重塑复合材料：面向未来的可持续材料

随复合材料技术演进，我们对复合材料的内涵与价值的认知亦应同步进化。

本文源于 IntegriCo Composites（美国路易斯安那州 Sarepta）新闻稿，其生产复合材料铁路枕木与施工垫。稿件与官网聚焦回收转化塑料废弃物为可持续高性能终端产品，我初觉其 "复合材料" 定义与业界不符。回复称："贵司复合材料定义不匹配我方。" 但我错了。

混合物何以成为复合材料

何为 复合材料 定义？

我解释 IntegriCo 宣称其产品为性能优越的复合材料，实为 合金——熔融聚合的塑料混合物。终端产品无纤维增强，且不含超一种可识别材料。

IntegriCo 首席技术官 Brian Arkwood 反驳，解释其产品为两种以上保持独特身份的材料混合物，经工艺设计工程化以交付卓越特性与性能。"请允许我澄清，" 他说。

工艺使用 HDPE（高密度聚乙烯）、LDPE（低密度聚乙烯）、聚丙烯与聚苯乙烯混合物。这是设计使然，因各异聚合物各自贡献终端产品整体特性。我们可通过调整各塑料比例及/或整体混合物加工工艺来操控/改变终端产品性能。但这些塑料非单纯熔融混合。

此处混合物因以下机制而区分为复合材料：

"高分子量（HMW）不熔融塑料分散于高于熔点加工的熔融塑料连续相中。冷却时塑料经历成核过程。成核速率与过程由加工温度、冷却速率及后续成核剂加载量控制。该成核剂为 IntegriCo 专有工艺化学剂。"

"成核进行时，塑料混合物整体结晶度被调控，HMW 非熔融聚合物在共价键合的聚合物链中缠结。聚合物亦经剪切应力操控以降低模塑粘度，促进成核聚合物与非熔融聚合物的更好相互作用与缠结。"

成核、结晶度与长径比控制

对我而言，关键概念在于 成核（晶体形成初始过程）、结晶度控制（管理晶体形成）及工艺操控实现成核聚合物与非熔融聚合物间更好界面。后者对复合材料至关重要，因无良好界面则无有效载荷传递与卓越性能。

又热塑性复合材料高增长领域中，提供高力学性能、耐温耐化学性的聚合物多为半结晶型。其半结晶特性通过加工温控实现结晶度管理而达成调控。

IntegriCo 复合铁路枕木实现塑料废弃物再利用，制成高性能复合产品，高熔点塑料长条增强低熔点塑料基体。 来源：IntregiCo Composites

Arkwood 描述令我想起 自增强塑料（SRP），如 Pure、Curv、Armordon、Tegris 及最新获 2019 JEC 创新奖的 BIO4SELF 项目。典型 SRP 复合材料用低熔点聚合物（PE、PP 或 PLA 生物聚合物）作基体，以同种聚合物制高熔点纤维增强。这高/低熔点聚合物组合正是 IntegriCo 所为。我问 Arkwood 其用的 HMW 非熔融聚合物是否实际表现为纤维？

"能实现部分纤维同等效益，" 他答，"我们在聚合物基体中改变 HMW 聚合物长径比驱动产品性能。增减 HMW 聚合物并配合其他工艺参数调整，对弹性模量、断裂模量、硬度等塑料性能有显著影响。"

Arkwood 解释 IntegriCo 可修改聚合物比例与工艺参数满足特定客户需求。"我们用破坏性测试数据记录此点，并满足了联合太平洋铁路与美国陆军等客户的性能驱动需求。聚合物比例——HMW 与 LMW、线性与非线性/高支化——在产品中起作用，很像其他塑料复合产品中的纤维增强，影响强度、刚度、硬度、韧性等关键性能。"

可持续性

首点，IntegriCo 为复合材料行业提供值得关注的灵感，因星球正被废弃物毁灭。全球超 90% 塑料成废弃物，仅美加每年超 3400 万吨塑料填埋或焚烧。IntegriCo 回收混合硬质塑料及通常不可回收的 3-7 类塑料（中国 2018 年停收），提供真实解决方案，将废弃物从填埋分流并工程化为比替代品更耐用的增值复合产品，随时间产生更少废弃物。

塑料 3-7 类按 ASTM 国际树脂识别编码系统（RIC）分类，标识聚合物成分与可回收性。1 类（PETE、PET）与 2 类（HDPE）高可回收，5 类（PP）开始回收，其余 3 类（PVC）、4 类（LDPE）、6 类（PS）、7 类（其他）目前不可回收。IntegriCo 正在改变现状。

纳米陶瓷基复合材料（nano-CMCs）

第二点，技术正推进复合材料定义边界。这已影响复合材料材料科学进展，我盼启发更多发展。触发我这一认知的是 Arkwood 对 成核 的运用。我从近期纳米复合材料研究（见 2019 年 7 月纳米复合材料专题）中即识别出此概念。

2017 年 11 月文章《聚合物与陶瓷纳米复合材料用于航空航天应用》载：

 “纳米复合材料是二十一世纪材料，因多功能能力年增长率 25%。……因可组合目标性能，纳米复合材料在航空航天与未来太空任务潜力拓展。……纳米填料通过改善与聚合物基体界面相互作用增强成核能力。”

我不担保 25% 增长率，但纳米复合材料潜力显著。文中讨论纳米填料成核。对我新知是纳米陶瓷基复合材料（nano-CMCs）发展，其中陶瓷基体实为另一陶瓷增强，后者通过成核与结晶控制产生高长径比增强相。

我 2019 年 7 月纳米复合材料专题引用 Paola Palmero 2015 年文章《结构陶瓷纳米复合材料：性能与粉末合成方法综述》插图展示微/纳米复合材料典型结构。A、B、C 分别展示微观基体增强纳米颗粒、纳米纤维、纳米片层；D 兼具圆形与高长径比纳米增强相。然而 E、F 图示双相与多相纳米复合材料，其中纳米陶瓷相互不互溶。

图 1 陶瓷材料常见微/纳米复合结构。
来源：《结构陶瓷纳米复合材料：性能与粉末合成方法综述》Paola Palmero。

Palmero 描述第二相在基体颗粒表面原位结晶——即基体为第一相，另一陶瓷为第二相——为制造陶瓷纳米复合材料关键工序之一。结晶后，管理陶瓷晶体/晶粒尺寸形状至关重要，因其决定陶瓷复合材料整体性能。如长条晶粒具原位增韧效应。Palmero 指出在烧结复合材料中剪裁期望纳米结构特征至关重要但具挑战，要求混合、成型、烧结、致密全程严格工艺控制。

Intechopen.com 书籍《纤维增强陶瓷基复合材料物理与冶金特性》Fig. 6 第 9.1.2 节讨论氮化硅(Si₃N₄)/碳化硅（SiC）纳米复合材料微观结构，由烧结（热压）制得。微观结构含大尺度延伸的 β-Si₃N₄（晶须）颗粒，被细小针状 β-Si₃N₄ 颗粒包围。下图 Fig. 7b 扫描电镜照片展示 20,000 倍放大结构。

双相陶瓷纳米复合材料（左）与再生塑料复合材料（右）横截面实则相似，虽与传统连续纤维增强复合材料截面大异。

来源：《纤维增强陶瓷基复合材料物理与冶金特性》Figure 7, Section 9.1.2，Zdeněk Jonšta 等著（左）与 IntegriCo Composites 复合铁路枕木横截面（右）。

双相与多相复合材料的优势

这为何惠及复合材料行业？因材料科学家用这一新复合材料定义实现力学、热学、电学、烧蚀性能的独特定制组合。例：美国海军研究实验室（NRL，华盛顿特区）开发氮化硅、氮化锆、二硼化钛复合材料及以韧性纤维增强其方法。这些难熔陶瓷展现高强、热稳定、可变电/热导率，满足高超声速飞行器部件需求——有机聚合物复合材料甚至先进金属合金均难企及。

NRL 还开发增材制造技术将纳米结构融入这些材料，进一步调控介电、热学、电磁屏蔽性能，分辨率超现有材料。即使不认同其国防应用规划，这些材料也可为计划太空探索与火星任务提供宝贵方案。亦可能开辟全生物基复合材料新径，不仅地球上高性能，且可持续、且材料与终端产品可用更少能源资源制造回收。

我非暗示纤维增强复合材料退场或衰退。但随技术发展，我们对复合材料内涵与价值的认知应同步进化。