使用混合纳米材料新方法几分钟内就可制造出高性能热塑性复合材料

德克萨斯 A&M 大学的研究人员开发了一种使用混合纳米材料的方法，能够在几分钟内制造出具有良好机械性能的高性能热塑性复合材料。

纤维增强热塑性塑料因其固有的特性正在高速取代金属——它们轻便、坚固、可回收和可延展。它们可用于各种应用，包括制造、汽车和航空航天工业，因为它们既具有成本效益又具有可持续性。

该项目以车重减轻10%，燃油效率提高6%-8%，二氧化碳年排放量减少325公斤为前提。提供了与金属零部件制造竞争的可相关人员说。此外，该项目解决了航空航天领域减少重量和制造成本的需求，从经济上证明了制造用于成像、雷达、监视和交付的小型飞行器的合理性。它还加快了商用飞机快速制造复合材料的认证。

克服悖论

高性能热塑性复合材料通常是半结晶的，包含结晶区和无定形区。在聚合物中，晶体是聚合物链按特定顺序排列的区域，无定形区域是具有随机结构的区域。

然而，热塑性塑料存在一个悖论：如果通过增加晶体数量来提高强度，它会变脆，但如果通过增加无定形区域来解决脆性，则强度会显着降低。由于快速加热和冷却过程没有足够的时间形成晶体，因此快速制造过程会引发这种悖论，从而难以生产坚固的热塑性塑料。

研究人员说，实现具有相互影响的特性的结构具有挑战性。然而，这些结构在自然界中是存在的。例如，象鼻的强度足以举起数百磅，在战斗中很僵硬，但也足够柔软、灵活和细腻，可以处理小蔬菜。同时，它还提供多种功能，如通讯、饮水和淋浴。这些令人难以置信的功能的关键是树干的复杂微观结构，我们可以将其视为我们如何在一个结构中实现自相矛盾的特性的一个例子。

设计结晶非晶微结构

为了应对这一挑战，研究人员建议在制造过程中使用混合纳米材料设计结晶非晶微结构。这些纳米材料可以通过控制晶体的成核、生长、取向和尺寸分布，将晶体调整为所需的结构。在生产过程中开发微观结构会产生一种既坚固又抗断裂的热塑性复合材料。

他们的新方法有可能以更快的速度和更低的成本生产纤维增强热塑性塑料。此外，它可以提供一种可扩展的解决方案，能够在制造业中与金属竞争。

该项目通过为汽车、航空航天和海洋工业配备快速制造技术，加速了可能有利于美国经济和国家安全的制造平台。

未来，研究人员将寻求提供物理证据，证明他们的制造过程反映了他们的分子模拟。为了完成这项任务，他们正在与空军研究实验室合作，以确定他们的研究结果是否与制造工艺兼容。