熔点聚合物正是 IntegriCo 正在做的事情。所以我问 Arkwood 他使用的更高分子量 (HMW) 的非熔融聚合物是否真的出现/形成/表现得像纤维 ?

“它具有与纤维相同的一些好处，”他说。 “我们改变聚合物基体中 HMW 聚合物的纵横比以驱动产品的性能。增加或减少 HMW 聚合物，再加上其他操作参数的变化，会对弹性模量、断裂模量和硬度等塑料性能产生显着影响。”

Arkwood 解释说，IntegriCo 可以修改聚合物比例和操作参数以满足特定客户的需求。 “我们已经用破坏性测试数据记录了这一点，并满足了包括联合太平洋和美国陆军在内的客户的财产驱动要求。聚合物的比例——HMW 与 LMW 以及线性与非线性或高度支化——在我们的产品中扮演着很像其他塑料复合产品中的纤维增强作用，通过影响强度、刚度、硬度和韧性等关键性能特性。”

可持续性

因此，第一点，IntegriCo 确实为复合材料行业提供了一个值得关注的灵感，因为我们的星球正在被废物摧毁。全球超过 90% 的塑料成为废物，仅在美国和加拿大，每年就有超过 3400 万吨塑料被送往垃圾填埋场或焚化炉。 IntegriCo 通过回收混合硬塑料和通常不可回收的 3-7 级塑料提供了一个真正的解决方案，中国在 2018 年停止接收这些塑料级。3-7 级塑料是由 ASTM 国际树脂识别编码系统 (RIC) 分类的那些难以回收的塑料。识别所有塑料的组成聚合物和可回收性。 1 级（PETE、PET）和 2 级（HDPE）是高度可回收的，5 级（PP）开始被回收，而所有其他等级包括 3（PVC）、4（低密度聚乙烯）、6（PS）和 7（其他） ) 目前未回收。因此，IntegriCo 正在发挥作用，将垃圾从垃圾填埋场转移，并将其设计成比替代品使用寿命更长的增值复合产品，随着时间的推移产生更少的垃圾。

纳米 CMC

我的第二点是，复合材料的技术正在向前发展。我相信这已经在影响复合材料科学的进步，我希望能激发进一步的发展。促使我意识到这一点的是阿克伍德对成核的使用 .我从最近对纳米陶瓷基复合材料（纳米 CMC，参见我 2019 年 7 月关于纳米复合材料的文章）的研究中立即认识到了这一点。

这是来自 2017 年 11 月的文章“用于航空航天应用的聚合物和陶瓷纳米复合材料”：

“ 纳米复合材料是 21 世纪的材料，由于其多功能能力，年增长率为 25%。 … 由于可以结合所需的特性，纳米复合材料正在扩大其在航空航天应用和未来太空任务中的潜力。 … 纳米填料提高了成核能力 通过改善与聚合物基质的界面相互作用。”

我不能保证 25% 的增长率，但很明显纳米复合材料具有很大的潜力。本文讨论了纳米填料的成核。对我来说新的是纳米 CMC 的开发，其中陶瓷基体实际上不是用纤维或填料而是用另一种陶瓷增强，后者的成核和结晶受到控制以产生高纵横比增强。

在我 2019 年 7 月关于纳米复合材料的专题中，我使用了 Paola Palmero 2015 年文章中的插图， “结构陶瓷纳米复合材料：性能和粉末合成方法综述” 展示微米级和纳米级复合材料的例子。 A、B 和 C 分别显示了用纳米颗粒、纳米纤维或纳米片增强的微米级（微米）基体，而 D 具有圆形和高纵横比纳米增强材料。然而，E 和 F 说明了双相和多相纳米复合材料 , 分别是纳米陶瓷不混溶的地方。

图。 1 陶瓷材料常见的微/纳米复合结构。
来源 | “结构陶瓷纳米复合材料：性能和粉末合成方法综述”，Paola Palmero。

Palmero 描述了原位 基体颗粒表面第二相的结晶——换句话说，基体是第一相，另一个陶瓷是第二相——作为制造陶瓷纳米复合材料的关键工艺之一。结晶后，陶瓷晶体或晶粒的尺寸和形状得到控制，这一点至关重要，因为它们决定了陶瓷复合材料的整体性能。例如，已知细长晶粒具有原位 增韧作用。 Palmero 指出，在这些烧结复合材料中定制所需的纳米结构特征的能力至关重要但具有挑战性，要求在整个混合、成型、烧结和致密化过程中进行严格的过程控制。

Intechopen.com 一书中的图 6 有类似的说明和讨论，纤维增强陶瓷基复合材料的物理和冶金特性 .第 9.1.2 节讨论了通过烧结（热压）制成的氮化硅 (Si3N4)/碳化硅 (SiC) 纳米复合材料的微观结构。它们的微观结构包含细长的 β-Si3N4（晶须）颗粒，周围是针状的 β-Si3N4 细颗粒。下面图 7b 的扫描电子显微照片显示了这种结构在 20,000 倍放大率下。

这些双相陶瓷纳米复合材料（左）和再生塑料复合材料（右）的横截面实际上非常相似，尽管它们与传统连续纤维增强复合材料的横截面有很大不同。

来源 |图 7，第 9.1.2 节纤维增强陶瓷基复合材料的物理和冶金特性， Zdeněk Jonšta、Evelyn A. Bolaňos C.、Monika Hrabalová 和 Petr Jonšta（左）以及 IntegriCo Composites 复合材料铁路横梁的横截面（右）。

双相和多相复合材料的优点

那么为什么这对复合材料行业有利呢？因为材料科学家正在使用复合材料的这种新定义来实现机械、热、电和烧蚀性能的独特、量身定制的组合 .例如，美国海军研究实验室（NRL，华盛顿特区，美国）开发了氮化硅、氮化锆和二硼化钛复合材料，以及用坚韧的纤维增强它们的方法。这些耐火陶瓷具有高强度、热稳定性和可变的电导率和热导率，使其能够满足高超音速飞行器部件的需求 — 有机聚合物复合材料甚至高级金属合金都做不到的事情。

NRL 还在开发增材制造技术，该技术将纳米结构融入这些材料中，并进一步调整介电、热和电磁屏蔽特性以比目前可用材料更高的分辨率 .即使您不一定同意为这些材料计划的国防应用，它们也可以提供有价值的解决方案 用于计划中的太空探索和火星任务。但它们也可能为全生物基复合材料开辟新的途径 它不仅在地球上提供高性能，而且还能够以可持续的方式做到这一点，并且可以使用更少的能源和资源制造和回收材料和最终产品。

我并不是说纤维增强复合材料正在退出舞台甚至消失。但随着技术的发展，我们也应该了解复合材料可以是什么以及它们可以提供什么。