综述：生命周期评估、材料可持续性指标以及轻质聚合物应用的技术成熟度：原理、最新加工工艺及应用领域的综述

《Next Materials》：Life cycle assessment, material sustainability metrics and technology readiness levels for lightweight polymer applications: A review on principles, recent processing and applications

　　I.O. Oladele | V.O. Oki | E.M. Maldaye | B.A. Makinde-Isola | M.A. Ajayi | S.O. Adelani | F.O. Olanrewaju
冶金与材料工程系，尼日利亚阿库雷联邦技术大学，PMB 704

**摘要**
近年来，全球对用于各种工业应用的轻质和可持续材料的需求不断增加。这一需求由节能要求所驱动，促使许多研究人员寻找能够填补这一空缺的材料。此外，新兴的环境和性能挑战要求新的材料创新，以实现更高的功能性和最小的生命周期足迹。因此，本文综述了先进的轻质聚合物和聚合物复合材料系统，这些系统不仅能够减轻重量，还能提供可持续的解决方案。文章评估了这些材料在机械、热性能和多功能性方面的基本原理，以及当前可用于制造这些材料的工艺，并考虑了在移动设备、建筑和生物医学领域中对可持续和轻质材料的高需求。文章还通过已建立的试点测试和时间线来验证优先解决方案的有效性，同时创建了生命周期分析（LCA）和材料护照，并建立了标准化指标。此外，研究还表明，需要扩大可再加工化学物质的规模以达到技术成熟度（TRL），这表明这些轻质聚合物解决方案在实际应用中在性能、环境和经济方面都是值得投入的。

**1. 引言**
近年来，人们对材料加工、应用和处置的环境影响认识日益加深，这影响了研究和研究的方向。目前，在许多行业中，轻质聚合物材料受到青睐，因为减轻重量可以提高单位重量的能源效率，从而提升产品性能。例如，美国能源部估计，如果车辆重量减少10%，其燃油效率将提高6-8% [1]，这强调了材料选择与系统级能源需求之间的紧密关系。因此，包括航空航天、汽车（陆地、航空和海洋）、建筑以及户外娱乐/设备行业在内的领域正在使用具有更高强度重量比的先进聚合物复合材料，以设计更轻、更节能的产品 [2] [3]。类似的好处也适用于建筑环境，轻质建筑材料可以减少结构负荷，加快施工进度，并在整个建筑使用寿命期间降低能耗 [4]。

除了汽车和基础设施领域外，轻质可生物降解聚合物（如聚己内酯（PCL）也被用于生物医学应用。PCL越来越多地应用于组织工程支架和长期植入设备中，其低密度、生物相容性和可控降解性对于与生物系统的功能整合至关重要 [5]。总体而言，轻质聚合物材料使系统能够在使用更少材料的情况下实现更高的功能性和性能。

本文从可持续性的角度（基于生物的和可回收的）探讨了轻质聚合物和聚合物复合材料系统，重点关注基于生物的、可回收的和可再加工的材料平台。我们按照材料类型（块状、蜂窝状/结构化以及增强/混合类型）和轻质设计的基本原理进行组织。文章将每种材料类型与能源、交通、建筑和生物医学领域的应用联系起来，说明材料结构和加工策略如何转化为系统级的效益。例如，仅基于绝对性能（如强度或刚性）的传统评估方法不足以评估轻质材料。相反，新兴的指标强调按密度标准化的性能（即材料相对于其重量/密度的强度/刚性）。更具体地说，“比强度（强度/密度）”和“比模量（模量/密度）”等指标正在开发中，以便在不同材料之间进行相对比较 [6]。聚醚醚酮（PEEK）的重量与强度比表明，在某些应用中，根据载荷/温度几何形状，PEEK可以在质量相当的情况下替代某些铝制部件 [7]。在碰撞安全性评估中，可以使用比能量吸收（单位质量的能量）。在传统的轻量化背景下，可能存在权衡（例如，提高强度可能会牺牲韧性），而轻量化（即密度）可能会影响环境性能 [4]。

因此，本文探讨了如何通过轻质材料设计材料/结构，以平衡机械性能、耐用性和可持续性。特别关注材料结构、多功能性和生命周期考虑在缓解这些权衡中的作用。本研究将性能指标与环境指标相结合，明确轻质聚合物不仅可以用于减轻重量，还可以实现长期的功能性、经济性和环境价值。

**2. 基于聚合物的轻质系统分类**
**2.1. 块状聚合物基体和可持续替代品**
除了传统聚合物外，还有许多可持续的替代品。其中最重要的是基于生物的聚合物，如聚乳酸（PLA）或基于生物的聚氨酯（来自可再生资源，如植物油），它们正在许多应用中取代石油基聚合物。PLA是一种脂肪族聚酯，密度约为1.25 g/cm3。其拉伸强度（约50-60 MPa）和拉伸模量（约3.4 GPa）与PET相似 [8]。重要的是，聚乳酸（PLA）是一种可以在商业堆肥设施中高温下堆肥的生物聚合物。但在户外环境中，PLA不易分解，除非经过强化热处理或化学处理以促进与水分等因素的反应，从而降解聚合物结构 [8] [9]。聚氨酯（PU）现在可以使用大豆油、蓖麻油和木质素等生物基多元醇生产，为传统的化石燃料基聚氨酯提供了绿色替代品。目前可用的PU泡沫正专注于用生物基多元醇替代石油基多元醇，作为新一代可持续刚性PU泡沫芯材料的原料 [10] [11]。

其他值得注意的新材料还包括回收聚合物和相容化的回收物。经济回收的的消费后聚丙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PP或PET）常被用作基体；然而，它们通常需要相容剂才能获得满意的结果。相容化（例如马来酸酐接枝偶联剂）对于在混合废物中提供足够的界面粘附性至关重要 [12]。例如，一种包含回收PET和相容剂的系统可以产生几乎与原生PET相当的机械性能 [13]。回收的聚乙烯和聚丙烯（PE和PP）可以通过使用相容化基体和纤维或颗粒填料恢复到其原始状态 [14]。对于下表1中列出的所有基体，需要注意几个参数，包括密度、热性能（如Tg和Tm）、熔融流动指数以及聚合物是否真正可回收或可生物降解。这些属性将决定可以使用哪些加工技术（如挤出、注塑、压缩成型和热固性固化）或应用。下表列出了可用于各种轻量化应用的低密度复合材料的基体，以及与这些潜在基体相关的信息，这些信息将用于回答未来的问题。对于每种基体聚合物，我们指明了它是可持续的、基于生物的还是可回收的工程聚合物。还强调了与这些基体相关的典型密度和转变温度（例如拉伸强度或拉伸模量），以及可用于制造这些基体的典型制造/加工技术。

**2.2. 蜂窝状和结构化聚合物材料**
制造可控的孔隙或晶格结构可以使结构非常轻便但仍具有功能性。聚合物泡沫（开孔和闭孔）和3D打印晶格就是例子。聚合物泡沫中含有气泡，导致非常低的密度和高表面积 [18]。气体含量、形状、大小和开孔/闭孔性质将决定其行为和性能，小而均匀的孔隙会产生最高的强度重量比，而开孔或闭孔则具有最高的能量吸收和渗透性 [19] [20]。工程泡沫（通常用于夹层芯材）可以通过设计实现惊人的比刚性和强度性能 [21]。例如，高密度的刚性PU泡沫（在航空航天夹层芯材中）可以最大化强度重量比，而低密度的膨胀聚苯乙烯或聚酰胺（EPS或PA）泡沫则用于航空航天结构，以实现最大的碰撞能量吸收重量比 [18] [22]。有多种方法可以制造泡沫，包括化学或物理发泡剂（如超临界CO?）、气体注入或模板方法（如冷冻铸造）[5] [23]。聚己内酯（PCL）因其优良的性能而被广泛使用。它具有优异的生物相容性，可生物降解，并具有出色的机械性能，使其成为理想的泡沫候选材料。使用超临界CO?的无溶剂加工方法可以生产环保的开孔泡沫，用于组织工程和轻质绝缘材料。图1总结了其关键功能特性。

**图1. 聚己内酯（PCL）的关键功能特性，包括生物降解性、生物相容性、无毒性和加工性。数值基于文献报告的比较评估，范围从0（最低）到5（最高）[5]。**

气凝胶是一种多孔蜂窝材料，密度<0.1 g/cm3，主要由聚合物（间苯二酚-甲醛或二氧化硅模板）组成，具有出色的热绝缘性能，但质地脆弱 [24] [25]。然而，最近的发展使得可以制造出具有降低脆性的晶格形状聚合物气凝胶（增材制造，例如直接墨水书写），并具有目标孔隙率。蜂窝和晶格芯材是另一种工程材料。通过形成六边形蜂窝单元，蜂窝和晶格芯材可以用更少的材料提供接近板材的刚性，并显著提高能量吸收效率 [26] [27]。例如，一种基于聚合物的蜂窝芯材的改进版本能够吸收比传统Nomex蜂窝芯材多约2.3倍的能量 [28]。增材制造的发展使得可以制造具有类似激光控制的3D打印晶格结构（体心立方结构、八面体桁架结构），可以精确控制梁的厚度和单元格几何形状 [29]。打印晶格结构的刚性和强度与其相对密度相关。Egan等人 [30] 表明，增加打印晶格结构的支柱厚度可以线性提高模量和屈服强度。连续纤维增强在打印晶格结构中可以提高性能；一份报告 [31] 指出，带有纤维增强的3D聚合物晶格结构可以在机械性能上提高多达300%。因此，已经开发了制造泡沫、气凝胶、蜂窝和3D打印晶格（或夹层）结构的方法，旨在与现有设计范式互换。表2总结了相对密度/体积、平均单元格尺寸、用于制造每种设备的增材制造技术及其轻量化性能（比惯性、SEA和热绝缘性）。**结构化和蜂窝状聚合物系统：典型指标与制造方法**

**结构化系统**
- **相对密度/孔隙率**
- **典型单元尺寸/单元胞**
- **典型结构指标/备注**
- **制造/加工**
- **主要轻量化功能与应用**
- **关键参考文献**

**聚氨酯硬质泡沫（工程核心）**
- 相对密度：0.05–0.30（孔隙率70–95%）
- 单元尺寸：数十至数百微米（取决于工艺）
- 优良的压缩模量；适用于夹层核心；良好的隔热性能
- 制造方法：化学/物理发泡、泡沫注塑成型、生物多元醇配方
- 应用领域：夹层核心（航空航天、运输）、隔热材料、轻质板材
- 参考文献：Santos等人，[16]

**PCL/可降解泡沫（scCO?发泡）**
- 孔隙率通常为55–85%
- 单元尺寸：40–250微米（取决于参数）
- 可调节的机械性能；用于能量吸收和生物医学支架
- 制造方法：超临界CO?发泡（绿色、无溶剂）及组合工艺（浸出、模压成型）
- 应用领域：组织支架、轻质生物医学设备、吸能垫（特殊用途）
- 参考文献：Zhou等人，[5]

**气凝胶（聚合物/PPS气凝胶）**
- 极低密度：<0.1 g·cm?3（高孔隙率）
- 纳米至微米级孔隙网络
- 优异的隔热性能；低刚性（除非经过特殊设计）
- 制造方法：溶胶-凝胶转化、超临界干燥；增材制造（直接墨水书写、TIPS+挤出）
- 应用领域：建筑隔热、航空航天隔热毯；特定结构用途
- 参考文献：Tafreshi等人，[24]

**工程蜂窝芯（聚合物蜂窝）**
- 相对密度可调（通常0.05–0.25）
- 单元尺寸：毫米至厘米（单元几何形状起决定性作用）
- 优异的弯曲模量；高效的平面外压缩能量吸收
- 制造方法：膨胀工艺、增材制造、波纹处理及与表皮粘合
- 应用领域：航空航天/运输用夹层板材、吸能衬里
- 参考文献：Cheng等人，[26]

**3D打印聚合物晶格/连续纤维晶格**
- 相对密度：0.05–0.5（取决于设计）
- 单元尺寸：亚毫米至毫米
- 比强度和比能量吸收能力随相对密度显著变化；连续纤维显著提高比强度
- 制造方法：FDM/FFF技术；双喷嘴连续纤维浸渍；DLP/SLA技术用于聚合物晶格
- 应用领域：轻质结构部件、吸能结构、优化连接/部件集成
- 参考文献：Sadeghzade等人，[31]，[32]

**2.3. 增强与混合聚合物系统**
- 高强度、高刚性但重量相对较低的产品需要纤维和颗粒增强。纤维增强复合材料可采用聚合物基体与玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及天然纤维制成，并可添加纳米颗粒（如石墨烯、碳纳米管、纳米粘土）[33]。
- 复合材料分为两类：短纤维批量模制和连续纤维系统[34]。
- 当前市场上最强的复合材料是单向碳纤维增强复合材料（PEEK或环氧基），广泛应用于航空航天和高端汽车行业[35]、[36]。
- 尽管玻璃纤维的刚性低于碳纤维，但其成本更低，因此广泛应用于船舶制造、体育器材等[37]、[38]。
- 最近，人们越来越关注使用天然纤维（黄麻、亚麻、竹子）与可降解聚合物基体结合，生产环保的汽车内饰材料[39]、[40]。
- 混合复合材料结合多种结构设计[41]。
- 大多数复合材料同时包含泡沫和纤维复合材料，例如碳纤维夹层板与聚合物泡沫核心，具有极高的弯曲模量与重量比，适用于航空航天面板[21]、[27]。
- 其他泡沫材料添加微填料（如碳纳米材料和粘土）以提升机械性能和/或热导率/电导率[23]、[42]。
- 这些纳米复合材料的开发“通过改善机械性能、增强界面结合力和提高能量吸收能力，改变了纤维增强聚合物（FRP）复合材料的格局”[2]。
- 在复合材料中，纤维类型和数量以及纤维与基体的界面在载荷传递中起重要作用。良好处理的界面可实现最大载荷传递；界面处理不当会导致早期失效[43]、[44]。
- 多年来，增容剂（如马来酸化聚合物）被用于回收复合材料配方中，以增强纤维与基体的结合[12]。
- 块状聚合物和泡沫产品用于不需要高性能的应用，如隔热、包装等[18]。
- 结构化泡沫和晶格产品具有刚性结构，可用于头盔、汽车保险杠和轻质结构部件[30]。
- 增强复合材料主要用于承重应用，例如碳纤维增强聚合物（CFRP）和玻璃纤维增强聚合物（GFRP），应用于飞机和汽车底盘及体育器材[2]。
- 绿色复合材料（生物聚合物和天然纤维）正在开发中，适用于汽车内饰和消费品中的中等承重应用[39]。

**3. 原则：“轻量化”与“耐用性”**
- **特定性能指标与权衡**
- 轻量化设计需考虑单位质量的性能指标，如比强度（强度与质量比）和比刚度（弹性模量与质量比）[6]、[45]。
- PEEK因其比强度而成为其他金属材料的优质替代品[7]。
- 纤维增强聚合物复合材料（FRP）具有“优异的机械性能、轻量化结构和卓越的强度与重量比”，工程师们对此非常了解[2]。
- 比能量吸收（SEA）指标量化材料的能量吸收和抗压性能，该指标是评估材料抗冲击性的关键[46]、[47]。
- 材料评估应基于其标准化（基于质量的）值，而不仅仅是屈服强度或刚性。
- 性能之间存在权衡，常见的是强度与韧性（延展性）之间的平衡[48]、[49]。
- 一般而言，更强更硬的材料（如石墨纤维、陶瓷）较脆，而延展性聚合物则牺牲了最终强度以换取延展性。
- 刚度与能量吸收能力之间的权衡同样存在[46]。
- 极度刚性的晶格结构抗压性能差，而高延展性泡沫虽然能吸收更多能量，但应力较低[50]。
- 设计者需针对每种应用考虑这些权衡。
- 密度与环境耐久性之间也存在权衡：非常轻的材料（如气凝胶或纸质泡沫）可能比重聚合物和金属更易降解或易燃[51]、[52]。
- 例如，PLA轻且硬，但热稳定性和耐湿性不如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）[8]、[9]。
- 选择需权衡轻量化与韧性、耐久性。

**3.2. 结构策略：拓扑结构、孔隙率和层次化**
- 材料选择与几何设计同样关键，有助于实现轻量化、高性能结构[6]。
- 拓扑优化和层次化结构通过沿高应力路径分布材料，实现最小化材料使用的同时保持承重能力，通常采用增材制造（AM）技术实现[53]、[54]。
- 层次化孔隙结构（小孔嵌入大孔中）进一步通过分离刚度与密度来提升性能[55]、[56]。
- 功能梯度泡沫和晶格允许在不同区域调整密度或单元尺寸，从而在保持低重量的同时增强高应力区域的强度[31]。
- 增材制造技术可定制结构，实现最佳应力分布和单位质量能量吸收[29]。
- 拓扑优化使工程师能够将材料分布在预期的高载荷路径上，从而制造出轻量化且高效的晶格，具有最佳比刚度和单位重量能量吸收性能[29]。

**3.3. 界面工程与多功能性**
- 许多轻量化系统的长期耐久性取决于复合材料界面的性能。
- 高强度纤维的有效载荷传递及纤维与基体的良好粘接（通过纤维尺寸、偶联剂或表面处理）是这类材料耐久性的关键[2]。
- 例如，硅烷处理可提高玻璃纤维和碳纤维界面的剪切强度[61]。
- 增容剂为混合回收材料中的两种或多种不同聚合物提供人工界面[12]、[62]。
- 增加填料（如石墨烯纳米片）通常需要表面功能化，以防止颗粒聚集，从而改善填料在聚合物基体中的分散[33]。
- 优化设计的界面可增强轻质组件的核心结构，提高其正常工作范围内的机械性能和耐久性。
- 界面还赋予复合材料多功能性，导电和/或磁性材料可在不显著增加重量的情况下增加新特性。
- 例如，用于电磁干扰（EMI）屏蔽的聚合物复合材料结合碳纤维或金属纤维作为额外结构元素，在同一组件内实现EMI屏蔽[63]。
- 例如，含极低石墨烯含量的CFRP面板可提供超过50 dB的EMI屏蔽效果，且重量增加极少[63]。
- 硼氮化物或石墨的添加可提高轻质散热器的热导率和热分布[23]。
- 其他多功能性包括嵌入阻燃剂、紫外线吸收剂或自修复微胶囊，使结构组件具备这些功能[23]、[64]。

**4. 加工与制造技术**
- 传统聚合物和复合材料制造工艺（如挤出、注塑成型、压缩成型）可高精度、高产量地生产零件[18]。

**总结**
- 轻量化聚合物材料涵盖块状聚合物、蜂窝状泡沫、结构化晶格和增强复合材料。
- 实际工程应用需将材料选择与性能要求和服务条件直接关联。
- 本文将轻量化聚合物系统分为三类：块状轻质聚合物、蜂窝状和结构化材料、增强或混合复合材料。
- 块状轻质聚合物（如聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸）具有中等机械性能、优异的加工性和低成本，适用于非承重和半结构部件。
- 蜂窝状材料（包括聚合物泡沫和结构化晶格结构）通过控制孔隙率实现显著减重，特别适用于能量吸收、隔热和振动阻尼。
- 然而，孔隙率会降低绝对机械强度，使其更适合功能性和能量吸收用途，而非主要结构部件。
- 增强复合材料（如纤维增强复合材料和纳米复合材料）由于增强相与聚合物基体之间的高效载荷传递，具有优异的比强度和刚度，适用于高性能应用（如航空航天和汽车结构）。
- 基于这些区别，提出了一种基于性能的决策框架，整合了比强度、比模量、能量吸收能力、环境耐久性和制造可扩展性，帮助工程师从平行材料比较转向应用驱动的材料选择[4]。注塑成型技术通常被认为是大批量生产复杂热塑性零件的最佳方法，因为它能够最大限度地减少这类零件的废料（参考文献[65]）。即使是“更新”的注塑工艺变体，也能注塑出具有微孔结构（泡沫）或共注射（使用多种材料）的“轻质”零件（参考文献[66]）。其他生产轻质聚合物零件的方法包括层压技术（纤维增强复合材料；手动或机器层压）或液态复合材料成型（树脂传递成型和真空注入树脂到模具中），这些方法可以在层压过程中以极高的体积分数堆叠纤维，从而生产出轻质、高刚性/高强度的材料[34]，[67]。然而，只有当控制好复合材料的总纤维含量和孔隙体积时，这些技术才能生产出性能一致（即机械性能等一致）的复合材料零件[68]。需要监控复合材料的生产过程，以避免产生“不良”接头或“夹杂物”（孔隙），因为这些夹杂物会降低由这些复合材料制成的结构/部件的性能（例如，抗冲击性或刚性）[69]。可以使用表3中介绍的方法来表征轻质聚合物零件，该表详细说明了生产轻质聚合物零件的主要工艺，包括零件几何形状、生产速率和预期的微观结构（纤维含量/孔隙率）。

表3. 轻质聚合物基材料的加工和制造路线（参考文献[6]，[65]）。

| 技术/工艺 | 原理/结果 | 关键注意事项 |
| --- | --- | --- |
| 注塑成型 | 将熔融聚合物注入模具型腔 | 可生产大批量、复杂的形状；可以通过微孔发泡或共注射降低密度。需要高压/高温。 |
| 挤压成型 | 将聚合物熔化并通过模具挤出 | 产生连续的型材（管材、板材）；可以排列纤维。通常是进一步加工（如挤出片材或丝材）的前奏。 |
| 压缩成型 | 将预热的聚合物（或预浸料堆）压入加热的模具 | 适用于大型零件（板材、结构）；模具简单。限于中等复杂度。 |
| 纤维层压/RTM/灌注 | 将干态（或预浸）纤维层放入模具；注入或固化树脂 | 可实现高纤维含量（50–70%）。真空袋装或RTM可以获得良好的表面光洁度。纤维方向可定制。 |
| 自动纤维放置 | 机器人将预浸带材放置在工具上 | 连续、高速地层压弯曲层压板。减少人工成本，提高一致性。 |
| 发泡（化学/物理） | 使用发泡剂或气体注入创建蜂窝结构 | 质量显著降低；密度可降低90%以上。蜂窝大小和结构可调。 |
| 增材制造（AM） | 逐层构建（FFF、SLA、SLS、粘结剂喷射、多材料） | 不需要模具；可以实现晶格结构和多尺度孔隙。机械性能取决于单元格设计和打印方向。 |

4.2. 发泡和多孔材料工艺
发泡工艺广泛用于生成具有可控孔隙形态的轻质蜂窝材料。在化学发泡中，发泡剂在聚合或加热过程中分解释放气体，形成内部孔隙网络[18]。相比之下，物理发泡方法将超临界CO?等气体引入熔融聚合物中，减压时膨胀形成具有可调蜂窝大小和壁厚的微孔结构[5]。图3来自扫描电子显微照片，显示了通过高剂量和高剂量率电子束（例如高能束）或低剂量和低剂量率电子束辐照的聚乙烯辐射交联泡沫的内部孔隙形态。结果表明，电子束形成的孔隙更细小且交联度更高，而伽马辐照样品形成的孔隙较大且更不规则。最终研究部分还显示了极低的表观密度（低至0.04 g·cm?3），在最佳条件和辐照下孔隙率超过90%。

除了已经提到的方法（冷冻铸造和气凝胶形成等）之外，还有许多其他方法可以获得特殊材料，例如泡沫，这是一种由预成型固体聚合物（来自浆料或溶液）通过特定工艺制成的高孔隙固体。这可以实现超低密度的泡沫（开孔泡沫约为6.5–20 kg/m3，闭孔泡沫约为27–50 kg/m3）[18]。尽管泡沫的绝对强度明显低于其固态对应物，但它们具有优异的比性能（例如，刚度与重量比和能量吸收与重量比），使其在轻量化能源应用中非常有效[21]。

4.3. 增材和结构化制造
由于不使用传统方法中的模具，增材制造为轻质聚合物材料提供了无限的设计自由度[6]，[71]。增材制造可以制造出传统制造方法无法实现的独特3D形状。除了纯刚性外，增材制造还能通过实现复杂晶格和改变单个零件内不同区域的孔隙率来结合刚性和多功能性[55]，[72]。最佳的聚合物材料增材制造方法包括熔融丝材制造（FFF/FDM）或熔融沉积建模（FDM）、立体光刻（SLA）或数字光处理（DLP）、选择性激光烧结（SLS）和粘结剂喷射（BJI）[6]。图4展示了三种主要聚合物制造方法的示意图。FFF/FDM依靠逐层挤出聚合物丝材；SLA使用紫外线光固化光敏树脂；SLS利用激光能量熔化聚合物颗粒形成固体物体。这些不同类型材料的特性决定了FFF适用于丝材，SLA适用于液体，SLS适用于粉末。

4.4. 连接、组装和规模/质量考虑
不同的连接方法适用于混合系统。对于复合材料（共固化或共粘合）和聚合物与金属的连接，可以使用粘合剂[76]。理想的粘合剂特性允许载荷分布而不增加质量成本。使用机械紧固件（铆钉、螺栓、夹具）更为直接，但会导致局部载荷，并需要加固孔周围的区域。超声波、振动和激光焊接可用于连接热塑性复合材料并产生熔合接头。根据最近的文献综述，不同技术（粘合剂粘合、紧固件和混合方法）在效率和效果之间存在权衡[34]。实际上，接头会限制系统的刚性和抗冲击性[46]。设计或许应该关注接头的质量和效率[67]。在制造过程中（如果开发了适当的方法），可以使用无损测试方法（超声波、X射线和热成像）来评估接头的强度[69]。为了通过提高产量实现质量降低的好处，应严格控制工艺控制和组装公差。当接头存在轻微偏差或孔隙时，混合系统可能难以充分利用质量降低的优势。

5. 特性表征和性能评估
5.1. 结构性能和耐久性测试
轻质材料应进行机械测试，并将结果按材料的质量和体积进行标准化[21]。准静态测试（如拉伸、压缩和弯曲测试）可以确定刚度和强度，还必须包括试样方向、应变率和夹具几何形状[77]。这些测试的结果最好用比强度或刚度（即N·m/kg）来表示[6]。材料承受冲击的能力可以通过标准测试（如Charpy/Izod、仪器化落锤试验或汽车碰撞试验）来定义；标准测试提供了质量和力-位移曲线[21]。聚合物泡沫和晶格表现出与细胞压碎相关的特征性平台应力。轻质材料的长期载荷可以通过疲劳和蠕变测试来定义（即S-N曲线和应力断裂），必要时需施加环境条件（如湿度对于吸湿性聚合物材料）[61]，[78]。所有测试结果都必须包括失效模式，并且所有结果都必须按密度进行标准化。许多聚合物泡沫具有较高的比刚度和强度，但蠕变可能会影响其在持续载荷下的寿命[79]，[80]。

5.2. 微观结构、密度、环境和功能表征
为了将材料的微观结构与其性能联系起来，我们需要使用不同尺度的探针。批量密度和孔隙率可以通过气体密度计或阿基米德法（用于总体积）来测量，而微观尺度上的孔隙率可以通过微计算机断层扫描（micro-CT）成像来测量[78]。micro-CT还可以获得泡沫或晶格的三维（3D）图像，我们可以评估孔隙的大小和分布类型（闭孔 vs. 开孔）[81]。扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）可用于观察材料的细微特征（如细胞壁结构、纤维-基体连接和缺陷）。X射线衍射（XRD）可用于确定半结晶聚合物的结晶度，热分析技术（如动态机械分析（DMA）、差示扫描量热法（DSC）可以提供玻璃化转变和熔化转变温度，以及温度函数的储能模量和损耗模量。这还可以提供关于聚合物粘弹性行为的信息。我们可以对聚合物进行功能测试，例如阻燃性测试（LOI，锥形量热法提供热释放率和总烟雾产生量）和热导率；例如，锥形量热法可以让我们了解阻燃添加剂如何影响峰值热释放曲线[82]，[83]。此外，在表征材料时，还必须报告每种材料表征技术的分辨率限制（如CT体素大小）和测量的不确定性，以及与微观结构相关的指标（如孔隙大小和纤维排列）与机械数据（如单位密度模量）之间的相关性[81]。

表4. 轻质聚合物基材料的表征技术[18]，[82]。

| 技术 | 测量属性 | 备注 |
| --- | --- | --- |
| 气体密度计/阿基米德法 | 真实密度、总孔隙率 | 确定固体与空隙的质量；区分闭孔和开孔孔隙 |
| micro-CT成像 | 3D孔隙结构 | 无损断层扫描揭示细胞大小、分布、闭孔/开孔孔隙 |
| SEM / TEM | 微观结构 | 高分辨率图像显示细胞壁、纤维/基体界面、断裂表面 |
| XRD | 结晶度 | 识别聚合物晶体相和结晶度 |
| DMA / DSC | 热转变和刚度 | DMA测量储能/损耗模量与温度（Tg，模量）；DSC测量Tg、Tm |
| LOI测试，锥形量热法 | 可燃性/防火性能 | LOI给出维持火焰所需的最低O?%；锥形量热计测量热释放率 |
| 环境老化（UV，湿度） | 性能的耐久性 | 加速老化（UV灯、盐雾）；测量随时间的变化 |

6. 耐久性、老化和安全性
6.1. 环境降解（UV，水解，氧化）
聚合物材料在使用过程中可能会因光氧化、水解和热氧化反应而降解。光氧化（即光与另一种介质反应形成化学键）会导致聚合物在紫外线照射下的键合降解，最终导致表面开裂[9]，[17]，[52]。水解攻击可水解的连接（尤其是聚酯如PET和PLA中的酯键），导致链断裂和机械性能丧失；相比之下，含有酰亚胺键的聚合物（聚酰亚胺）通常具有更高的水解稳定性，在潮湿环境下表现不同。当聚烯烃和不饱和弹性体受热时，会发生热氧化降解，导致交联和链断裂。降解速率通常与聚合物的化学结构和添加剂有关；因此，添加稳定剂（如紫外线吸收剂和/或抗氧化剂）可以减少这些影响，并延长聚合物产品的使用寿命。聚合物样品的耐久性测试包括暴露于热（或紫外线）和湿气中，以及测量残余应力、蠕变、屈服强度等因素。了解聚合物的老化过程对于确定其在汽车部件等暴露于户外环境中的长期性能非常重要[84]、[85]。

6.2. 聚合物和泡沫的防火性能及阻燃策略
轻质聚合物和泡沫由于其易燃性而存在重大安全隐患。许多聚合物泡沫具有高度易燃性（即低极限氧指数），并会产生致命烟雾[82]。阻燃剂/交联剂或表面屏障是防止易燃性的第一道防线。通常将无卤磷化合物或膨胀型化合物掺入聚合物基体中以形成炭层并帮助稀释可燃蒸气[86]。最近的研究表明，与传统的阻燃剂相比，反应型阻燃剂（与聚合物主链化学键合的阻燃剂）更加耐用，并且具有降低热导率和减少泡沫渗入环境的额外优势[83]。在泡沫表面应用纳米颗粒（如二氧化硅、粘土）可以通过形成热屏障来大幅降低热量产生[42]、[87]、[88]。关于生物基阻燃剂的应用也有新的研究，人们还表达了开发生物基聚合物基体以使这些泡沫更加环保的兴趣（例如，磷接枝木质素和二氧化硅气凝胶）[39]、[51]。正如最近一篇文献综述所指出的，人们对生物基、环保型阻燃聚合物的兴趣日益增加[89]。为了规范易燃性，更新的建筑规范（如IBC 2024）对用于聚合物绝缘和覆层的低烟、阻燃材料提出了严格要求[90]。

6.3. 抗损伤性、可修复性和无损检测（NDT）
所有类型的轻质结构都需要在受到损伤后仍能承受冲击并保持结构完整性，无论期望的结果是最小程度的变形还是灾难性失效[3]、[46]。可以通过穿刺和/或冲击测试以及循环载荷下的裂纹扩展来评估抗损伤性[31]。如果在早期发现损伤，多项研究表明可以“修复”受损的聚合物复合材料产品（层压板修补和热粘合）[66]。无损检测在航空航天和汽车产品制造中的关键作用已被强调，研究发现，先进的无损检测方法对于这些产品的成功制造至关重要[69]、[85]。嵌入式传感器或现场监测（用于过程控制的NDT）的应用提高了制造质量控制，并实现了基于状态的维护实践。

6.4. 监管和标准概述（建筑/运输/生物医学）
通过既定的监管框架，对轻质聚合物材料有安全和性能规定。汽车和航空航天行业对其产品的碰撞安全性和易燃性有规定，以及环境暴露方面的规定（FMVSS/ECE、FAR 23/25关于泡沫和飞机内部的易燃性）[46]、[91]。在生物医学领域，所有聚合物植入材料和设备都必须符合生物相容性标准（ISO 10993系列）并经过灭菌/老化处理[92]、[93]。目前没有统一的全球轻质复合材料标准。符合“轻质复合材料”的要求通常涉及ASTM/ISO测试方法（机械性能）、热测试和防火测试（UL 94、锥形量热法）以及行业特定要求（例如ASTM F4040 - 3D打印植入物精度）[94]。轻质聚合物复合材料在更多行业的应用推动了向生命周期结束和回收合规性的标准化趋势（ISO 22196 - 消毒）[94]。

7. 应用、可持续性、放大生产和案例研究
7.1. 能源
当前能源存储技术的进步要求开发具有增强电容、功率密度、生命周期、稳定性和催化活性的功能性聚合物基复合材料，用于超级电容器。因此，特别是碳基衍生物等电化学活性材料的引入可以显著提升与导电聚合物的协同性能，从而应用于先进的能源系统。基于聚合物的衍生物因其低成本、可持续性、轻质性和易于生产而在超级电容器开发中受到越来越多的关注[95]。对可持续能源的追求促进了创新材料的发展，用于设计成本效益高、轻量且环保的能源采集和存储系统，如太阳能电池、电池、燃料电池和超级电容器等[95]、[96]。事实上，许多能源系统使用聚合物纤维复合材料来减轻重量。例如，电动汽车电池组约占电动汽车重量的25%，因此使用纤维复合材料作为电池外壳材料可以显著减轻重量，相比铝和钢等重型外壳材料[97]。另一个例子：Zhang等人开发了一种碳纤维增强聚合物（CFRP）电池外壳原型，重量仅为4.78公斤[98]；从重量、强度和可制造性的角度来看，这是一个有利的选择。因此，从传统金属材料向新型复合材料的转变被视为电动汽车制造领域减轻重量的重要目标[6]。实际上，风能和太阳能领域的类似进展也支持了这一结论。例如，正在为小型风力涡轮机开发新的轻质复合叶片；制造商通过自动化纤维放置和3D打印模具制造了中空纤维复合叶片（Windtech International, 2023 [99]）。这些叶片比旧的泡沫芯设计轻约35%，在低风速下仍能产生能量。新叶片在2.7米/秒的风速下即可发电，而在约10米/秒的风速下可产生超过80%的最大额定功率。在太阳能领域，“无玻璃”光伏模块使用聚合物封装材料以减少玻璃和铝框架的使用。例如，Sunman的eArc聚合物复合材料的重量仅为4.1公斤/平方米，比玻璃和铝框架的光伏模块轻约60%[100]。到目前为止，超轻光伏模块已经通过了耐久性测试，使其适合安装在承重较小的屋顶上。除了材料替代外，还可以通过优化设备架构来减轻重量。例如，在热电系统中，传统的块状材料如Bi?Te?和Ag?Se越来越多地被制成薄膜配置，从而减少材料使用量和整体设备重量，同时保持或提高热电性能[101]、[102]。

7.2. 汽车和航空航天
近年来，对轻质、耐用且可持续的先进材料的需求日益增加。过去，研究人员主要关注耐久性和碰撞安全性，而没有考虑环境因素。然而，由于环境问题，研究人员现在专注于轻质和可生物降解的材料，这些材料既坚固又防撞且可持续[106]。在全球范围内，汽车和航空航天是货物和服务以及乘客运输的主要方式，聚合物复合材料广泛应用于汽车车身、框架和内部结构及部件中，有助于减轻重量、提高燃油经济性并增强安全性[106]、[107]。这些复合材料（热塑性聚合物、热固性聚合物和混合材料）也被用于碰撞管理结构[34]、[46]。例如，高熔点强度聚丙烯（PP）泡沫的性能正在被测试，用于行李箱地板和管道材料，这些材料具有隔热性能的同时还能减轻质量[66]、[97]。当前的研究趋势是朝着复合碰撞盒和框架发展，文献发现受折纸启发的碳纤维增强聚合物碰撞盒设计可减少车辆前端质量14%，同时提高碰撞性能（通过减少峰值减速21%）[60]。此外，汽车复合材料提高了燃油效率，随着二氧化碳排放法规的日益严格，这一点尤为重要。汽车复合材料的新兴趋势包括使用生物树脂、天然纤维、纳米增强剂和多功能部件（即具有多种功能的部件，如结构电池）[107]。使用汽车复合材料的挑战在于材料和加工成本的增加（例如碳纤维），以及回收难度[62]、[105]。此外，汽车复合材料部件还必须满足严格的安全标准，这需要先进的设计和测试方法[108]、[109]。用于轻量化的聚合物基复合材料，如碳纤维，已经改变了现代飞机。例如，波音787和空客A350等现代飞机约50%的结构重量采用复合材料[67]。复合材料通常用于机身面板、机翼蒙皮和舱内装饰，因为它们更轻且更省油。转向复合材料作为轻质航空航天结构的理由包括集成设计考虑、自动化生产能力以及复合材料的广泛应用[6]、[36]。连续纤维热塑性层压板可以高速生产复杂几何形状，而热固性复合材料可以通过树脂传递模塑（RTM）或预浸渍工艺制造，从而生产出高质量的机翼部件[98]、[110]。因此，新一代复合材料具有出色的强度重量比和耐腐蚀性。然而，航空航天复合材料市场面临许多挑战；由于复合材料的各向异性特性，其在应用中容易产生缺陷，增加了质量保证评估的难度[3]、[69]。此外，大型复合结构的修复和寿命终结评估也将很困难，舱内复合材料也需要达到FST标准，并需要新的阻燃聚合物[22]、[111]、[113]。

7.3. 建筑和施工
轻质聚合物材料在节能和更可持续的建筑中越来越受欢迎[103]。目前，一种形式的聚合物泡沫/气凝胶绝缘板已有一些应用。例如，一种新型气凝胶绝缘材料是由回收聚合物制成的复合气凝胶毯，其热导率极低（约0.053 W/m·K）[51]。这种先进的绝缘材料为住宅隔热提供了可行的解决方案，同时促进了可持续发展。随着能源发展对功能性和降低能源/成本的需求增加，轻质聚合物在各个行业都受到青睐[103]。在这些轻量化应用中，强调节能的聚合物包括电池外壳、风力涡轮机叶片和光伏结构支撑及绝缘材料。然而，轻质应用需要防火安全性、温度调节和碰撞安全性（如聚合物电池外壳需要更强的碰撞安全性验证）[46]、[90]。此外，研究还探讨了使用聚合物复合材料来维持长期能源功能，但这比使用相同化学成分的单一材料更难回收[104]、[105]。涡轮叶片也在探索回收的可能性[104]、[105]。

7.4. 汽车和航空航天
近年来，对轻质、耐用和可持续材料的的需求在交通运输领域日益增加。过去，研究人员主要关注耐久性和碰撞安全性，而没有考虑环境因素。然而，由于环境问题，研究人员现在专注于轻质、可生物降解且坚固、防撞和可持续的材料[106]。在全球范围内，汽车和航空航天是货物和服务以及乘客运输的主要方式，聚合物复合材料广泛用于汽车车身、框架和内部结构及部件中，有助于减轻重量、提高燃油经济性和增强安全性[106]、[107]。这些复合材料包括热塑性聚合物、热固性聚合物和混合材料，也用于碰撞管理结构[34]、[46]。例如，高熔点强度聚丙烯（PP）泡沫的性能正在被测试，用于行李箱地板和管道材料，这些材料具有隔热性能同时减轻质量[66]、[97]。当前的研究趋势是开发复合碰撞盒和框架，文献发现一种受折纸启发的碳纤维增强聚合物碰撞盒可将车辆前端质量减少14%，同时提高碰撞性能（通过减少峰值减速21%）[60]。此外，汽车复合材料提高了燃油效率，随着二氧化碳排放法规的严格化，这一点尤为重要。汽车复合材料的新兴趋势包括使用生物树脂、天然纤维、纳米增强剂和多功能部件（即具有多种功能的部件，如结构电池）[107]。使用汽车复合材料的挑战在于材料和加工成本的增加（例如碳纤维），以及回收难度，这将影响市场的逐步普及[62]、[105]。此外，汽车复合材料部件还必须满足严格的安全标准，这需要先进的设计和测试方法[108]、[109]。用于轻量化的聚合物基复合材料，如碳纤维，已经改变了现代飞机。例如，波音787和空客A350等现代飞机约50%的结构重量采用复合材料[67]。复合材料通常用于机身面板、机翼蒙皮和尾翼，因为它们更轻且更省油。转向复合材料作为轻质航空航天结构的理由包括集成设计考虑、自动化生产能力以及复合材料的广泛应用[6]、[36]。连续纤维热塑性层压板可以高速生产复杂几何形状，而热固性复合材料可以通过树脂传递模塑（RTM）或预浸渍工艺制造，从而生产出高质量的机翼部件[98]、[110]。因此，新一代复合材料具有出色的强度重量比和耐腐蚀性。然而，航空航天复合材料市场面临许多挑战；由于复合材料的各向异性特性，其在应用中容易产生缺陷，增加了质量保证的难度[3]、[69]。此外，大型复合结构的修复和寿命终结评估也将很困难，舱内复合材料也需要达到FST标准，并需要新的阻燃聚合物[22]、[111]、[113]。

7.5. 建筑和施工
轻质聚合物材料在节能和更可持续的建筑中越来越受欢迎[103]。一种形式的聚合物泡沫/气凝胶绝缘板已有几种已知的应用。例如，一种新型气凝胶绝缘材料是由回收聚合物制成的复合气凝胶毯，其热导率低至约0.053 W/m·K，显著减少了建筑物的热量损失[51]。轻质聚合物材料在建筑中的一个应用是夹层外墙板。复合露台外墙板具有结构上的可行性，并集成了绝缘芯。2025年开发了一种可持续的夹层板，使用玄武岩纤维表皮和回收的XPS（挤出聚苯乙烯）泡沫芯，以及不同的相变材料和气凝胶层[59]。这种可持续板的热传导值比传统夹层板低16%，具有数小时的延迟时间，以及38分贝的高隔音效果，从而减少了暖通空调能耗和噪音。另一种建筑应用是模块化面板（结构绝缘板（SIPs）；已经有多项关于基于生物材料的/回收SIPs的最终提案。SIPs的制造旨在使用生物聚氨酯和回收PET泡沫作为核心。同时，天然材料（如大麻、稻草或回收木材/复合材料）也被研究作为木材/OSB的替代选项[18]、[114]。生物复合材料（聚合物或水泥基体与天然纤维/农业废弃物）也被计划用于结构面板和覆层。生物复合材料体现了循环经济的理念，因为它们是由废弃生物质（如竹纤维混凝土、纤维素）制成的，同时仍能提供与传统建筑材料相当甚至更优越的性能（强度和耐久性）[115]。根据上述研究结果，可以确定复合材料在原材料生产阶段对环境的影响最大，因此使用回收材料和生物基聚合物材料是必要的。此外，采用可拆卸设计可以使这类复合材料在使用的过程中对环境的影响降到最低[116][117]。生物复合材料的局限性包括：难以制造出同时具备防火、承重和耐候性的生物基复合材料[118]。由于生物复合材料在美学、室内空气质量标准以及无挥发性有机化合物排放等方面存在诸多限制，为了使其能够取代聚合物复合材料，需要建立回收聚合物和/或天然纤维的供应链，并发展生物复合材料本身的产业[119][120]。

7.4. 生物医学
可生物吸收和可生物降解的聚合物支架能够促进组织再生，并在体内减少永久性负担。最近的研究重点关注了基于天然聚合物（如纤维素、海藻酸盐、大豆蛋白等）的材料，因为它们具有可持续性和与生物系统的相容性[9]。此外，天然聚合物可以模拟人体细胞外基质，有助于细胞附着。Guduru等人[121]开发了一种由甲壳素（来自真菌）和纳米纤维素组成的复合材料，其机械性能和降解稳定性优于合成替代品。与传统的合成材料（如聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）相比，天然/植物基聚合物材料/支架具有更低的炎症反应，并且对环境的影响更小[121]。制造聚合物材料/支架的方法有很多，包括但不限于3D打印、冷冻干燥和静电纺丝[65][71]。这些工艺通常能够生成多孔结构，且适用于特定患者[30]。支架在多种植入应用中都非常有用（如骨科植入物、血管支架和递送系统）。它们轻便且化学成分可调，适用于多种情况，能够满足多种患者需求[122]。为了作为有效的支架材料，聚合物必须具备生物相容性、不易引起过敏反应，并且具有可预测的降解特性（尤其是对于临时植入物）。例如，聚己内酯（PCL）适用于硬组织，聚乳酸（PLA）适用于软组织（已获FDA批准），聚硅氧烷和聚氨酯适用于永久性植入物（如面部重建），而先进的 hydrogels 则适用于伤口愈合[16][123]。与金属和陶瓷相比，聚合物在植入物/支架方面具有许多优势，包括不会释放金属离子、具有药物装载能力，以及能够更符合现有修复组织的机械性能要求[124]。聚合物（以及增强用的特定纤维）还使得制作轻质假肢成为可能。此外，3D打印的聚合物假肢可以根据患者的解剖结构进行定制，这对舒适性和功能至关重要[125]。例如，尼龙或热塑性聚氨酯（TPU）可以通过逐层打印来制造复杂的网格结构，从而提供强度和缓冲效果。这意味着不仅可以制造假肢，还可以制造面部重建植入物[122]。为了成为合适的材料，聚合物必须能够承受灭菌处理（热处理/辐射/气体处理）并保持完整性。常见的医用级材料包括医用硅胶、聚醚醚酮（PEEK）和聚苯硫醚（PPSU），因为它们更易于集成到医疗流程中[7]。医用级聚合物生物材料的应用挑战包括：如何在机械性能和生物降解性之间找到合适的平衡（因为生物聚合物通常比金属脆弱得多[123]），缺乏关于其安全性的实际数据（确保没有有毒副产物），以及获得监管批准的最大障碍[93]。尽管有这些先进的解决方案，但由于诸如生物支架的3D打印技术尚未得到广泛实际应用[126][127]。

7.5. 可持续性和生命周期
理想的可持续聚合物是通过生命周期和循环经济角度进行评估的，而不仅仅基于重量减轻或使用中的性能。传统的减重策略主要关注减少材料使用和提高运营效率，但往往忽略了与碳足迹、可回收性和生命周期结束时的影响相关的权衡。相比之下，生命周期评估（LCA）和循环经济指标能够全面评估聚合物系统在其整个生命周期中的表现。绿色聚合物（如PLA、生物基聚氨酯）、回收聚合物（如回收PET）、天然橡胶和其他生物基材料被广泛推荐用于减少碳足迹和环境影响[39][114]。然而，LCA结果显示，材料选择必须考虑上游影响，特别是与原始聚合物生产相关的因素，这强调了使用低环境影响原料（如废弃生物聚合物）的重要性[51][124]。复合材料的可回收性有限，进一步增加了可持续性的复杂性。因此，新兴策略侧重于循环设计，包括单材料层压结构、可拆卸的基体以及改进的生命周期结束处理方法，如机械回收（热塑性塑料的再熔化）和化学回收[12][17][104]。同时，正在开发诸如“材料护照”之类的工具来跟踪材料成分、加工历史和可回收性，从而改进复杂材料系统的分类、再利用和回收。此外，循环经济指标（如材料循环指数和LCA）越来越多地用于量化生产影响与长期性能之间的权衡。例如，虽然碳纤维生产能耗较高，但其更高的耐久性和减重优势可以通过使用过程中的能耗降低以及延长使用寿命来抵消初始的环境成本[116][124]。这种系统层面的视角代表了传统减重方法的重要进步。随着排放目标的收紧、回收要求的提高以及生产者责任扩展（EPR）政策的实施，各行业正越来越多地转向符合循环经济要求的轻质复合材料[128][129]。除了监管限制和对回收材料的质量标准要求外，最近发布的许多“路线图”还考虑了经济效益（例如购买回收设备的税收优惠），这些都有助于推动回收工作[130]。例如，由碳纤维增强聚合物（CFRP）制成的复合面板在初始阶段可能比用较重材料（如钢铁）制成的相同面板具有更高的环境影响，因为其在整个生命周期内通过提高燃油效率节省了能源[131][132]。因此，结合LCA和材料护照框架可以帮助更明智地选择材料，平衡重量减轻与长期可持续性和资源效率。

7.5.1. 规模化和可制造性
实验室中存在的成本、质量控制和工艺能力必须工业化，才能将这些成果转化为实际的生产性能[65]。实验室中的复合材料通常依赖于昂贵的预浸料或固化速度较慢的工艺，而工业复合材料则需要更快、更自动化的生产方式。例如，目前许多电动汽车用复合材料是通过树脂转移模塑（RTM）、压缩模塑或高温熔融等大规模生产方法制造的[67][98]。自动纤维放置（AFP）和3D打印模具可以制造出高精度和重复性的复合材料[99]。增材制造（3D打印）由于无需专用工具即可实现复杂几何形状（如医疗植入物、轻质面板），因此越来越受欢迎，这将改变对材料质量和制造速度的需求[3][113][125]。质量控制包括自动化固化和在线检测（如超声波、热成像），以确保纤维均匀分布且无空洞[67][69]。另一种降低成本的方法是采用多材料组合，通过工艺改进（如自上而下的CAD/CAM设计）来避免过度使用纤维[98]。目前，这些生物复合材料和3D打印产品的制造试点线大多由中小企业（SMEs）和初创公司建立[124]。然而，为了实现真正的规模经济和供应链改进，新的聚合物、新的生物聚合物和新的石墨烯增强聚合物的实际生产尚未展开[6]。

7.5.2. 综合考虑
引入了一个跨行业的轻量化性能比较框架，以解决仅基于绝对机械性能评估轻质聚合物材料的局限性。强调了密度归一化指标（如比强度、比模量和比能量吸收率），以便在不同领域（如交通运输、建筑、生物医学和能源）之间进行有意义的比较，这些领域的性能要求差异很大。例如，航空航天应用重视刚度与重量比，汽车碰撞结构强调能量吸收，而生物医学支架则需要机械强度和生物降解性的平衡。为了满足这些不同的需求，提出了一种统一的评估框架，该框架整合了机械性能、密度、耐久性、制造能耗和生命周期可持续性。这种标准化比较方法允许客观评估轻质聚合物系统，同时突出了基于性能的材料选择在不同应用环境中的重要性。同时，修订后的手稿指出，仅仅减轻重量并不一定意味着提高可持续性，因此需要从生命周期的角度进行评估。轻质聚合物系统的环境性能不仅受密度影响，还受加工能耗、添加剂需求、维护需求和生命周期结束时的可回收性影响。例如，碳纤维增强聚合物在制造过程中的能耗较高，但其长使用寿命和在运输应用中的节能效果可以在整个生命周期内抵消初始的环境成本[116][124]。此外，生物基聚合物虽然减少了对外部化石资源的依赖，但通常需要增溶剂、阻燃剂或增强添加剂，这些因素会复杂化回收过程。因此，必须通过生命周期评估来评估轻质聚合物系统，以确保减重策略有助于实现长期可持续性目标。循环经济考虑因素进一步增加了轻质聚合物系统的复杂性，特别是对于生物基和回收材料，这些材料往往需要添加剂来达到所需的机械性能。兼容性添加剂、稳定剂和阻燃剂虽然提高了功能性，但可能降低可回收性并增加材料回收的难度。这在回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯混合物和天然纤维复合材料中尤为明显，因为兼容性改善了界面结合，但增加了回收处理的复杂性。此外，结合纤维和纳米填料的混合增强策略也增加了材料的复杂性并降低了回收效率。因此，讨论了单材料复合设计、可再加工的热固性材料、可拆卸界面以及保持性能的机械回收方法等潜在解决方案，以平衡循环经济和性能。

本综述选定的聚合物系统代表了广泛的轻质材料平台和应用领域。聚乳酸代表生物基结构聚合物；聚己内酯代表可生物降解的生物医学材料；聚醚醚酮代表高性能工程热塑性塑料；回收聚对苯二甲酸乙二醇酯代表循环经济材料；聚丙烯代表低密度通用聚合物；而生物聚氨酯泡沫代表蜂窝状轻质材料。这一选择涵盖了生物基、回收、工程、蜂窝状和通用轻质聚合物系统，从而能够在统一的框架内进行全面评估。聚合物材料性能的改进归因于聚合物化学成分、结构设计和制造方法的综合效应。拓扑优化的网格结构通过几何优化实现了更高的刚度与重量比，而使用纤维或纳米填料的增强作用则在材料层面提升了机械性能。增材制造技术使得复杂几何形状的制造成为可能，进一步促进了性能的提升。尽管如此，拓扑优化的增材制造轻质聚合物结构仍面临一些制造限制，如较长的制造时间、对缺陷的敏感性以及各向异性的机械性能。这些挑战限制了其在工业中的应用。此外，耐久性也是选择轻质聚合物材料时的关键因素，因为不同的聚合物系统在不同的环境暴露和服务条件下的降解机制各不相同。聚乳酸通常会发生水解降解；聚丙烯容易受到紫外线的降解影响；聚己内酯可能会出现蠕变和机械软化；聚醚醚酮表现出热老化行为；聚氨酯泡沫在潮湿环境中可能会降解；而纤维增强复合材料则常常因界面降解而失效。了解这些降解机制有助于实现以耐久性为目标的轻量化设计，并提高材料的长期可靠性。界面工程被认为是决定轻量化复合材料性能的关键因素，因为失效往往发生在增强材料与基体材料的界面处。诸如硅烷偶联剂、表面功能化、相容剂和纳米填料分散等技术可以改善增强材料与基体材料之间的界面粘附性和载荷传递。这些策略提升了机械性能、耐久性和环境抗性，使界面工程成为轻量化聚合物复合材料设计中的核心考虑因素。多功能性与轻量化性能之间的权衡也得到了讨论。多功能轻量化聚合物系统通常会加入导电填料、阻燃剂或传感组件以提供额外的功能；然而，这些添加剂可能会增加密度、降低韧性或影响加工性能。低载荷纳米填料策略通过实现多功能性同时最小化重量损失提供了有前景的解决方案，尽管仍需仔细优化以平衡机械性能和密度。最后，本文还讨论了轻量化聚合物技术在技术成熟度和工业应用方面的情况。这些材料涵盖了从实验室规模的3D打印晶格结构到试点规模的生物基复合材料以及完全工业化的纤维增强复合系统的各个发展阶段。区分不同的技术成熟度有助于明确实际应用中的挑战，并突出学术创新与工业应用之间的差距，从而为未来的发展和商业化指明方向。

8. 未来展望
目前我们在轻量化聚合物和基于聚合物的复合材料方面的进展只是未来的预兆。虽然历史上减重一直是区分不同材料系统的主要因素，但未来的发展将由能够结合高性能、可验证的生命周期优势和可靠的寿命终结再处理能力的系统解决方案驱动。仅仅依靠轻量化已经不够了；材料必须在整个使用寿命期间提供可量化的性能、环境和循环利用方面的优势。来自试点研究和早期工业应用的证据表明了该领域的三个明确方向：首先，聚合物化学正在向可再处理和低影响的平台发展，包括玻璃化网络、可回收热塑性塑料以及生物或植物来源的树脂。这些材料不再仅仅作为可持续替代品进行开发，而是作为能够满足严格结构和功能要求的工程级系统；其次，结构设计正朝着基于兼容性和单一材料架构的方向发展，例如与匹配核心和拓扑优化或晶格结构相结合的热塑性表皮；这些方法通过限制材料种类来减少不必要的材料使用、简化拆卸过程并提高可回收性；第三，多功能性的整合（如承重、能量存储、传感以及热管理或电磁管理）将轻量化从渐进的部件级改进提升到有意义的系统级质量和能量节省。同时，仍然存在重要挑战：新材料和架构必须在实际使用条件下证明其耐久性、抗损伤性和长期可靠性。关于改善可持续性的声明需要通过透明的生命周期评估、标准化的可回收性指标和明确的性能基准来支持。随着这些技术向更高成熟度发展，试点规模演示和实际测试将在建立人们对轻量化聚合物系统能够同时实现性能和环境价值的信心方面发挥核心作用。最终，下一代轻量化材料的成功将取决于它们能否将机械效率、多功能性和循环利用结合成实用、可扩展且受行业信任的解决方案。

图5展示了聚合物在各种产品中的广泛应用，从那些在使用寿命结束时可以回收的结构聚合物产品，到那些含有难以收集和回收的功能聚合物的产品。聚合物的可持续性不仅取决于所使用的聚合物类型，还取决于其在产品中的使用和整合方式。例如，用于构建产品的结构聚合物可以在使用寿命结束时被回收，而那些通常用于小规模应用和产品组件的功能聚合物则更难以回收。因此，在设计聚合物时应考虑其使用寿命及其回收和可回收的可能性。

9. 结论
在全球范围内，由于人们对清洁环境需求的认识日益增强，对轻量化和可持续材料的需求不容忽视。轻量化和可持续材料已成为减少空气、水和土地污染的有效手段。为了实现这一目标，需要重视可扩展的可回收复合系统、以耐久性为导向的轻量化设计以及大规模制造的基于聚合物的材料。本文介绍了实现这些目标的不同方法，并强调了通过减重、集成设计和多功能系统设计来进一步减轻聚合物基产品重量的必要性。研究表明，基于聚合物的材料已成为一种成功的跨领域减重解决方案，可以通过新型功能化和定制的热/电磁干扰特性进一步发展。此外，还指出减重效果必须与其他性能因素（如安全性、耐久性和可持续性）结合起来考虑。因此，生命周期影响评估和寿命终结考虑对于未来的材料选择和设计至关重要。未来的系统将整合结构、能量、传感和热功能。最优的高性能、多功能、循环利用材料将由可再处理的化学成分、单一材料/热聚合物配置以及具有拓扑意识的制造组件组成，并通过经过验证的生命周期评估数据来支持。通过性能指标、生命周期评估和试点测试的验证将有助于推动技术向更高成熟度的发展。

**作者贡献声明**
S.O. Adelani：撰写——审阅与编辑、软件开发、调查、概念化
F.O. Olanrewaju：可视化、验证、调查、形式分析、概念化
B.A. Makinde-Isola：撰写——审阅与编辑、可视化、调查、概念化
M.A. Ajayi：撰写——审阅与编辑、方法论、调查、形式分析、概念化
V.O. Oki：撰写——审阅与编辑、验证、调查、概念化
E.M. Maldaye：撰写——审阅与编辑、可视化、软件开发、调查、形式分析、概念化
I.O. Oladele：撰写——审阅与编辑、原始草稿撰写、项目监督、方法论、形式分析、概念化

**伦理批准**
不适用。

**资金情况**
本项工作未收到任何资助。