持 续 发 展 的 材料 领域
无论对于任何机械或土木工程项目，材料选择始终 涉及到权衡的问题。 其中存在着大量的变数——数十项物理特性、成本、 可持续性——永远不可能有一种能够适合任何工作 的完美材料。尽管如此，工程师和科学家们仍在继 续探索。
为特定的工业或建筑应用找到完美的材料 可能是一个复杂的过程。无论是依赖阿什比 图表、多标准分析，甚至是人工智能，决策过 程中的共同主线就是在目标和制约之间进行 权衡。
近几十年来，工程师们可以使用的材料种类 激增。尽管这并没有改变需要做出权衡这一 基本需求，但在这种权衡方面可能发生了微 妙的变化，目标变得比制约更重要。
或者，换句话说，我们更有可能根据 自己想要的来选择材料——而不是 根据准备放弃的东西。
下面，我们一起探讨材料设计方面的创新会 如何继续扩大工程师们的选择和可能性。
纤维增强复合材料
在几乎所有行业（航空、运输、能源、土木工 程、机械制造等）领域内考虑新材料时，都 不可避免要从复合材料开始。复合材料更像 是一个类别而不是一种材料，因为一种复合 材料可以是任何两种或多种材料的组合，从 而形成与其组成部分不同的性能。但总的来 说，在大多数行业中，“复合材料”是指聚合 物和增强材料的组合。
作为一个概念而言，这种类型的复合材料 并不新颖。纤维增强复合材料——采用玻璃 纤维来增强不饱和聚酯树脂——就诞生于 1930年代。在随后的几十年里，碳纤维和 环氧树脂的使用等创新使得这项技术用于 军事和海洋应用。但真正产生变革性的影 响是在1970年代。
随着石油价格的上涨，碳纤维增强聚合物 （CFRP）的高强度 - 重量比这一特性对航空 工业产生了极大的吸引力。减轻飞机的重量 在经济上越来越有吸引力，因此推动了碳纤 维复合材料的发展和商业化。
诸多具有优势的特性
可以说，高强度 - 重量比仍然是这类复合材 料中最出色的品质，但也会有更多有价值的 特性。根据所使用的聚合物，具体的特性也 会有所不同，一般来说，CFRP（碳纤维复合 材料）具有较高的导热性和导电性、耐腐蚀 性、抗拉强度和刚度。使用不同的增强材料 会极大地改变这些品质。例如，如果使用芳 纶（一种强合成纤维）代替碳，所得到的复 合材料则更加柔韧、耐用，而且不导电。
这种多样化的特性有助于解释为什么复合 材料继续在如此之多的行业和应用中运用。 最近的创新是将CFRP 用作斜拉桥上的缆 索，以及由于其阻尼特性，用于工业机械中 的快速运动部件。
更广泛使用复合材料的主要障碍在于生产成 本方面。此外，在各种不同基质中使用多种材 料和排列增强纤维会增加结构复杂性，使得 力学性能和磨损性能的预测更具挑战性。设 计安全、坚固的连接也是许多行业面临的挑 战，因此促成了洛帝牢X 系列防松垫圈等先 进螺栓连接技术的研发。这些技术采用弹簧 机制来补偿使用螺栓将两种聚合材料连接在 一起时可能发生的松弛现象。
生物基聚合物和复合材料前景广阔
工业应用中使用的大多数聚合物仍然来自 化石燃料，这引发出可持续性问题。近年来， 对利用可再生资源作为原料的生物基聚合物 的关注迅速增长。
Peter Mannberg 是瑞典独立、国有RISE （瑞典国家研究院）的部门经理，从事探索聚 合物和复合材料对环境影响的研究。
“我们的目标是为轻量级应用找到可持续的 解决方案，”他说，“最常用的复合材料来源 于化石石油，包括碳纤维和塑料。我们想用 可再生资源来替代。这意味着使用我们现有 的原料——可用的基础材料——制造出新材料， 取代影响环境的材料”。
Mannberg 的团队已经研究了林业和农业 残留物等材料来源，但其中一种原料似乎引 起了他极大的兴趣。“草芦生长在沼泽地里， ”他说，“因此可以广泛种植，而无需使用原 本用于种植粮食的土地。这很重要。我们可 以通过几种不同的方式使用这种草来制造 复合材料”。
最简单的途径就是用茎和木质材料作为增 强纤维。尽管由此得到的复合材料其应用 范围相对有限，但仅在室内使用时却已足 够坚固。一种更具进取性的方法是用这种 草来制造碳纤维。
“ 多 年 来 ，我 们 RISE 一直在研究使用 木 质 素 来 制 造 一 种 纤 维 ，然 后 将 其 碳 化，”Mannberg 解释道，“也可以用生物质 中的另外两种基本成分：纤维素和半纤维 素来实现。从草中提取木质素用于制造纤 维，然后采用相当复杂的工艺加以碳化。
“所获得的就是碳纤维，在我们目前 拥有的纤维中，这种纤维的强度最高， 可用于高端应用中的复合材料”。
替代化石基材料
当然，这只是碳纤维复合材料中的一种成 分。不过，Mannberg 乐观地认为，草芦也 可用于生产聚合材料。
“市面上已经可以买到由生物材料制成的低质 量塑料，例如塑料袋，”Mannberg 说，“我们 正在寻找制造生物基塑料的方法，代替汽车 和航空应用这两个领域所使用的环氧树脂 和热固性塑料。这涉及到将木质素分解到分 子水平，并对其进行构建，形成与目前从石油 中提取的材料相同的物质”。
尽管一些公司正在尝试使用木质素来制造 碳纤维，但Mannberg 所述的大部分工作仍 处于研究阶段。
“这些都是我们可以在实验室阶段做的事情， ”他解释说，“就目前而言，与从石油中制造 塑料和纤维相比，获取分子然后再制造塑料 和纤维的过程成本更高。因此，这需要立法 和消费者的推动，才能将这类产品用于商业 用途”
量身定制的解决方案
RISE 作为一家专注于应用研究的机构， 还参与了一些项目，以使多年来一直被认 为是工程材料未来的纳米复合材料的研 究工作变得更加可行。
纳米复合材料这一术语涵盖了范围较为广 泛的材料。无论任何复合材料，只要纳米 颗粒作为其中的增强组成部分，即可称之 为纳米复合材料。这类粒子至少有一个尺 寸小于100纳米（nm）。加入这种尺寸的 粒子可以从根本上改变材料的物理特性。
Guan Gong 是RISE 的资深科学家，她 的工作包括使用纳米材料来改变复合材 料的某些特性，以满足特定的工业要求。
“我们根据最终用户的需要，研究 使用纳米材料来增强或修改不同 的性能，”她解释说，
“例如，客户可能会找到我们说，‘我们想 要提高导电性和导热性，或者我们只是 想要更好的导热性’。或者，‘我们需要 复合成分，对氧或许多其他物质具有良好 的阻隔性’。我们根据这些要求，筛选纳 米材料，找到具有这些卓越品质的材料， 然后构思并验证解决方案。我们一般的 方法是先提问，需要什么？ 客户需要的 最关键品质是什么？”
要求严格、具有挑战性的过程
勿庸置疑，这并不像查几个表格那么 简单。由于纳米材料具有广泛的物理 属性，加上成本、能效和易生产性等因 素，要想研究出合适的纳米材料、复合 材料和工艺组合始终是非常复杂的工 作。Guan Gong 解释说，但这并不是普 及纳米改性复合材料的唯一障碍：
“主要的 技 术 障碍 是 分散性 。要将 纳 米材料的优异性能转化到复合材料之 中，就需要将粒子成功分散在复合材料 中，”Guan Gong 说，“尽管可以使用不 同的技术，但仍然很难获得想要的分散 状态，尤其是存在纤维增强时。纳米改性 复合材料的工业应用尚不成熟。
“大多数纳米材料，例如碳纳米管和石墨 烯，都很昂贵。解决这个问题的方法是 使用非常少量的纳米材料，但由于我们 无法达到良好的分散效果，因此必须使 用超过严格必要量的材料”。
此外，在制造或处理纳米材料时，遵循严 格的安全规则也至关重要。否则，可能会 对人类健康和环境构成威胁。
尽管如此，Guan Gong 的部门已在这一 领域与许多私营部门合作伙伴进行了成 功的合作，包括航空、船舶、汽车、林业 和能源行业的公司。