幾個世紀以來，人類經歷了從石器時代、青銅器時代、鐵器時代、玻璃時代、鋼鐵時代、鋁時代到目前的塑料（聚合物）時代。材料時代的所有這些變化都是因為人類的環境在不斷發展，需要改進材料以滿足當前的需求和應用。聚合物基質復合材料 (PMC) 具有一系列優異的性能，包括重量輕、剛度高、比強度高、抗疲勞、耐磨、耐腐蝕、易于制造、經濟高效、設計靈活性高以及理想的熱膨脹特性。這些特性使PMC成為汽車、航空航天、醫療、民用、電子、通信、體育、海洋、軍事、能源、工業、建筑和各種家居用品等眾多領域的熱門復合材料類型。與金屬基和陶瓷基復合材料相比，聚合物基復合材料由于加工溫度相對較低，因此更容易制造。對可持續性、創新和節能技術日益增長的需求促使研究人員和工程師開始生產天然可生物降解的聚合物復合材料來代替合成復合材料，以促進可持續發展。因此，來自植物和動物的天然纖維受到了廣泛關注，包括大麻、棉花、黃麻、亞麻、竹子、劍麻、洋麻、稻殼、苧麻、蕉麻、甘蔗渣、椰殼纖維、凱夫拉羊毛、角蛋白羊毛、頭發和絲綢。研究發現，天然纖維（特別是納米纖維）用作增強材料時，可以顯著改善材料的強度、剛度、斷裂韌性、熱穩定性、電導率和耐磨性等性能，使其非常適用于建筑、汽車、生物醫學、海洋、航空航天和軍事等不同領域。凱夫拉是一種芳綸纖維，用作聚合物有機基質復合材料的增強材料，由于其高抗拉強度、重量輕、剛度和熱穩定性等優異性能，其應用越來越廣泛。凱夫拉在復合材料中的使用有助于開發高性能材料并提高資源效率，使其適用于各種領域，如底盤、剎車片和車輛的不同車身部件、作戰頭盔、防彈面罩和防御用防彈背心、直升機旋翼葉片、機鼻雷達罩、起落架門和飛機螺旋槳、自行車輪胎、繩索和電纜。在生物醫學領域，基于角蛋白的生物材料因其固有的生物學特性和優異的生物相容性，在傷口愈合、藥物輸送和組織工程中的應用越來越多。角蛋白是一種纖維蛋白，是頭發、羽毛、蹄、羊毛和角的主要結構成分。它是家禽和牲畜產業的副產品。人們對使用劍麻、黃麻、香蕉、椰殼纖維、角蛋白和棉花等天然纖維作為增強材料的研究興趣日益濃厚，因為它們重量輕、成本低、環境友好、隔熱、隔音，適用于消費品、生物醫藥行業、運輸業、軍事和民用結構等眾多行業。

為了滿足汽車和其他商業用途對輕質材料的需求，人們開始更多地研究廢塑料等可用的聚合物資源。最近，為了滿足全球對新材料日益增長的需求，人們開展了推廣使用二次材料而非創造新材料的工作。此外，還需要加大力度，尋找具有衍生材料潛力的合適應用領域。因為許多發達國家規定在汽車、航空航天、生物醫學和許多其他領域應更多使用可生物降解材料。除了提高某些聚合物復合材料的性能外，一些天然填料還可以改善合成聚合物的降解。

1. 汽車應用

汽車行業是 PMC 的最大收益者之一，因為它可以節省成本并減輕重量。PMC 所提供的機械性能在車輛設計中具有獨特的重要性，比如減輕汽車重量可提高燃油效率并減少廢氣排放，從而減少空氣污染。據估計，汽車重量減輕25%可節省約 2.5億桶原油，而汽車重量每減輕 10%，燃油效率可提高6%-8%。同時，為了實現這些目標不能犧牲乘客的安全。因此，這三個（輕量化、燃油效率和乘客安全）是汽車設計中需要考慮的最重要的因素。天然纖維聚合物復合材料具有重量輕、強度高、剛度高、設計靈活、沖擊能量吸收率高、降噪減振、耐腐蝕耐磨、生產成本低、可生物降解等特點，是此類應用的理想材料。表1列出了汽車制造商、其車型及其使用PMCs的零部件的示例。

天然纖維聚合物復合材料（NFPC）在汽車部件中的使用仍然存在一些缺點，例如高吸濕性和高可燃性。因此，需要通過混合技術與合成纖維結合，形成具有更優異的機械和結構性能且更具成本效益的混合復合材料。

據估計，航空航天工業消耗了美國整個先進復合材料產量的50%左右。航空航天工業使用這些材料的原因與汽車工業相似。減輕重量、節省成本和輻射屏蔽是這個行業最關注的問題。減輕重量至關重要，因為它會影響燃油效率、速度、組裝部件數量、機動性和增加航程等多種因素。聚合物的輕量化為航空航天工業帶來了最大的優勢，即減輕重量和節省燃料。美國航空公司運營著一個由約 600 架飛機組成的機隊，如果每架飛機的重量減少 1 磅，每年就可以節省多達 11,000 加侖的燃油。通過使用纖維增強聚合物復合材料代替金屬合金，降低加工成本，減少組裝部件數量，從而減少將各種部件連接在一起以及維護所產生的成本，可以節省飛機生產的成本。

研究表明，與金屬基體相比，用納米填料增強的聚合物基質具有更好的輻射防護能力。從而提供更高的 X 射線防護能力。例如，硅橡膠在不同溫度下表現優異，耐輻照、耐化學品和老化，具有獨特的電絕緣性能，因而在飛機上得到應用，而石墨烯、碳納米管和炭黑等碳納米顆粒則具有出色的抗空氣氧化性能。

纖維增強聚合物 (FRP) 復合材料具有獨特的機械、電氣和摩擦學性能，在飛機上使用可以提升設計靈活性、減少廢料、提高耐腐蝕和耐疲勞性、增加強度和剛度、內飾面板的阻燃和耐熱性、提高損傷和沖擊耐受性、耐久性、降低噪音水平、減振性能和抗斷裂性。這些使得聚合物復合材料可用于飛機剎車、艙壁、窗框、旋翼、支架、機身、飛機翼盒、機身、配件、葉片、垂直尾翼、食品托盤臂和尾翼組件等部件。

混合復合材料最近也被采用，因為研究表明它們具有航空航天應用所需的增強機械性能。通過使用混合洋麻/玻璃纖維增強聚合物復合材料，飛機的比強度和抗雨蝕性得到提高，而碳纖維增強碳化硅在用于生產飛機剎車時往往能承受高達 1200°C的溫度?；旌螰RP 復合材料被廣泛用于波音飛機的各種部件。在 A320飛機中，與使用鋁合金相比，使用 FRP 復合材料可減輕約800公斤的重量。在印度14座飛機SARAS（圖1）的設計和制造中，使用PMC有助于減輕重量，比使用金屬合金的飛機減輕近 25%。此機型PMC只有一個機身部件，沒有緊固件，而使用金屬合金則有31個不同的部件，總共有3400個緊固件。

圖1印度SARAS

醫療領域是公認的領先行業，聚合物復合材料在醫療領域的應用取得了最新的進展。聚合物復合材料兼容機械強度、生物降解性、精確控制、生物相容性、仿生性、致密性和生物可吸收性等。生物聚合物材料由于其生物相容性，可以巧妙地模仿生物材料的形態特征。它們的應用領域包括但不限于傷口敷料、醫療器械、組織工程、口腔組織、蛋白質固定、藥物輸送、再生醫學、骨骼和韌帶應用、血管、抗菌材料和外科植入物。生物醫學領域利用天然聚合物，如殼聚糖、膠原蛋白、瓜爾膠、藻酸鹽、瓊脂、果膠、車前草、普魯蘭多糖、淀粉和纖維素，以及合成聚合物，如聚酰胺 (PA)、聚乙醇酸 (PGA)、聚乳酸 (PLA)、聚己內酯 (PCL)、聚乳酸-乙醇酸共聚物 (PLGA) 和聚酯酰胺 (PEA)，同時還使用纖維作為其主要增強形式。聚合物復合材料在生物醫學應用中的更詳細用途可以廣義地分為硬組織（骨）和軟組織（皮膚）。

3.1. 骨骼

骨骼是一種形態學組成部分，能夠自我調整和重塑，以適應任何所處的機械環境。骨骼由羥基磷灰石 (HA) 納米晶體、骨細胞、粘多糖、膠原纖維和血管組成。羥基磷灰石經常用于移植物和骨填充物，可以從動物廢骨中輕松獲得。它們的持續使用包括其骨傳導性，這種特性使骨細胞能夠快速發育。因此，它們可用作骨填充物來幫助骨折修復，而骨折修復是骨骼最常見的疾病之一。天然和合成的可降解聚合物復合材料因其優異的機械和生物學性能而被廣泛用作骨修復支架。

3.2. 皮膚

皮膚是人體最大的免疫系統器官。這賦予了它防止病原體進入人體的責任。然而，皮膚仍然面臨著感染、燒傷和壞死等風險。因此，使用可生物降解和生物相容性的聚合物復合材料進行皮膚再生引起了研究人員的極大興趣。研究表明聚合物材料非常適合藥物輸送系統，因此它們被廣泛用作藥物輸送材料。例如，聚合物基水凝膠被用作藥物分子的載體，如抗癌藥、抗生素藥和抗真菌藥。此外，聚合物材料還用于傷口敷料，為傷口部位提供保護，幫助加快愈合過程，以及用于組織工程，通過促進新細胞的發育來幫助復制丟失或受損的組織。表2列出了一些用于生物醫學應用的不同聚合物基復合材料。

過去幾十年來，建筑業一直在尋求新材料和新設計工藝，以增強世界各地建筑物和橋梁結構的結構、機械和環境性能。傳統材料鋼材、混凝土和水泥雖然可使用時間很長，但不足以滿足某些機械和環境要求，因此有必要研究能夠滿足這些要求的新材料?；炷梁退嘧畛Ｓ米鹘ㄖ?，它們的創新力不足，鋼材在某些情況下也表現不佳。這些傳統材料的一些缺點是，水泥生產會引起嚴重的環境問題，因為生產一噸水泥會產生約一噸二氧化碳，而且當暴露在堿性或酸性環境中時，外表面也會迅速變質。此外，水泥混凝土還具有孔隙率高、空蝕、抗彎強度低、耐磨性低、抗拉強度低、凝固時間長、耐久性差等特點。當基礎設施長期無人看管時可發生不同類型的退化。結構退化的一些原因包括環境暴露、材料使用不合格、設計不良、施工質量差等。

如今，纖維增強聚合物復合材料 (FRPC) 已被研究用作眾多土木工程應用的優良材料替代品，因為它具有強度高、重量輕、耐腐蝕、延展性好、易加工、成本低、美觀等獨特性能。與普通建筑材料相比，FRPC 有助于提高強度重量比和剛度重量比。例如，聚合物混凝土可用于替代水泥混凝土，因為其強度高、耐腐蝕、耐磨、耐化學性好、延展性好、耐久性高、滲透性低、維護要求低、固化收縮率低、粘合性好、環保、減震性高、耐候性優異、抗凍融性好。這些特性使聚合物混凝土非常適用于各種土木工程應用，包括地下建筑、橋面、建筑覆層、地漏、下水道管道、公用設施箱、飲用水過濾板、預制產品、工業地板、地漏、水工結構、維修和保養目的、預制和鑄造目的、溝槽線、地熱能、酸罐、機場跑道等。此外，值得一提的是，在聚合物混凝土的開發中，環氧樹脂主要用作粘合劑，而更廣泛的材料用作填料。它們包括棕櫚油燃料灰、PET纖維、硅灰、甘蔗渣灰、粉煤灰、大理石廢料、碳酸鈣等。

先進復合材料對建筑行業至關重要。腐蝕是混凝土劣化的主要原因，為了防止腐蝕，人們使用 FRPC 板來控制腐蝕的影響、提高結構強度，并通過用板材包裹混凝土柱來修復混凝土柱。混凝土柱的能量吸收、剪切能力、承載能力和損傷控制也得到了提高。它們還用于加固公路結構、梁、橋梁結構、板、鐵路結構、墻體和梁柱接頭。

近幾十年來，先進復合材料因其優異的工程性能而在海洋工業中得到廣泛應用。纖維增強聚合物復合材料 (FRPC) 材料可以有效利用生物熱塑性塑料，如聚乳酸 (PLA) 或其他熱塑性塑料，如聚酰胺或聚丙烯。目前，需要進一步轉變材料選擇，從環氧樹脂和乙烯基酯樹脂轉向碳、玻璃和芳族聚酰胺增強材料。人們比較了用鋼、鋁或夾層材料制造的大型巡邏艇的成本、重量和結構性能。研究發現，由玻璃增強塑料 (GRP) 夾層復合材料制成的巡邏艇的結構重量應比鋁制艇輕 10%，比同等大小的鋼制艇輕 36%。此外，使用混合復合材料（例如混合玻璃碳增強聚合物復合材料 (GCG2C)）最有助于長期保持材料在海洋工業中高效運行所需的機械性能?；旌?(GCG2C) 具有 462 MPa 的極高抗彎強度，吸水率極低。同樣，混合亞麻和碳纖維復合材料可用于替代鋁 6061 作為結構材料，因為它可將減震性能提高約141%，將拉伸強度提高252%，同時重量減輕49%。使用黃麻和碳纖維作為混合復合結構的增強材料也有助于提高減震性能以及經濟和環境可持續性。

先進復合材料具有一些突出的性能，這些性能促進了它們在海洋工業中的應用，包括良好的強度重量比和剛度重量比、高耐久性、提高尺寸穩定性、增加航程、滿足隱身要求的平整度、設計靈活性、降低燃料消耗、制造和維護成本、降低電磁特征、提高速度、減少磨損、低吸濕性、耐腐蝕、抗沖擊和抗性、增強的減振特性、隔音、耐腐蝕海水、提高效率、高承載能力、低慣性、增加浮力和高水平的聲學透明度。因此，由于這些優異的性能，船舶建造業、可再生能源業、海上結構業和修理業等海洋行業大量使用它們作為配件和內部設備，如閥門、管道、泵、熱交換器、管道、海軍艦艇、小型船舶、上層建筑、桅桿、甲板、艙壁、機械、螺旋槳、舵、推進軸，用于驅逐艦、護衛艦等軍艦設備，用于配件、氣墊船、輕型護衛艦、魚雷發射管、天線箱、發動機部件、油箱（水、燃料、潤滑油）、渡輪、轉子葉片、天然氣管道、船體、支柱、浮動平臺（如肌腱、立管和支撐結構）、帆船、游艇和駁船、上部結構、欄桿、機鼻雷達罩、潮汐和風力渦輪機葉片以及聲納罩。

多年來，納米材料的使用在國防和軍事領域呈驚人的增長趨勢，顯著提高軍事設備的性能并提高人員的舒適度和生存機會。圖2顯示了國防和軍事部門使用的各種納米材料。聚合物納米復合材料 (PNC) 在傳感、軍事醫學、智能結構和紡織品、發電和管理、軍事武器和空氣動力學等各種軍事和國防部門中的應用急劇增加。PNC 是一類聚合物復合材料，其聚合物基質用納米級顆粒（納米粒子）增強，因此具有出色的抗疲勞和抗斷裂性能。PNC 用于生產更輕、更小、更便宜、更精確、更智能和更堅固的軍事設備、材料和結構。

圖2.國防和軍事領域使用的各種納米材料

總體而言，軍工行業與運輸業聯系緊密。因為軍事和國防領域不可避免地會使用車輛、飛機、輪船和無人機。與民用車輛、輪船和飛機相比，它們的用途更為特殊，因為它們有諸如阻燃、減震、電磁屏蔽、傳感器、耐高溫、車輛防護襯墊、執行器、防彈性能、電能存儲（電容器）和微波吸收等特殊要求。例如，在軍艦中，船舶生產公司英格爾造船公司通過使用碳增強乙烯基酯樹脂和酚醛玻璃纖維層壓板分別建造完整的甲板室和屋頂，滿足了以上的一些要求。在船舶的其他部件中，聚合物復合材料用于制造天線、桅桿和透明雷達。同樣，洛克希德·馬丁公司的 F-35 閃電戰斗機的機身、機翼、水平和垂直穩定器等部件也采用碳纖維增強聚合物 (CFRP) 復合材料制成，以增加韌性和耐用性。

在士兵防護領域，PNC可有效用于制造防彈衣、智能紡織品、手套和靴子。聚合物基質經凱夫拉和石墨烯等納米材料增強后，有助于生產出非常堅固、智能且輕便的高科技戰斗服。當進一步應用剪切增稠流體（含有納米顆粒分散液的流體），例如聚乙二醇中的二氧化硅納米顆粒時，它們將導致生產出更靈活、更致密和更堅固的防彈衣。這些防彈衣有助于穿戴者靈活移動，保護身體免受化學物質和毒素的傷害，并抵御高速子彈的沖擊以及防御鐵條、石頭和棍棒等鈍器。圖3展示了俄羅斯最近用 PNC 制成的戰斗服的典型示例?！靶乔虼髴稹备呖萍佳b甲利用了石墨烯納米填料的獨特性能，這種填料具有出色的強度（比鋼強 100 倍）、重量輕、高疏水性、高耐久性、出色的導電性和導熱性以及防彈能力。裝甲由有色夜視頭盔、無線電電纜、外骨骼層、手套、加墊卡其布和槍支組成。一些先前的研究人員廣泛介紹了石墨烯、納米填料在聚合物復合材料中用于軍事應用的更多好處。

圖3俄羅斯先進的高科技裝甲產品，包括外骨骼或外層，旨在增強力量和耐力

目前，聚合物基復合材料被用于人類活動的各個領域，包括交通運輸、土木建筑、生物醫學、軍事、體育和休閑、食品和包裝以及電氣和電子。因此，在未來材料的競爭中，聚合物如何解決未來挑戰？納米技術已被確定為前進的方向之一，通過將納米技術的優勢與聚合物基材料的優勢相結合，將獲得更先進、更有活力的材料。通信、電子、能源、家居、包裝、體育和休閑行業在聚合物納米復合材料的應用中也毫不遜色。例如，在體育和休閑行業，一家澳大利亞沖浪板制造公司 Samsara Surfboards 正在生產可持續且環保的超高性能沖浪板。沖浪板由亞麻/PP、亞麻/PLA 和亞麻纖維混合制成，在整個生命周期中非常環保。此外，德國公司 AX-Lightness GmbH 是一級方程式賽車領域的主要聚合物復合材料供應商，該公司生產了高科技山地自行車，車輪分別由環氧預浸料和編織碳纖維作為聚合物基質和增強材料。在電氣電子領域，PNC可用于制造開關設備、面板、連接器、絕緣子、電容器蓋、耳機蓋和鋰離子電池蓋等。

Polymer-Based Composites: An Indispensable Material for Present and Future Applications, 19 October 2020, Isiaka Oluwole Oladele, Taiwo Fisayo Omotosho, Adeolu Adesoji Adediran