聚合物是柔性形态的、组成广泛的和在环境中随时间其性能产生变化的复合材料。就结构而言，聚合物是由许多小分子构成的大分子物质，各重复单元形成的链状或网状大分子由成千上万个原子构成。复合材料组成非常复杂，其基质、纤维和其它组成成分都要从原料和结构上进行分级设计。将聚合物合成到复合材料中，即聚合物基复合材料（PMCs）使研究人员面临开发基于历史（history-based）的耐久性模型的挑战，该模型能使复合材料开发人员和成分设计师制作出基质树脂、基质与纤维质之间填隙相的性能适应预期的使用环境。当使用环境诸如压力、温度、化学组成和其它因素达到极限时，这项挑战变得更重要也更困难。
    1　聚合物基复合材料
    复合材料是由一种以上的成分或物相组成的材料。聚合物基体就是PMC材料的一种成分。PMC的主要特性是其一般结构，但还有一些其它的功能性特性也可加入到PMC的制作中。大多数分层的、纤维连续增强的、微粒增强的和纳米粒子填充的复合材料称为PMCs。
    为了本次研究，复合材料由直径微米级的纤维组成（纤维固定在聚合物基体上），且用于高性能结构应用。很多情况下，在高温树脂材料（热固树脂）中有连续的碳纤维，不过也有其它类型的纤维和树脂。
    当分散相的尺寸大小远小于1微米时，复合物与混合物之间的区别就很模糊了，所以连续体和分子结构之间的界限也不明显。对纳米填充物、纤维与树脂中分子扩散的研究开始大量出现，但对这些材料的模拟还没有跟上。随着这些技术的成熟，这篇报告预想的耐久性与寿命预测方法将需要包括遍及复合物中的纳米尺度物质引起的其它复杂性。纳米尺度物质对聚合物活性有着根本性的影响，即使加入的量很小，也会使复合材料的机械和热性能发生巨大的变化。
    2　极端环境
    对PMC极端环境的理解因人而异，且强烈依赖于他们的科学或工程学背景。广义而言，极端环境是指会损害材料耐久性的环境。这项研究主要集中在先进的商业、军事和航空应用，因为这些部门迫切需要这样的材料。
    极端条件包括在空中、陆上、海下或太空中可能遇到的各种情况，每种情况下都有其独特的一些要求：

l         极端温度：高温和低温

l         极端化学暴露：腐蚀环境（包括盐水和盐水喷雾）或交替水环境

l         极端负荷：高压、疲劳或多轴负荷

l         极端时长暴露：从长期暴露到短期暴露

    这些极端条件中的任何一个都会影响PMC的耐久性，而多个条件联合起来的影响就更大了。PMCs的应用通常是根据工作温度来分类的。
    2.1　空中和陆上
    PMCs在航空交通工具中的应用可能是好描述的，并且得到了广泛的研究，人们对极端环境下的应用也有了很好的了解。这些应用中的极端温度范围从低温到高温（-250°F至1000°F或-150°C至550°C）。PMCs可能会受到热循环、空气侵蚀、颗粒物（如沙、灰尘、冰雹和结冰）以及雷击的影响。在快速加热的条件下，键合在聚合物链上的捕获水也许会释放出来，流体静压也会导致结构的改变。这可能会引起超高温和蒸汽诱发的分层。由于飞机有时在室外存放，太阳辐射或环境中的污染物可使树脂老化。
    而PMCs许多的陆上应用很少有极端环境，这些应用要考虑一些独特的环境。例如军用无人机器人车，可能必须经得住爆炸引起的迅速热化，或岩石和其它障碍物的碰撞。另外，PMCs还必须能在改变迅速的天气里不老化、不变形，包括太阳、沙尘、结冰、雨和闪电的变化。
    2.2　海上
    潜水艇和深水潜水艇是典型的由钢合金或镍合金制成。由于它们具有磁性，潜水艇航行到与地球磁场线相垂直的位置时可能会被跟踪（tracked）。而聚合物根本就没有磁性，不需要反侦查的保护措施，因此其在重量和成本上都占有优势。由于海上压力很高，这些结构也许有几厘米厚和经历多次循环装载，这些可能导致微裂痕，甚至破裂。由于海上应用是在咸水环境中，必须考虑避免不同材料间的化合反应，由此引起电腐蚀。
    海上石油工业聚合物基复合材料的应用是因其比钢铁更轻的质量和更好的抗腐蚀能力。因为PMCs重量轻，能减少深水结构系统的成本，如张力腿平台（tension leg platform）或桅杆，这在深水应用中很重要。对于这些应用，系统的起升周期必须不同于主波浪频率。钢缆或钢筋能在浅水和中度深水中有足够的硬度。但是在极深的水中，钢筋还没有足够的硬度阻止波浪的谐振。PMCs能在满足重量标准的条件下还可提供所需的硬度，并且深度的增加其重量轻的好处更能体现出来。
     近年来，海上石油工业增加了钻井的深度。深水储量曾经是不足1,000英尺，现在超过10,000英尺。海上石油市场的复合材料应用包括钻井和产品提升器、钻杆、盘管（spoolable pipes）、管道、钢筋和缆绳。这些系统运行的环境包括高压与高负荷、高温、诸如回流的海洋状况、诸如墨西哥湾百年不遇的飓风以及在海水中的持续暴露。
    在这些极端条件下，在气体和液体渗漏、抗腐蚀性和挤压强度方面，PMCs的性能必须要与金属材料相当甚至优于金属材料。例如，复合物各种组成成分的不同性能可能会使PMCs隆起、裂纹（由液体引起）或分层。因为材料应用的地点使检查具有挑战性，所以确保其性能十分重要。在某些情况下，没有全方位检测原型，可靠性与耐久性也必须保证。
    除了面对极端条件下的材料和系统性能的技术挑战外，石油市场是高度管制的。安全和环境具优先权，因为这两个系统中的任何一个疏忽都会引起灾难性的损失和生命的失去。管理机构是石油和天然气产业的主要项目干系人，这些管理机构包括内务部矿产管理局、海岸警卫队和环保局。
    将新材料引入这些系统所面临的技术挑战与障碍是新材料的设计、测试和证明。为了进行这些工作，研究人员开始开发综合设计方案来分析和优化特定的结构来满足整个价值链从管理者、经营者和制造者到材料供应者的性能与耐久性要求。一旦开发小组决定了新系统的技术方法，材料或复合材料的复杂性将在不同级别进行测试。管理机构认可系统以及子系统的性能和耐久性测试。
    模型性能会给性能和耐久性初的设计与优化更早实现带来好处。尽管性能和耐久性测试必须完成使主要的项目干系人满意，模型工具能将系统性能与耐久性和制造设计联系起来也是很有价值的。这样的工具能使人们更好地理解特定设计的基本限制和错误模式以及机制，并且能优化设计方法。
     2.3　太空
    太空中材料的应用也具有相当地大的挑战性。在太空中，材料可能暴露于热疲劳、原子氧、紫外线降解、静电放电等。卫星绕地球轨道运行，经常处于-250°F到250°F的温度中，而许多探测器甚至探测到局部高温度将近1000°F。低地球轨道下，卫星表面则暴露于原子氧和静电放电中。PMCs必须化学稳定性好，且具有低水平有放气污染；通常，PMCs必须满足SP-R-022的放气要求或更高