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航空航天工業(yè)是上重要的工業(yè)之一。目前納米技術(shù)在航空航天工業(yè)的各個(gè)層面都得到了應(yīng)用。行業(yè)主要目標(biāo)與納米材料的優(yōu)勢(shì)可以很好地吻合，因此納米材料已經(jīng)開(kāi)始取代傳統(tǒng)的金屬材料如鋼。由于格外重視部件結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性，以及整個(gè)結(jié)構(gòu)上不同加載速率的復(fù)雜性，航空結(jié)構(gòu)引起了廣泛關(guān)注。由于具有高強(qiáng)度、高耐腐蝕性、低重量、低成本和易于制造等特點(diǎn)，纖維增強(qiáng)聚合物（fiber-reinforced polymers，F(xiàn)RP）的薄壁結(jié)構(gòu)（ thin-walled structures，TWS）獲得應(yīng)用。
將陶瓷納米顆粒與混雜纖維增強(qiáng)的聚合物基體進(jìn)行多尺度雜交，以制備基于石墨烯納米片（ graphene nanoplatelets，GNP）或碳納米管（carbon nanotubes，CNT）的新型聚合物復(fù)合材料，可以提供廣泛的好處，而這些優(yōu)點(diǎn)尤其適用于航空航天應(yīng)用和制造航空結(jié)構(gòu)。各種航空結(jié)構(gòu)部件如機(jī)身、飛行控制裝置、起落架、穩(wěn)定器和機(jī)翼，在每次飛行中都會(huì)承受各種不同的載荷：簡(jiǎn)單地說(shuō)，在每次飛行中，飛機(jī)都會(huì)進(jìn)行幾次復(fù)雜的機(jī)動(dòng)，這可能會(huì)在飛機(jī)上造成不同的載荷模式。因此，TWS必須耐用可靠，這是建造現(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)的基本要求。然而，為了滿(mǎn)足這些基本要求，在飛機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中存在著許多限制，從而為航天結(jié)構(gòu)加工帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)：“這些限制使航空結(jié)構(gòu)應(yīng)用成為現(xiàn)代技術(shù)中復(fù)雜的產(chǎn)品之一，”論文合作者、埃及開(kāi)羅現(xiàn)代工程技術(shù)學(xué)院助理教授Mohamed Abu Okail介紹。因此，在選擇結(jié)構(gòu)部件材料時(shí)，必須仔細(xì)考慮飛機(jī)的用途或預(yù)期用途（客機(jī)或戰(zhàn)斗機(jī)）。此外，飛機(jī)法規(guī)代表了獲得新飛機(jī)設(shè)計(jì)認(rèn)證的條件；市場(chǎng)、環(huán)境和安全等財(cái)務(wù)因素影響設(shè)計(jì)過(guò)程和所用材料的選擇。“對(duì)于航空結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，以較低的成本實(shí)現(xiàn)更高的性能、效率和可靠性是一個(gè)困難的要求。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種新型復(fù)合材料，其特點(diǎn)是輕量化、抗疲勞、高韌性、高耐久性和高損傷容限，以及環(huán)境友好和可回收”，Abu Okail解釋道。
納米陶瓷復(fù)合纖維增強(qiáng)聚合物的合成
該團(tuán)隊(duì)通過(guò)將由碳纖維和玻璃纖維編織而成的混雜纖維與兩種不同的陶瓷納米顆粒——氧化鋁（Al?O?）和石墨烯納米片（GNP）相結(jié)合，制造出一種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料。選擇這些材料是因?yàn)樗鼈兊膹?qiáng)度和輕質(zhì)特性，當(dāng)它們結(jié)合在一起時(shí)，可以生產(chǎn)出更先進(jìn)的工程材料。
該團(tuán)隊(duì)成功合成了具有陶瓷納米顆粒的混雜纖維增強(qiáng)聚合物，并仔細(xì)評(píng)估了納米材料的特性。該團(tuán)隊(duì)使用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線(xiàn)衍射（XRD）以及能量色散X射線(xiàn)光譜（EDS）對(duì)微觀結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果進(jìn)行了分析，并使用拉伸和硬度試驗(yàn)進(jìn)行機(jī)械試驗(yàn)。
研究小組發(fā)現(xiàn)，在混合基體中實(shí)現(xiàn)了GNP和Al?O3的均勻分布，這實(shí)際上有助于生產(chǎn)出性能優(yōu)異的薄壁結(jié)構(gòu)，非常適用于航空、航天和飛機(jī)行業(yè)。除此以外，混合FRP還表現(xiàn)出改善的機(jī)械和微觀結(jié)構(gòu)性能，這有助于提高工程設(shè)計(jì)能力、航空結(jié)構(gòu)部件的耐久性和可靠性以及整體工藝性能。
文章《Synthesis and Characterization of Hybrid Fiber-Reinforced Polymer by Adding Ceramic Nanoparticles for Aeronautical Structural Applications》；Polymers 2021, 13(23), 4116; https://doi.org/10.3390/polym13234116