纳热炒之后的米复合材料

寂静天花板 · 发表于 2015-11-13 22:11:04

巴克球、纳米管、石墨烯……几十年来，材料相关的出版物一直充斥着这种纳米技术术语，但是这些炒作有多少真正实现了呢？在某些领域，例如医学领域，它们发挥着作用，纳米粒子现在被用来将药物直接输送到细胞。然而，在其它领域，纳米材料曾经宣扬的应用并没有实现，因此领先的产业数据开始重新评估它们的定位。去年，曾在这一领域大举投资的著名的拜耳材料科技（现名“科思创”）公司宣布将退出碳纳米管业务，可见纳米管“淘金热”已经正式结束；尽管拜耳的首席执行官信誓旦旦地说，他们做出此决定单纯是因为纳米管应用与该公司的核心产品相关性很小。

但其他纳米材料制造商继续降低材料成本，同时提高产品的质量和可靠性。此外，开发重点有所转变——现在的重点是将纳米材料集成到大规模的应用中——复合材料世界正引领着这种变化。

有观点认为，聚合物纳米复合材料使用炭黑和热解硅石作为聚合物增强剂和增稠剂。但随着我们对纳米材料认识的深入，也尝试利用它们来解决复合材料工程方面的挑战。

适应性既是纳米材料最大的优势也是最大的弱点——纳米材料这个术语涵盖了从纳米管和纳米颗粒到纳米粘土和石墨烯等所有材料。即使是官方的定义也是非常模糊的。根据国际标准化组织（ISO）的定义，纳米材料是指外部尺寸为纳米级，以及内部结构或表面结构为纳米级（尺寸范围大于从1nm到100nm）的所有材料。这一定义在2011年发布之时，受到化学行业的批评，认为它太简单了。自那时起，相继又提出了其他定义，但纳米材料定义的不统一仍然是限制其广泛应用的一个瓶颈。

由于纳米材料的范围是如此广泛，它们的潜在应用有很多。这不仅导致了最初的炒作，也引入了一种观点：纳米材料不仅仅是用来解决问题的解决方案。过去五年的转变带来了一个微小但极为重要的改变——纳米材料不再被视为主要的解决方案。相反，它们正与传统填料，如碳纤维，一起发挥着作用。这引发了学术界、材料制造商和终端用户之间更加广泛的协作——纳米技术不再仅限于实验室。尤其是在复合材料领域，纳米材料正遭遇新的挑战，因为它们能够改变任何基体材料的性能。它们可以改变聚合物的光学或流变特性能，或提高其电气、机械或热性能。

庞巴迪英国皇家工程学院复合材料工程教席教授Eileen Harkin-Jones 非常看好纳米材料：“……纳米颗粒与传统复合材料的融合有着巨大的潜力，尤其是在轻量化、增韧和健康监测方面。”

纳米复合材料还有强劲的经济预期——BCC Research 最近的一项研究表明，纳米复合材料的市场将继续增长。到2013年底，全球纳米复合材料的消费量达了190,562吨，价值超过12亿美元。这一趋势有望继续保持，到2019年预计将达到42亿美元。

挑战

在供应链的每个阶段使用纳米添加剂都面临着许多挑战。许多权威专家认为，挑战甚至在这些过程的更早阶段就开始了。英国国家复合材料中心（NCC）的技术总监Mike Hinton 教授说：“目前，这一领域缺乏技术准备水平（TRL）路线图，并深受其苦。从NCC的角度来看，这是被忽视的一步——没有一个清晰的框架来支撑这一基础技术，我们可以经常看到基于零星科学证据的夸张说法。”

谈到生产规模，纳米添加剂仍然落后于其他化学物质，这对纳米复合材料的研究人员和终端用户都有着深远影响。同样来自NCC的Tim Young 博士说：“在将纳米复合材料引入到聚合物复合材料中时，我遇到的主要问题（从实用的角度来看）是，生产所需的量是以吨计的，而不是克。”

在这条供应链上还存在着另一个挑战——纳米材料如何在加工阶段改变复合材料的性能？ Harkin-Jones 教授对此问题特别感兴趣，她认为能否解决该问题是纳米材料能否工业化生产的关键所在。她说：“纳米粒子会影响聚合物的流变学。在某些情况下，流变改性有助于改变纳米复合材料的性能，例如增强某些材料的应变硬化性能。然而，在其他工艺，如滚塑成型工艺中，粘度增加会引发一定的问题。纳米粒子的存在也会对聚合物的结晶过程产生重大影响。然后，这也会对最终产品的生产周期、控冷工艺以及性能产生连锁影响。

那么，如何确保承诺的性能可以实现呢？单片石墨烯可能具有非凡的导电性，但它们在纳米尺寸中所表现出的性能是很难转移到整体材料中的。这是纳米复合材料时代所面临的最大挑战，而且我们对纳米复合材料力学性能的理解还远远不够。

Young 博士还指出，我们需要更明智地利用纳米复合材料，“人们经常使用轻量的复合材料来复制金属组件——这并没有完全发挥复合材料独特的力学性能。在设计组件的时候，就应该考虑采用这种材料，而不仅仅是复制原本已经存在的组件。”

Harkin-Jones 教授强调的另一个主要挑战是监控和过程控制技术的发展——没有这项技术，在大批量处理工艺中，很难保证纳米颗粒分散的均匀性和长径比的一致性。安全也是纳米材料用户所面临的一个问题。人们正在开发适用于纳米添加剂的明确指导方针以及标准，并针对纳米粒子在聚合物加工工业中的安全使用进行严格的风险评估。

现状

今天的纳米复合材料使用环境都是物流相关的。的确，目前已经采用纳米颗粒的产品包括汽车保险杠、机器外壳、包装和涂层。但炒作之后，重点已经转移为如何应对具体的挑战——制造商现在专注于高质量原材料的工业化生产，研究人员正在研究纳米复合材料的加工力学。但不要认为该行业不再景气，其目标依然远大。

Warwick 大学目前正在建设一个全新的机构——纳米复合材料制造国际研究所（IINM：International Institute for Nanocomposites Manufacturing），旨在使工业界有能力实现纳米复合材料部件的大规模生产。IINM 主任Tony McNally 教授说：“IINM 的研究成果将直接影响这一行业，即将进行的研究将植根于基础的工程科学。”

Ulster大学的Harkin-Jones教授和她的团队，正在研究各种碳基纳米填料在中试加工设备上的加工性能，以及纳米粒子如何提高传统复合材料的性能。专门设置的诸如NCC 等机构一直帮助复合材料行业创建一个切实可行的供应链。这反过来将为英国制造商提供商业机会，并将有助于加强整个学术界和产业界的联系。

展望未来，仍然有大量的纳米复合材料技术仍然处于它们的初级阶段。欧盟的石墨烯旗舰项目中有很多项目关注高性能的导电石墨烯复合材料的发展，它的性能将超过目前市场上的任何一种材料。

因此，纳米技术在过去几年可能已经成为昨日黄花，但取而代之的是更持久的集中研究工作，跨学科和领域的研究者们开始参与其中。当然，挑战仍然存在。但新的驱动因素正在推动这一行业向前发展。Harkin-Jones 教授简洁地总结到：“这些材料的巨大潜力凸显了工业化的必要性。我们需要有能力来评估新的纳米材料，这样我们就可以在最短的时间内从实验室转到真实的产品中来。

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