聚合物是柔性形態的、組成廣泛的和在環境中隨時間其性能產生變化的復合材料。就結構而言，聚合物是由許多小分子構成的大分子物質，各重復單元形成的鏈狀或網狀大分子由成千上萬個原子構成。復合材料組成非常復雜，其基質、纖維和其它組成成分都要從原料和結構上進行分級設計。將聚合物合成到復合材料中，即聚合物基復合材料（PMCs）使研究人員面臨開發基于歷史（history-based）的耐久性模型的挑戰，該模型能使復合材料開發人員和成分設計師制作出基質樹脂、基質與纖維質之間填隙相的性能適應預期的使用環境。當使用環境諸如壓力、溫度、化學組成和其它因素達到極限時，這項挑戰變得更重要也更困難。
    1　聚合物基復合材料
    復合材料是由一種以上的成分或物相組成的材料。聚合物基體就是PMC材料的一種成分。PMC的主要特性是其一般結構，但還有一些其它的功能性特性也可加入到PMC的制作中。大多數分層的、纖維連續增強的、微粒增強的和納米粒子填充的復合材料稱為PMCs。
    為了本次研究，復合材料由直徑微米級的纖維組成（纖維固定在聚合物基體上），且用于高性能結構應用。很多情況下，在高溫樹脂材料（熱固樹脂）中有連續的碳纖維，不過也有其它類型的纖維和樹脂。
    當分散相的尺寸大小遠小于1微米時，復合物與混合物之間的區別就很模糊了，所以連續體和分子結構之間的界限也不明顯。對納米填充物、纖維與樹脂中分子擴散的研究開始大量出現，但對這些材料的模擬還沒有跟上。隨著這些技術的成熟，這篇報告預想的耐久性與壽命預測方法將需要包括遍及復合物中的納米尺度物質引起的其它復雜性。納米尺度物質對聚合物活性有著根本性的影響，即使加入的量很小，也會使復合材料的機械和熱性能發生巨大的變化。
    2　極端環境
    對PMC極端環境的理解因人而異，且強烈依賴于他們的科學或工程學背景。廣義而言，極端環境是指會損害材料耐久性的環境。這項研究主要集中在先進的商業、軍事和航空應用，因為這些部門迫切需要這樣的材料。
    極端條件包括在空中、陸上、海下或太空中可能遇到的各種情況，每種情況下都有其獨特的一些要求：

l         極端溫度：高溫和低溫

l         極端化學暴露：腐蝕環境（包括鹽水和鹽水噴霧）或交替水環境

l         極端負荷：高壓、疲勞或多軸負荷

l         極端時長暴露：從長期暴露到短期暴露

    這些極端條件中的任何一個都會影響PMC的耐久性，而多個條件聯合起來的影響就更大了。PMCs的應用通常是根據工作溫度來分類的。
    2.1　空中和陸上
    PMCs在航空交通工具中的應用可能是好描述的，并且得到了廣泛的研究，人們對極端環境下的應用也有了很好的了解。這些應用中的極端溫度范圍從低溫到高溫（-250°F至1000°F或-150°C至550°C）。PMCs可能會受到熱循環、空氣侵蝕、顆粒物（如沙、灰塵、冰雹和結冰）以及雷擊的影響。在快速加熱的條件下，鍵合在聚合物鏈上的捕獲水也許會釋放出來，流體靜壓也會導致結構的改變。這可能會引起超高溫和蒸汽誘發的分層。由于飛機有時在室外存放，太陽輻射或環境中的污染物可使樹脂老化。
    而PMCs許多的陸上應用很少有極端環境，這些應用要考慮一些獨特的環境。例如軍用無人機器人車，可能必須經得住爆炸引起的迅速熱化，或巖石和其它障礙物的碰撞。另外，PMCs還必須能在改變迅速的天氣里不老化、不變形，包括太陽、沙塵、結冰、雨和閃電的變化。
    2.2　海上
    潛水艇和深水潛水艇是典型的由鋼合金或鎳合金制成。由于它們具有磁性，潛水艇航行到與地球磁場線相垂直的位置時可能會被跟蹤（tracked）。而聚合物根本就沒有磁性，不需要反偵查的保護措施，因此其在重量和成本上都占有優勢。由于海上壓力很高，這些結構也許有幾厘米厚和經歷多次循環裝載，這些可能導致微裂痕，甚至破裂。由于海上應用是在咸水環境中，必須考慮避免不同材料間的化合反應，由此引起電腐蝕。
    海上石油工業聚合物基復合材料的應用是因其比鋼鐵更輕的質量和更好的抗腐蝕能力。因為PMCs重量輕，能減少深水結構系統的成本，如張力腿平臺（tension leg platform）或桅桿，這在深水應用中很重要。對于這些應用，系統的起升周期必須不同于主波浪頻率。鋼纜或鋼筋能在淺水和中度深水中有足夠的硬度。但是在極深的水中，鋼筋還沒有足夠的硬度阻止波浪的諧振。PMCs能在滿足重量標準的條件下還可提供所需的硬度，并且深度的增加其重量輕的好處更能體現出來。
     近年來，海上石油工業增加了鉆井的深度。深水儲量曾經是不足1,000英尺，現在超過10,000英尺。海上石油市場的復合材料應用包括鉆井和產品提升器、鉆桿、盤管（spoolable pipes）、管道、鋼筋和纜繩。這些系統運行的環境包括高壓與高負荷、高溫、諸如回流的海洋狀況、諸如墨西哥灣百年不遇的颶風以及在海水中的持續暴露。
    在這些極端條件下，在氣體和液體滲漏、抗腐蝕性和擠壓強度方面，PMCs的性能必須要與金屬材料相當甚至優于金屬材料。例如，復合物各種組成成分的不同性能可能會使PMCs隆起、裂紋（由液體引起）或分層。因為材料應用的地點使檢查具有挑戰性，所以確保其性能十分重要。在某些情況下，沒有全方位檢測原型，可靠性與耐久性也必須保證。
    除了面對極端條件下的材料和系統性能的技術挑戰外，石油市場是高度管制的。安全和環境具優先權，因為這兩個系統中的任何一個疏忽都會引起災難性的損失和生命的失去。管理機構是石油和天然氣產業的主要項目干系人，這些管理機構包括內務部礦產管理局、海岸警衛隊和環保局。
    將新材料引入這些系統所面臨的技術挑戰與障礙是新材料的設計、測試和證明。為了進行這些工作，研究人員開始開發綜合設計方案來分析和優化特定的結構來滿足整個價值鏈從管理者、經營者和制造者到材料供應者的性能與耐久性要求。一旦開發小組決定了新系統的技術方法，材料或復合材料的復雜性將在不同級別進行測試。管理機構認可系統以及子系統的性能和耐久性測試。
    模型性能會給性能和耐久性初的設計與優化更早實現帶來好處。盡管性能和耐久性測試必須完成使主要的項目干系人滿意，模型工具能將系統性能與耐久性和制造設計聯系起來也是很有價值的。這樣的工具能使人們更好地理解特定設計的基本限制和錯誤模式以及機制，并且能優化設計方法。
     2.3　太空
    太空中材料的應用也具有相當地大的挑戰性。在太空中，材料可能暴露于熱疲勞、原子氧、紫外線降解、靜電放電等。衛星繞地球軌道運行，經常處于-250°F到250°F的溫度中，而許多探測器甚至探測到局部高溫度將近1000°F。低地球軌道下，衛星表面則暴露于原子氧和靜電放電中。PMCs必須化學穩定性好，且具有低水平有放氣污染；通常，PMCs必須滿足SP-R-022的放氣要求或更高