【文章內(nèi)容簡介】 是可被生物所降解的，當(dāng)然這與材料所處條件如溫度和相對濕度有很大關(guān)系。16復(fù)合材料的介紹復(fù)合材料通常定義為由兩種或多種不同的物質(zhì)結(jié)合在一起所構(gòu)成的具備任何一種組分單獨(dú)存在時都不擁有的某些性能的新材料，而這種新型材料又保留了各組分原來所特有的性能。由這個定義我們可以知道，很大范圍內(nèi)的工程材料都屬于這個種類。舉個例子，多相金屬在微觀尺度上是復(fù)合材料。但一般意義上的“復(fù)合材料”是指通過鍵的作用使兩種或者多種不同的材料結(jié)合在一起的材料。得到的材料有獨(dú)立組分中不具備的性能。復(fù)合材料的概念由來已久，一個簡單的例子就是把秸稈加入到泥土中做成堅固的土墻。最常見的是：復(fù)合材料有個連續(xù)的叫基體的本體相，還有一個分散的非連續(xù)的叫做增強(qiáng)相。一些基本復(fù)合材料的其他例子如：混凝土（水泥和沙子的結(jié)合體），增強(qiáng)混凝土（鋼筋混凝土）和纖維玻璃（玻璃絲加入到樹脂基體中）。大約20世紀(jì)60年代一組稱之為“高級工程復(fù)合材料”（簡稱先進(jìn)復(fù)合材料）的復(fù)合物出現(xiàn)。先進(jìn)材料為采用了樹脂與纖維結(jié)合的復(fù)合材料，一般為碳/石墨，凱芙拉或玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料。纖維具有高的硬度，而將其包圍著的聚合物樹脂基體能保持復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的基本設(shè)計概念是由本體相來承載覆于其表面上的大量負(fù)荷，然后將其轉(zhuǎn)移到能夠承載更多負(fù)荷的增強(qiáng)相材料上。其意義在于許許多多的基質(zhì)材料和纖維規(guī)格，可以以難以數(shù)計的方法相結(jié)合，并產(chǎn)生期望的性能。這些材料首先被研發(fā)用于航天航空工業(yè)，因為只有使它們比純金屬具有較高的硬度和重量或者強(qiáng)度—重量比才能得到應(yīng)用。這意味著金屬部分可以由先進(jìn)復(fù)合材料人工制得較輕的部分來取代。一般來說，碳環(huán)氧樹脂復(fù)合物的重量是鋁的2/3,。復(fù)合材料可以抵抗疲勞破壞和惡劣的環(huán)境，且具有可修復(fù)性。微觀尺度上滿足通過鍵結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合材料也能被生產(chǎn)出來。在鈷粉末中加入碳化物粉末，然后加壓燒結(jié)成型，碳化鎢保留其原有性能。得到的材料是以鈷為基體，其中含有碳化鎢顆粒。這種材料被用來作鉆孔機(jī)，材料被稱為金屬基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料是這樣的一類材料—金屬材料由另一種材料來增強(qiáng)，借以提高其強(qiáng)度、抗磨損和其它的一些性質(zhì)。一般來說復(fù)合材料有兩個相。增強(qiáng)相是沉積在金屬基體上的纖維、片材或粒子。增強(qiáng)材料和基體材料可以使金屬、陶瓷或者聚合物。典型的為增強(qiáng)材料密度低，強(qiáng)度高，而基體材料通常為易延展或者硬質(zhì)材料。復(fù)合材料的一些常見分類如下1增強(qiáng)材料；2金屬基復(fù)合材料；3 陶瓷基復(fù)合材料；4 三明治結(jié)構(gòu)；5 混凝土。復(fù)合材料能夠以很多形式呈現(xiàn)，不過基于其強(qiáng)化機(jī)理一般將其分為三類。這些類別為彌散強(qiáng)化、粒子強(qiáng)化和纖維強(qiáng)化。彌散增強(qiáng)復(fù)合材料是指在金屬集體上第二相粒子有很好的分布。這些例子阻礙材料的變形（材料變形的機(jī)理包括位錯的運(yùn)動和滑移，稍后將進(jìn)行討論）。很多金屬基復(fù)合材料都可以歸入彌散強(qiáng)化復(fù)合材料這一類別中。粒子強(qiáng)化復(fù)合材料是指占有很大體積分?jǐn)?shù)的粒子分散在基體中，負(fù)荷由和基體共同承載。大多數(shù)商業(yè)陶瓷和很多填充型聚合物是粒子強(qiáng)化復(fù)合材料。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維是基體的承載部分，纖維玻璃和碳纖維復(fù)合物是纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的粒子。如果復(fù)合材料設(shè)計和制備合理的話，復(fù)合材料就會既具有增強(qiáng)相的強(qiáng)度又具有基體的韌性從而得到了性能的理想結(jié)合，這是任何一種組分單獨(dú)存在是所不具備的性能。一些復(fù)合材料也具有可被剪切的優(yōu)勢，因此一些像強(qiáng)度和剛度的性質(zhì)可以通過改變增強(qiáng)材料的總量或位向而輕易改變。不利的是這樣的復(fù)合材料要比傳統(tǒng)材料要昂貴。17復(fù)合材料的性質(zhì) 一般來說，復(fù)合材料的物理性質(zhì)并非各向同性（受力方向上的獨(dú)立性），而是呈典型的各向異性（因受力方向不同而不同）。舉個例子，復(fù)合嵌板的剛度通常取決于受力方向或受力部分的位向。嵌板硬度也取決于其設(shè)計。例如：所使用的纖維增強(qiáng)相和基體相，嵌板制造的方法，熱固性與熱塑性、編排方式及纖維軸所受主要力的方向。相反，各向同性材料（例如鋁和鋼）在標(biāo)準(zhǔn)鑄造過程中具有相同的硬度，而不受作用力或力矩的影響。對于各向同性材料來說，受力和應(yīng)變之間的關(guān)系可以用以下材料的性質(zhì)來描述：楊氏模量、剪切模量和泊松比這些相對來說較簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系。就各向異性材料來說，它涉及數(shù)學(xué)中的二階常量，并且有多達(dá)21種材料性能參數(shù)。特別要說的是正交各向同性。對于楊氏模量，剪切模量和泊松比，每個都有三個值—共有9個常量來描述受力與應(yīng)變之間的關(guān)系。復(fù)合材料的失效振動、碰撞或者重復(fù)的周期應(yīng)力均可以導(dǎo)致層狀材料在兩層之間的界面上發(fā)生分離，這種情形稱為分離成層。獨(dú)立的纖維可以從基體種分離出來（纖維剝離）。在微觀或者宏觀尺度上復(fù)合材料都會失效。在宏觀尺度或者在壓縮失效都會變形。拉變失效可以是局部的網(wǎng)狀區(qū)域失效或者微觀尺度上復(fù)合材料的一個或者多個片層由于基體拉伸失效而發(fā)生降解或者基體與纖維之間鍵的斷裂。一些復(fù)合材料很脆，失效幾乎沒有殘余應(yīng)力，其它的卻能遭受有較大的變形和保有吸收能量的能力。纖維和基體的變化可見?；旌衔锟梢酝ㄟ^摻雜獲得，并且其性質(zhì)變化范圍廣，可被設(shè)計成復(fù)合結(jié)構(gòu)。眾所周知，哥倫比亞號航天飛機(jī)的機(jī)翼是碳纖維，升空的時候受到撞擊破損，終于釀成了在它于2003年2月1號返回大氣層時飛行器解體的災(zāi)難性后果。復(fù)合材料的優(yōu)勢為什么使用復(fù)合材料呢，復(fù)合材料最大的優(yōu)勢在于其將質(zhì)輕、高強(qiáng)度和剛度完美結(jié)合起來。通過選擇適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)和基體材料結(jié)合，生產(chǎn)者就可以制造出極其滿足為某些特殊目的所需要特定結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)代航空技術(shù)，包括軍用和民用都是最好的例子。如果沒有復(fù)合材料，效率就會大打折扣。事實上，工業(yè)上對材料既要輕又要具有很好的強(qiáng)度的要求是復(fù)合材料發(fā)展的主要推動力。用先進(jìn)復(fù)合材料去做機(jī)翼、尾翼、螺旋槳、水平懸疑葉片已經(jīng)很常見，而且很多內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝置也是這樣。一些小型航空器的整個機(jī)體是由復(fù)合材料制成的；對于大型商業(yè)航空器，其機(jī)翼尾翼和主板也主要是由復(fù)合材料構(gòu)成。想到飛機(jī)，制得注意的是復(fù)合材料不像金屬（如鋁）那樣在壓力作用下會完全解體。一塊金屬上的裂紋可能會迅速蔓延，并帶來嚴(yán)重的后果（尤其一旦發(fā)生在航空器上）。復(fù)合材料的纖維可以阻止小裂縫的擴(kuò)散，并且可以分擔(dān)周圍應(yīng)力。好的復(fù)合材料應(yīng)具有好的穩(wěn)定性和抗腐蝕性，這使得他們成為處于極端環(huán)境中的理想材料，如船舶、化學(xué)處理器和航空器。通俗地說，復(fù)合材料是相當(dāng)耐用的。復(fù)合材料的另一項優(yōu)勢是他們可以具有設(shè)計的柔順性。復(fù)合材料可以被設(shè)計成復(fù)雜的形狀—沖浪板或者船體外殼。復(fù)合材料的劣勢是其價格，雖然使用復(fù)合材料時加工過程會很高效，但原材料卻很昂貴。盡管復(fù)合材料不可能完全替代傳統(tǒng)材料，例如鋼鐵。但在許多情況下，復(fù)合材料是我們所需要的。毫無疑問，隨著技術(shù)革命，新應(yīng)用也會被發(fā)現(xiàn)。我們已經(jīng)見證復(fù)合材料可以做到。18聚合物納米科技納米復(fù)合材料基于納米復(fù)合材料的聚合物基體在最近所有技術(shù)科學(xué)的研究與發(fā)展中，納米技術(shù)領(lǐng)域是最熱門的領(lǐng)域之一。很明顯這包括聚合物科學(xué)與技術(shù)，甚至在這個領(lǐng)域的研究還覆蓋著很大范圍內(nèi)的不同其他主題。對現(xiàn)代設(shè)備來說，當(dāng)期臨界尺寸小于100nm時，這個領(lǐng)域還包括微電子學(xué)（更多時候會用納米電子學(xué)來代替）。其他的還包括基于以聚合物為基體的生物材料、納米粒子藥物載體、微乳液顆粒、燃料電池用電極的聚合物固載的催化劑、逐層自組裝聚合物薄膜、靜電紡絲納米纖維、平版印刷、混聚物和納米復(fù)合材料。甚至在納米復(fù)合材料領(lǐng)域，很多不同的主題—復(fù)合增強(qiáng)，隔絕性質(zhì)，防火性，光電性質(zhì)，美容應(yīng)用，抗菌性能。納米科技在聚合科學(xué)中的研究中并不陌生，因為在（…）之前的研究已經(jīng)涉及納米級尺寸，只是沒有像最近的納米技術(shù)一樣被專門提及。具有相分離的聚和物共混材料經(jīng)常含有納米尺度的相；嵌段共聚物在形態(tài)學(xué)上來講主要也是納米尺寸；不對稱膜有納米級孔隙結(jié)構(gòu)，微乳液粒徑小于100nm；混合物和復(fù)合材料的界面現(xiàn)象也涉及納米尺寸。更有甚者對于納米復(fù)合材料，合成橡膠中碳黑增強(qiáng)相，硅膠改性還有天然纖維（例如石棉納米纖維直徑）增強(qiáng)相也已經(jīng)是被研究了數(shù)十年的課題。在過去幾十年里研究的基于溶膠凝膠化學(xué)的有機(jī)無機(jī)納米復(fù)合材料已基本淡出復(fù)合材料的研究。從根本上來說，納米尺寸是宏觀尺度到分子水平的過渡區(qū)。最近對基于納米復(fù)合材料的聚合物基體的興趣最初起于對涉及膨化粘土的有意思的觀察，以及更多的最近的研究—碳納米管，碳納米纖維，膨化石墨（石墨烯），納米晶態(tài)金屬，還有大量的附加納米無機(jī)填充物或者纖維改性物。帶有膨化粘土基于納米復(fù)合材料的聚合物基體是重要的改性手段。盡管納米復(fù)合材料的增強(qiáng)相是它的主要方面，但是納米復(fù)合材料的許多其它性能和潛在的應(yīng)用也很重要，包括阻抗性、阻燃性、電/電學(xué)性能、膜性能、混聚物兼容性。納米尺寸和較大尺寸上性質(zhì)的比較是一項重要的考慮。相對于較大尺寸改性，納米尺寸的協(xié)同優(yōu)勢是重要的考慮因素。理解粒子的性質(zhì)隨著尺寸降低到納米級別而發(fā)生改變，這對于優(yōu)化所得到的納米復(fù)合材料很重要。應(yīng)該注意到納米復(fù)合材料系統(tǒng)仍可以用連續(xù)介質(zhì)模型來模擬，這種情況下絕對尺寸是不重要的，因為只有形貌和體積分?jǐn)?shù)對于預(yù)測性質(zhì)才是必須的。當(dāng)粒子、板塊或纖維改性的尺寸在1100nm范圍內(nèi)時，應(yīng)考慮到納米級。對于板塊或纖維，究其范圍（板塊厚度或纖維直徑）最小的尺寸應(yīng)該考慮到?；诩{米復(fù)合材料的聚合物基體的未來有一個納米復(fù)合材料能夠在其中成為很大影響力的商業(yè)杰出材料是先進(jìn)復(fù)合材料。由于基體相的低模量和強(qiáng)度，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在可實現(xiàn)的性質(zhì)改善上有局限（尤其在正交鋪設(shè)復(fù)合材料中）。在小尺寸上利用碳納米管對基體的改性和在相對較高尺寸下利用碳納米纖維改性會使基體的模量和強(qiáng)度相對整個復(fù)合材料來說有很大程度上的改觀。這可以讓單向材料在很多方面得到改善，對于正交鋪設(shè)復(fù)合材料材料（在先進(jìn)復(fù)合材料中利用的主要復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型）來說效果也很顯著。這個概念是對當(dāng)前的考慮，也可以允許復(fù)合材料逐步改變。這個概念在特殊的運(yùn)動器材（網(wǎng)球拍和曲棍球球棒）已經(jīng)得到商業(yè)上的應(yīng)用。這些改進(jìn)對于未來航空器和風(fēng)能渦輪機(jī)的應(yīng)用意義重大。這個方法跟天然復(fù)合材料很類似—等級結(jié)構(gòu)制造方法以納米水平為起點，在多個尺寸范圍內(nèi)應(yīng)用。同樣的概念與更多的商品化的增強(qiáng)復(fù)合物相關(guān)—膨化粘土可以加入到不飽和聚酯—纖維玻璃復(fù)合材料基體或者其他的纖維玻璃增強(qiáng)基體聚合物中。隨著通過納米水平構(gòu)造的天然優(yōu)化材料性質(zhì)的方法秘密的揭開（仿生學(xué)），這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移應(yīng)用到聚合物納米材料會使進(jìn)一步發(fā)展。值得注意的是，納米結(jié)構(gòu)的表面可以產(chǎn)生超疏水特性和獨(dú)特的粘附性。生物和聚合科學(xué)的融合，通常涉及一些模仿生物系統(tǒng)的納米級聚合物和復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計。碳納米管或者膨化石墨（石墨烯）為電/電子/光電子學(xué)領(lǐng)域提供了實質(zhì)上的機(jī)遇，在一些特殊的衍生科技上也有潛在的價值。一個特殊的應(yīng)用是由于其低成本和可隨意更換設(shè)備的優(yōu)勢，碳納米管將作為透明導(dǎo)電體而取代導(dǎo)電玻璃。碳納米管也已經(jīng)被提出來，而且如果它的高電導(dǎo)率可以獲得的話（大于103S/cm），對于碳共軛納米管聚合物材料的潛力也會很有價值。廉價石墨的生產(chǎn)尚未實現(xiàn)，石墨的廣泛使用亟待石墨合成技術(shù)的突破。另一領(lǐng)域涉及包括分散和校準(zhǔn)的形態(tài)學(xué)控制的重要性。獲得納米材料的最優(yōu)化性質(zhì)常常要求納米粒子要具有較好的分散性。納米粒子（包括納米尺寸的小片和纖維）并入到宏觀結(jié)塊中的趨勢會大大影響其已有的性質(zhì)。在特例中，較好的各向同性分散可能不會有預(yù)期的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)，而是有層次的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)且具有獨(dú)特的性質(zhì)—例如通過滲濾方式觀察到的使電導(dǎo)率最大化或者較好的圖案形態(tài)以獲得新穎的光或電子學(xué)性質(zhì)。19納米技術(shù)和納米結(jié)構(gòu)材料隨著越來越多的基于納米材料的產(chǎn)品被引入市場，納米技術(shù)和納米結(jié)構(gòu)材料不僅僅在科學(xué)、研發(fā)領(lǐng)域而且同時在人們的日常生活中扮演者日益重要的角色。納米技術(shù)處理具有納米尺寸的材料，例如納米結(jié)構(gòu)材料，如果材料的大小到達(dá)納米尺寸，它的物理化學(xué)性質(zhì)會經(jīng)歷巨大的變化，這會在未來得到廣泛應(yīng)用，當(dāng)然目前已實現(xiàn)的僅僅是小部分。至少有兩種或者更多的力（因素）來推動納米技術(shù)。大多數(shù)生物分子和其他生物材料是納米尺寸的，因此納米尺度提供了研究這些生物分子、材料和其他生物材料的最佳方法。由于一直對半導(dǎo)體小型化的要求，已經(jīng)深入納米領(lǐng)域的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是（納米技術(shù)的）另一推動力。由上述可知，很明顯納米技術(shù)不再僅僅限制在單一學(xué)科，而是要求交叉學(xué)科的方法，進(jìn)行知識的融合以及要學(xué)習(xí)來自物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、工程和其他很多不同領(lǐng)域的科學(xué)家的方法。納米結(jié)構(gòu)材料的類型納米結(jié)構(gòu)材料有很多不同的分類，例如：（1）納米粒子；（2）特殊的納米結(jié)構(gòu)像納米管，富勒烯，納米線，納米棒，納米（洋蔥），納米（燈泡）（？）和其他相關(guān)材料；（3）厚度在小于100納米的薄膜，可以自組裝成納米材料；（4）納米復(fù)合材料。納米材料的性質(zhì)納米技術(shù)處理尺寸在納米范圍內(nèi)的材料(100nm)。他們可能是由單一孤立的納米粒子，像那樣的納米粒子的聚集體，二維納米結(jié)構(gòu)的薄膜，組分是納米大小尺寸的復(fù)合材料，或者像經(jīng)過光刻和蝕刻得到的例如半導(dǎo)體裝置的納米大小的結(jié)構(gòu)，抑或單一納米結(jié)構(gòu)經(jīng)過自組裝形成的結(jié)構(gòu)。不管納米材料性質(zhì)和它們的制作過程如何，納米材料許多奇異、甚至令人興奮的性質(zhì)可以歸結(jié)為一個簡單道理：如果材料/結(jié)構(gòu)的尺度接近納米時，物理和化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生巨大的變化。后者是由于面積與體積比率的急劇增加。對于半徑為1nm的求，幾乎50%的原子落在表面（在納米管中，所有原子都是表面原子?。┰?