航空航天工業是上重要的工業之一。目前納米技術在航空航天工業的各個層面都得到了應用。行業主要目標與納米材料的優勢可以很好地吻合，因此納米材料已經開始取代傳統的金屬材料如鋼。由于格外重視部件結構的耐久性和可靠性，以及整個結構上不同加載速率的復雜性，航空結構引起了廣泛關注。由于具有高強度、高耐腐蝕性、低重量、低成本和易于制造等特點，纖維增強聚合物（fiber-reinforced polymers，FRP）的薄壁結構（ thin-walled structures，TWS）獲得應用。

 

將陶瓷納米顆粒與混雜纖維增強的聚合物基體進行多尺度雜交，以制備基于石墨烯納米片（ graphene nanoplatelets，GNP）或碳納米管（carbon nanotubes，CNT）的新型聚合物復合材料，可以提供廣泛的好處，而這些優點尤其適用于航空航天應用和制造航空結構。各種航空結構部件如機身、飛行控制裝置、起落架、穩定器和機翼，在每次飛行中都會承受各種不同的載荷：簡單地說，在每次飛行中，飛機都會進行幾次復雜的機動，這可能會在飛機上造成不同的載荷模式。因此，TWS必須耐用可靠，這是建造現代航空結構的基本要求。然而，為了滿足這些基本要求，在飛機的設計過程中存在著許多限制，從而為航天結構加工帶來了許多挑戰：“這些限制使航空結構應用成為現代技術中復雜的產品之一，”論文合作者、埃及開羅現代工程技術學院助理教授Mohamed Abu Okail介紹。因此，在選擇結構部件材料時，必須仔細考慮飛機的用途或預期用途（客機或戰斗機）。此外，飛機法規代表了獲得新飛機設計認證的條件；市場、環境和安全等財務因素影響設計過程和所用材料的選擇。“對于航空結構來說，以較低的成本實現更高的性能、效率和可靠性是一個困難的要求。因此，迫切需要開發一種新型復合材料，其特點是輕量化、抗疲勞、高韌性、高耐久性和高損傷容限，以及環境友好和可回收”，Abu Okail解釋道。

　　
納米陶瓷復合纖維增強聚合物的合成

　　
該團隊通過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）相結合，制造出一種增強結構材料。選擇這些材料是因為它們的強度和輕質特性，當它們結合在一起時，可以生產出更先進的工程材料。

該團隊成功合成了具有陶瓷納米顆粒的混雜纖維增強聚合物，并仔細評估了納米材料的特性。該團隊使用光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）以及能量色散X射線光譜（EDS）對微觀結構觀察結果進行了分析，并使用拉伸和硬度試驗進行機械試驗。

 

研究小組發現，在混合基體中實現了GNP和Al?O3的均勻分布，這實際上有助于生產出性能優異的薄壁結構，非常適用于航空、航天和飛機行業。除此以外，混合FRP還表現出改善的機械和微觀結構性能，這有助于提高工程設計能力、航空結構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