纖維增強復合材料的研究與發展趨勢
1 引言
纖維增強復合材料已成為先進國防裝備特別是飛行器結構的選材料，對于減輕結構重量、提高結構效率、改善結構可靠性、延長結構壽命，具有其他材料無法比擬的優勢，其用量已成為衡量飛行器結構先進性的重要標志。國內纖維增強結構復合材料經過20多年的研究和積累，基本形成了可在80~300℃溫度范圍使用的樹脂體系和復合材料，建立了復合材料預浸料、蜂窩生產線，形成了以熱壓罐和纏繞成型技術為主的高性能復合材料構件研發和生產技術。但國內纖維增強復合材料的應用和研制水平與武器裝備自主保障生產和發展的需求仍然存在著很大差距。當前，國內纖維增強復合材料總的發展趨勢是必須優先解決國產炭纖維研制與國產炭纖維復合材料應用，同時開展先進高效設計與制造方法研究，提高復合材料結構應用效益，進一步擴大裝備復合材料用量；放眼國際，19世紀80年代纖維增強復合材料經歷了從玻璃鋼到以炭纖維增強復合材料為代表的先進復合材料的跨越，隨著本世紀納米技術的突飛猛進，以納米復合材料為代表的新一代高性能復合材料己經初見端倪，必將成為復合材料的主要研發方向。本文從纖維增強復合材料發展沿革出發，重點闡述國產炭纖維復合材料應用基礎研究、復合材料飛行器結構高效設計方法和納米復合材料技術研發趨勢，力圖在國內外復合材料領域學術創新探索研究與我國未來飛行器結構工程應用之間建立內在關聯。
2 國產炭纖維復合材料應用基礎研究
炭纖維結構復合材料是以炭纖維為增強體，樹脂為基體，通過物理和化學方法復合而成，具
有質量輕、比強度高、比模量高、抗疲勞、耐腐蝕等優異特點，是目前用量大的先進復合材料，廣泛用作航空、航天、兵器、艦船等承力結構，已成為先進武器裝備特別是飛行器結構的基本材料，也是未來飛行器發展潛力與空間的重要決定因素。我國經過30多年的研究，采用進口炭纖維制備的復合材料在軍機結構上的應用取得較大發展，我國先進戰略導彈和衛星等也都要大量使用炭纖維復合材料，擬發展的高超聲速飛行器、大型運輸機等均對炭纖維結構復合材料提出強烈需求。炭纖維作為安全戰略物資，絕對不能受制于人。從國防發展的戰略角度考慮，武器裝備的研制必須立足國產炭纖維，必須應用國產炭纖維復合材料，必須不失時機地解決應用基礎問題，以促進國產炭纖維復合材料在武器裝備上的高效可靠持續應用。
長期以來，由于進口炭纖維具有優異的復合普適性，與不同樹脂在不同工藝下復合均表現出良好匹配性，由此導致我國炭纖維復合材料應用基礎研究未系統開展，在炭纖維與樹脂復合匹配機制、復合材料性能轉化機制、性能演化規律以及性能評價方法等方面的基礎研究薄弱，在相當程度上影響了炭纖維結構復合材料的應用水平。如今須要用國產炭纖維替代進口炭纖維，其應用基礎研究薄弱問題更為突出。
國產炭纖維的應用實質是國產炭纖維復合材料的應用。對于結構應用而言，先應該從承載角度考慮纖維和樹脂基體的匹配關系，使纖維的性能大轉化成復合材料性能，從纖維性能轉化到復合材料的性能是一個從微觀到宏觀變化的復雜的復合材料形成過程，有物理作用、化學作用以及物理/化學耦合作用。復合材料形成的過程也是界面相形成的過程。界面對于復合材料是至關重要的，是纖維性能轉化和復合材料性能發揮的關鍵。因此，在復合材料形成的復雜過程中如何對界面微結構控制與表征，進而掌握界面與復合材料性能的關聯機制是需要重點研究的科學問題。另外，飛行器結構特別是飛機結構用炭纖維復合材料的服役過程是一個多因素綜合作用的復雜過程，既受溫度影響、濕度影響，又受載荷等影響。因此，揭示服役環境下炭纖維復合材料微結構的蛻變機制和使用性能的變化規律是關系到結構復合材料可靠應用的重要前提。
3 飛行器復合材料結構高效設計
“輕質化、長壽命、高可靠、高效能、高隱身、低成本”是新一代飛機的發展目標，先進復合材料在飛機上的應用是實現這一目標的重要途徑，縱觀國內外的發展不難發現，無論是軍機，還是民機，飛機結構復合材料化是當前國際國內航空領域發展的必然趨勢。
近年來先進復合材料在軍機、民機、直升機、無人機、發動機等領域的應用發展突飛猛進，在民用領域更是用到了B787機自等大型客機的主承力結構，甚至出現了全復合材料飛機。然而，復合材料的結構設計與傳統金屬結構設計有許多本質區別，先進復合材料在給飛機設計帶來了許多前所未有機遇的同時，也帶來了很多問題和挑戰。飛機不斷追求高機動性、多功能性和高可靠性的發展對復合材料的設計與質量提出了更為苛刻、具其他材料無法實現的極限要求。然而復合材料組分的多元性、結構的多重性、材料/結構形成的同一性以及性能蛻變行為的不確定性，極大地增加了復合材料結構設計難度，給設計師們帶來了前所未有的挑戰。但是目前我國復合材料的基礎研究不系統、技術儲備不足、制造質量不穩定、性能演化不清楚、設計理論水平不高，使得設計人員無謂壓低設計許用值，復合材料優勢無法凸現，以致軍機上復合材料用量長期在低水平徘徊。
針對飛機復合材料結構的非確定性分析設計方法是高效結構設計理論與方法的新發展趨勢。傳統的規定安全系數以覆蓋未知量的飛機結構設計確定性方法至少有2個基本的缺陷。，這些過程對于非常規結構的飛機難于應用，如使用新材料、新的結構要領等；比如針對復合材料的結構設計，考慮到復合材料性能的分散性、對環境與損傷的敏感性，通常假設所有設計條件如溫度、濕度、操作、載荷等等同時達到惡劣的狀況，因而導致非常保守的設計和較低的結構效率。第二，無法得到安全可靠性的定量評價，其結果是無法確定不同設計選擇對于飛機安全的相對重要性，而且也不能保障整個飛機結構上的具有協調的安全級別，無法在設計中體現不同結構部位的相對重要性，可能導致即使超重也無法保障整體安全性。而非確定性方法是用統計模式來表征部件尺寸、環境因子、材料特性和外載茶等設計變量，在設計中利用統計學特征并提供一個期望的可靠度。非確定性方法是在確定性方法的基礎上進一步使安全程度定量化，并使設計者可以發現結構風險的策動源，是保障結構安全與效率平衡的新研發熱點，可以在設計中使整個飛機達到統一的安全效率水平，避免非必要的“過度設計”。
復合材料結構具有宏-細觀強耦合關聯的多尺度特征，而飛機復合結構設計需要跨越材料-層合板-結構元件（板、肋、梁）-次部件-部件（機翼、機身）不同的尺度，設計過程需要了解局部細節到整體部件跨越多個數量級的關聯信息。由于缺乏飛機復合材料結構設計理論的支撐，國內在建立積木式方法的試驗框架結構驗收標準的時候只能基本照搬國外的經驗，缺乏針對國內實際情況進行自主創新的能力。復合材料結構集成化跨尺度分析方法，在同一個模型中實現多尺度變量同步關聯的高效分析，克服傳統有限元方法在處理復雜結構中局部細節與損傷狀態的困難，建立結構設計約束條件的跨尺度同步關聯，為積木式方法提代系統的理論指導，是充分考慮復合材料結構性、促進多尺度方法在飛機復合材料結構設計中應用的創新性理論研究。
復合材料具有突出的高比強度和比剛度特點，同時可使一些采用金屬材料無法實現的結構設想成為現實。因此，復合材料已成為現代飛行器量主要的結構材料。復合材料的效益潛力并不能簡單沿用金屬結構設計/制造觀念和方法得以發揮，必須將復合材料結構制造的特點與高效結構形式設計緊密結合，才可以大限度地發揮復合材料結構的優勢。復合材料結構因其制造工藝的特殊性，不同的結構組分既可直接通過纖維的連續鋪放或編織結為一體，也可通過共固化或膠接共固化等途徑在復合材料本身的形成過程中結為一體。與相同功能的金屬結構相比，可大幅度減少緊固件和零件數量。這一特點稱為結構的整體化。由于緊固件和結構中相應釘孔數量的下降，結構的減重效果和承載能力可得到顯著提升。因此，復合材料結構的整體化被普遍認為是實現復合材料效益潛力的重要途徑之一。復合材料結構的整體化是對材料優勢特性進行深入分析和充分利用得到的結果，并非簡單地將復合材料應用于結構即可自然形成。整體化復合材料結構的設計與制造先必須了解多種類型結合界面的承載傳載特性和失效機理，針對操作/缺陷對整體化結構性能的影響作用進行科學評價，發展大尺寸/多組分整體化結構固化變形控制、結構內部纖維取向控制以及缺陷控制等制造技術，建立整體化結構設計的科學、系統的工藝適用性評價方法。
4 納米復合材料
納米材料是20世紀80年代剛剛發展起來的新材料，從其一誕生，就因廣泛的商業前景而被美國材料學會雀為“21世紀有前途的材料”納米材料是指由一些超微單元組成的材料，這些超微單元至少有一維的平均尺寸在100nm以下。納米材料分為納米陶瓷材料、納米金屬材料、納米聚合物材料以及由上述材料組成的納米復合材料。納米材料由于其仍大的比表面而產生一系列效應：小尺寸效應、界面效應、量子效應和量子隧道效應等，使其具有許多新異的特性。納米塑料或納米聚合物材料是近幾十年發展起來的新型材料。納米聚合物材料可定義為：材料由單一的聚合物組成，且基本尺寸至少有一維在100nm以內。聚合物基納米復合材料具有優異的力學性能。納米材料作為增強劑使用時，即使添加量很少，也能使復合材料的力學性能與基體相比有顯著提高。
航空航天應用特別是結構材料應用為關注的其實是聚合物基納米復合材料性能與炭纖維增強復合材料性能的比較。近十年來納米上、聚合物基體相、連續纖維增強相三相復合材料的研究已經取得一些突破性進展。聚合物基納米復合材料與傳統的炭纖維增強聚合物基復合材料相比，能夠以很低的添加量來實現模量、氣體陰隔性、熱性能、阻燃性、抵抗原子氧和抵抗小分子滲透等性能的顯著增加。在強度和剛度方面，多壁碳納米管比其他類型的納米管具有更高的楊低模量，加入少量碳納米管到聚合物中會使拉伸剛度、彎曲剛度、屈服應力和屈服強度線拉伸剛度、彎曲剛度、屈服應力和屈服強度線性地增加，并且不影響基體的延展性。重量百分比含量為1%的碳納米管對基體彈性模量的增加效果能夠達含量為10%的碳納米管對基體彈性模量的增加效果能夠達含量為10%的傳統炭纖維的增強效果。2007年在日本舉行的第十六屆國際復合材料大會上，東京大學研究人員報告的結果具有一定代表性：將Cup-stacked型碳納米管（CSCNT）引入環氧樹脂基體中制成的炭纖維增強復合材料靜態壓縮強度提高25%；層間剪切強度提高10%~20%。層間斷裂韌性少提高20%，有些配比的試件甚至超過200%。
納米復合材料的諸多優勢是傳統復合材料所不具備或不同時具備的，為了滿足航天航空的材料需要在苛刻的真空條件下同時具有更多的功能，例如：低滲透性、抗輻射、在寬溫范圍內的耐久性、能夠長期循環使用、耐熱性和安全性。而且不能具有污染光學器件、電子短路、腐蝕金屬表面等破壞作用。此外，由于是有人的飛行操作，所以對可燃性、起煙和有毒副產物的排放有諸多的限制。因此，除了已經研究多年的力學性能、熱性能和氣體阻隔性之外，納米復合材料的防滲透性、靜電放電保護性能、導電生、作為涂料的而磨擦、耐腐蝕性和耐久性方面都是具有發展的納米復合材料的功能性。
阻燃性和熱穩定性方面，層狀硅酸鹽增強聚合物納米復合材料的由于片層結構的存在限制聚合物分子的熱運動，從而提高了聚合物基的熱稱定性。如果再引入Si-C結構，還會使耐熱性能進一步提高。只用很低含量的無序的脫層納米粘土增強的聚合物的降解溫度比純聚合物有了顯著提高。有實驗表現使用溫度高的輕質聚合物基無機納米復合材料擁有在175~200℃長期使用的熱穩定優勢。納米填料的加入不僅使聚合物的熱釋放率降低而且也能阻止聚合物中的揮發性可燃物質排放到燃燒區域，因此產生阻燃作用。附著力方面，由于納米填料的加入，納米粘土充填復合材料顯示出好的力學性能、熱性能和抗水性，因此可用在涂料、粘合劑、泡沫等航空應用中。納米顆料充填的涂料可能涂覆在金屬表面來抗擦傷，抗反射和抗腐蝕等。在涂料方面，納米粒子在抗熱性、剛度、強度和導師電性方面比傳統在炭黑充填物容易控制與設計，具有更高的靈活性。性能就是對航天航空設備靜電放電保護，這是通過使用應用于這些設備的高電壓降低到不會產生破壞的水平，也就是能在短時間內能免抵抗放電和過熱。光學性質方面，碳納米管還是一種好的光學限制器，它的限制范圍從可見光到近紅外外光波段內的，并且它的脈沖持續時間僅為幾個納秒。碳納米管還是導電添加劑，只需很低的含量它在聚合物基體中就能夠形成一個導電網。在航天耐久性方面，含有均勻分散的納米無機顆米的復合材料能夠抵抗苛刻的太空環境。運載火箭將大大地受益于納米復合材料的應用，因為它不僅能夠提供優異的阻隔性能和梯度形態，有利于制造非線性復合材料烯料儲箱，而且能夠高度抵抗太空中的顆料和電磁輻射的降解作用，同時還能夠全面減輕航天器的重量。
納米復合材料研究已經取得令人鼓舞的進展，預計二十年內仍將是創新赤道產學的研究熱點。概括起來的研發趨勢可以分為制備、表征、分析評價3個方面。在納米復合材料的制備方面，研發熱點主要集中在聚合物基碳納米管復合材料和聚合物基納米蒙脫土復合材料及碳納米管的制備上。為了有效的利用碳納米管來提高聚合物的導電性、強度、彈性、韌性和耐久性，必須將碳納米管均勻分布于基體中，并且不破壞其完整性，好的碳納米管與基體的界面粘合力也有利于傳遞載荷。由于碳納米管在溶劑和基體樹脂中易于團聚，即使分散了，由于靜電吸引還會重新團聚，因此，這對制備的技術提出了新的挑戰。制造均勻的納米復合材料不僅需要控制個體結構單元還要控制更高一級別的結構，增加納米填料與聚合物基體界面的粘合能力并且合成純的納米粒子是為航天航空應用提供更強性能的聚合物基納米復合材料的關鍵。表征分析方面顯微和光譜技術常用來對納米復合材料進行分子水平上的研究。關于纖維在復合材料中的排列、纖維和基體的粘合和纖維的分布等影響復合材料品質的方面使得表征方法變得至關重要。通過闡明熔融結構、制備過程和性能之間的關系，流變學實驗能夠定量地給出關于這些問題的有價值的信息，但顯微和光譜技術是其有力的補充。聚合物基納米復合材料面臨的大挑戰是納米增強相與聚合物基體相之間界面應力轉換效率的評價。為了促進材料的發展，必須建立聚合物分子結構、納米管和界面的本征聯系，發展復合材料宏觀性能的預報方法。
纖維增強復合材料已成為先進國防裝備特別是飛行器結構的選材料，對于減輕結構重量、提高結構效率、改善結構可靠性、延長結構壽命，具有其他材料無法比擬的優勢，其用量已成為衡量飛行器結構先進性的重要標志。國內纖維增強結構復合材料經過20多年的研究和積累，基本形成了可在80~300℃溫度范圍使用的樹脂體系和復合材料，建立了復合材料預浸料、蜂窩生產線，形成了以熱壓罐和纏繞成型技術為主的高性能復合材料構件研發和生產技術。但國內纖維增強復合材料的應用和研制水平與武器裝備自主保障生產和發展的需求仍然存在著很大差距。當前，國內纖維增強復合材料總的發展趨勢是必須優先解決國產炭纖維研制與國產炭纖維復合材料應用，同時開展先進高效設計與制造方法研究，提高復合材料結構應用效益，進一步擴大裝備復合材料用量；放眼國際，19世紀80年代纖維增強復合材料經歷了從玻璃鋼到以炭纖維增強復合材料為代表的先進復合材料的跨越，隨著本世紀納米技術的突飛猛進，以納米復合材料為代表的新一代高性能復合材料己經初見端倪，必將成為復合材料的主要研發方向。本文從纖維增強復合材料發展沿革出發，重點闡述國產炭纖維復合材料應用基礎研究、復合材料飛行器結構高效設計方法和納米復合材料技術研發趨勢，力圖在國內外復合材料領域學術創新探索研究與我國未來飛行器結構工程應用之間建立內在關聯。
2 國產炭纖維復合材料應用基礎研究
炭纖維結構復合材料是以炭纖維為增強體，樹脂為基體，通過物理和化學方法復合而成，具
有質量輕、比強度高、比模量高、抗疲勞、耐腐蝕等優異特點，是目前用量大的先進復合材料，廣泛用作航空、航天、兵器、艦船等承力結構，已成為先進武器裝備特別是飛行器結構的基本材料，也是未來飛行器發展潛力與空間的重要決定因素。我國經過30多年的研究，采用進口炭纖維制備的復合材料在軍機結構上的應用取得較大發展，我國先進戰略導彈和衛星等也都要大量使用炭纖維復合材料，擬發展的高超聲速飛行器、大型運輸機等均對炭纖維結構復合材料提出強烈需求。炭纖維作為安全戰略物資，絕對不能受制于人。從國防發展的戰略角度考慮，武器裝備的研制必須立足國產炭纖維，必須應用國產炭纖維復合材料，必須不失時機地解決應用基礎問題，以促進國產炭纖維復合材料在武器裝備上的高效可靠持續應用。
長期以來，由于進口炭纖維具有優異的復合普適性，與不同樹脂在不同工藝下復合均表現出良好匹配性，由此導致我國炭纖維復合材料應用基礎研究未系統開展，在炭纖維與樹脂復合匹配機制、復合材料性能轉化機制、性能演化規律以及性能評價方法等方面的基礎研究薄弱，在相當程度上影響了炭纖維結構復合材料的應用水平。如今須要用國產炭纖維替代進口炭纖維，其應用基礎研究薄弱問題更為突出。
國產炭纖維的應用實質是國產炭纖維復合材料的應用。對于結構應用而言，先應該從承載角度考慮纖維和樹脂基體的匹配關系，使纖維的性能大轉化成復合材料性能，從纖維性能轉化到復合材料的性能是一個從微觀到宏觀變化的復雜的復合材料形成過程，有物理作用、化學作用以及物理/化學耦合作用。復合材料形成的過程也是界面相形成的過程。界面對于復合材料是至關重要的，是纖維性能轉化和復合材料性能發揮的關鍵。因此，在復合材料形成的復雜過程中如何對界面微結構控制與表征，進而掌握界面與復合材料性能的關聯機制是需要重點研究的科學問題。另外，飛行器結構特別是飛機結構用炭纖維復合材料的服役過程是一個多因素綜合作用的復雜過程，既受溫度影響、濕度影響，又受載荷等影響。因此，揭示服役環境下炭纖維復合材料微結構的蛻變機制和使用性能的變化規律是關系到結構復合材料可靠應用的重要前提。
3 飛行器復合材料結構高效設計
“輕質化、長壽命、高可靠、高效能、高隱身、低成本”是新一代飛機的發展目標，先進復合材料在飛機上的應用是實現這一目標的重要途徑，縱觀國內外的發展不難發現，無論是軍機，還是民機，飛機結構復合材料化是當前國際國內航空領域發展的必然趨勢。
近年來先進復合材料在軍機、民機、直升機、無人機、發動機等領域的應用發展突飛猛進，在民用領域更是用到了B787機自等大型客機的主承力結構，甚至出現了全復合材料飛機。然而，復合材料的結構設計與傳統金屬結構設計有許多本質區別，先進復合材料在給飛機設計帶來了許多前所未有機遇的同時，也帶來了很多問題和挑戰。飛機不斷追求高機動性、多功能性和高可靠性的發展對復合材料的設計與質量提出了更為苛刻、具其他材料無法實現的極限要求。然而復合材料組分的多元性、結構的多重性、材料/結構形成的同一性以及性能蛻變行為的不確定性，極大地增加了復合材料結構設計難度，給設計師們帶來了前所未有的挑戰。但是目前我國復合材料的基礎研究不系統、技術儲備不足、制造質量不穩定、性能演化不清楚、設計理論水平不高，使得設計人員無謂壓低設計許用值，復合材料優勢無法凸現，以致軍機上復合材料用量長期在低水平徘徊。
針對飛機復合材料結構的非確定性分析設計方法是高效結構設計理論與方法的新發展趨勢。傳統的規定安全系數以覆蓋未知量的飛機結構設計確定性方法至少有2個基本的缺陷。，這些過程對于非常規結構的飛機難于應用，如使用新材料、新的結構要領等；比如針對復合材料的結構設計，考慮到復合材料性能的分散性、對環境與損傷的敏感性，通常假設所有設計條件如溫度、濕度、操作、載荷等等同時達到惡劣的狀況，因而導致非常保守的設計和較低的結構效率。第二，無法得到安全可靠性的定量評價，其結果是無法確定不同設計選擇對于飛機安全的相對重要性，而且也不能保障整個飛機結構上的具有協調的安全級別，無法在設計中體現不同結構部位的相對重要性，可能導致即使超重也無法保障整體安全性。而非確定性方法是用統計模式來表征部件尺寸、環境因子、材料特性和外載茶等設計變量，在設計中利用統計學特征并提供一個期望的可靠度。非確定性方法是在確定性方法的基礎上進一步使安全程度定量化，并使設計者可以發現結構風險的策動源，是保障結構安全與效率平衡的新研發熱點，可以在設計中使整個飛機達到統一的安全效率水平，避免非必要的“過度設計”。
復合材料結構具有宏-細觀強耦合關聯的多尺度特征，而飛機復合結構設計需要跨越材料-層合板-結構元件（板、肋、梁）-次部件-部件（機翼、機身）不同的尺度，設計過程需要了解局部細節到整體部件跨越多個數量級的關聯信息。由于缺乏飛機復合材料結構設計理論的支撐，國內在建立積木式方法的試驗框架結構驗收標準的時候只能基本照搬國外的經驗，缺乏針對國內實際情況進行自主創新的能力。復合材料結構集成化跨尺度分析方法，在同一個模型中實現多尺度變量同步關聯的高效分析，克服傳統有限元方法在處理復雜結構中局部細節與損傷狀態的困難，建立結構設計約束條件的跨尺度同步關聯，為積木式方法提代系統的理論指導，是充分考慮復合材料結構性、促進多尺度方法在飛機復合材料結構設計中應用的創新性理論研究。
復合材料具有突出的高比強度和比剛度特點，同時可使一些采用金屬材料無法實現的結構設想成為現實。因此，復合材料已成為現代飛行器量主要的結構材料。復合材料的效益潛力并不能簡單沿用金屬結構設計/制造觀念和方法得以發揮，必須將復合材料結構制造的特點與高效結構形式設計緊密結合，才可以大限度地發揮復合材料結構的優勢。復合材料結構因其制造工藝的特殊性，不同的結構組分既可直接通過纖維的連續鋪放或編織結為一體，也可通過共固化或膠接共固化等途徑在復合材料本身的形成過程中結為一體。與相同功能的金屬結構相比，可大幅度減少緊固件和零件數量。這一特點稱為結構的整體化。由于緊固件和結構中相應釘孔數量的下降，結構的減重效果和承載能力可得到顯著提升。因此，復合材料結構的整體化被普遍認為是實現復合材料效益潛力的重要途徑之一。復合材料結構的整體化是對材料優勢特性進行深入分析和充分利用得到的結果，并非簡單地將復合材料應用于結構即可自然形成。整體化復合材料結構的設計與制造先必須了解多種類型結合界面的承載傳載特性和失效機理，針對操作/缺陷對整體化結構性能的影響作用進行科學評價，發展大尺寸/多組分整體化結構固化變形控制、結構內部纖維取向控制以及缺陷控制等制造技術，建立整體化結構設計的科學、系統的工藝適用性評價方法。
4 納米復合材料
納米材料是20世紀80年代剛剛發展起來的新材料，從其一誕生，就因廣泛的商業前景而被美國材料學會雀為“21世紀有前途的材料”納米材料是指由一些超微單元組成的材料，這些超微單元至少有一維的平均尺寸在100nm以下。納米材料分為納米陶瓷材料、納米金屬材料、納米聚合物材料以及由上述材料組成的納米復合材料。納米材料由于其仍大的比表面而產生一系列效應：小尺寸效應、界面效應、量子效應和量子隧道效應等，使其具有許多新異的特性。納米塑料或納米聚合物材料是近幾十年發展起來的新型材料。納米聚合物材料可定義為：材料由單一的聚合物組成，且基本尺寸至少有一維在100nm以內。聚合物基納米復合材料具有優異的力學性能。納米材料作為增強劑使用時，即使添加量很少，也能使復合材料的力學性能與基體相比有顯著提高。
航空航天應用特別是結構材料應用為關注的其實是聚合物基納米復合材料性能與炭纖維增強復合材料性能的比較。近十年來納米上、聚合物基體相、連續纖維增強相三相復合材料的研究已經取得一些突破性進展。聚合物基納米復合材料與傳統的炭纖維增強聚合物基復合材料相比，能夠以很低的添加量來實現模量、氣體陰隔性、熱性能、阻燃性、抵抗原子氧和抵抗小分子滲透等性能的顯著增加。在強度和剛度方面，多壁碳納米管比其他類型的納米管具有更高的楊低模量，加入少量碳納米管到聚合物中會使拉伸剛度、彎曲剛度、屈服應力和屈服強度線拉伸剛度、彎曲剛度、屈服應力和屈服強度線性地增加，并且不影響基體的延展性。重量百分比含量為1%的碳納米管對基體彈性模量的增加效果能夠達含量為10%的碳納米管對基體彈性模量的增加效果能夠達含量為10%的傳統炭纖維的增強效果。2007年在日本舉行的第十六屆國際復合材料大會上，東京大學研究人員報告的結果具有一定代表性：將Cup-stacked型碳納米管（CSCNT）引入環氧樹脂基體中制成的炭纖維增強復合材料靜態壓縮強度提高25%；層間剪切強度提高10%~20%。層間斷裂韌性少提高20%，有些配比的試件甚至超過200%。
納米復合材料的諸多優勢是傳統復合材料所不具備或不同時具備的，為了滿足航天航空的材料需要在苛刻的真空條件下同時具有更多的功能，例如：低滲透性、抗輻射、在寬溫范圍內的耐久性、能夠長期循環使用、耐熱性和安全性。而且不能具有污染光學器件、電子短路、腐蝕金屬表面等破壞作用。此外，由于是有人的飛行操作，所以對可燃性、起煙和有毒副產物的排放有諸多的限制。因此，除了已經研究多年的力學性能、熱性能和氣體阻隔性之外，納米復合材料的防滲透性、靜電放電保護性能、導電生、作為涂料的而磨擦、耐腐蝕性和耐久性方面都是具有發展的納米復合材料的功能性。
阻燃性和熱穩定性方面，層狀硅酸鹽增強聚合物納米復合材料的由于片層結構的存在限制聚合物分子的熱運動，從而提高了聚合物基的熱稱定性。如果再引入Si-C結構，還會使耐熱性能進一步提高。只用很低含量的無序的脫層納米粘土增強的聚合物的降解溫度比純聚合物有了顯著提高。有實驗表現使用溫度高的輕質聚合物基無機納米復合材料擁有在175~200℃長期使用的熱穩定優勢。納米填料的加入不僅使聚合物的熱釋放率降低而且也能阻止聚合物中的揮發性可燃物質排放到燃燒區域，因此產生阻燃作用。附著力方面，由于納米填料的加入，納米粘土充填復合材料顯示出好的力學性能、熱性能和抗水性，因此可用在涂料、粘合劑、泡沫等航空應用中。納米顆料充填的涂料可能涂覆在金屬表面來抗擦傷，抗反射和抗腐蝕等。在涂料方面，納米粒子在抗熱性、剛度、強度和導師電性方面比傳統在炭黑充填物容易控制與設計，具有更高的靈活性。性能就是對航天航空設備靜電放電保護，這是通過使用應用于這些設備的高電壓降低到不會產生破壞的水平，也就是能在短時間內能免抵抗放電和過熱。光學性質方面，碳納米管還是一種好的光學限制器，它的限制范圍從可見光到近紅外外光波段內的，并且它的脈沖持續時間僅為幾個納秒。碳納米管還是導電添加劑，只需很低的含量它在聚合物基體中就能夠形成一個導電網。在航天耐久性方面，含有均勻分散的納米無機顆米的復合材料能夠抵抗苛刻的太空環境。運載火箭將大大地受益于納米復合材料的應用，因為它不僅能夠提供優異的阻隔性能和梯度形態，有利于制造非線性復合材料烯料儲箱，而且能夠高度抵抗太空中的顆料和電磁輻射的降解作用，同時還能夠全面減輕航天器的重量。
納米復合材料研究已經取得令人鼓舞的進展，預計二十年內仍將是創新赤道產學的研究熱點。概括起來的研發趨勢可以分為制備、表征、分析評價3個方面。在納米復合材料的制備方面，研發熱點主要集中在聚合物基碳納米管復合材料和聚合物基納米蒙脫土復合材料及碳納米管的制備上。為了有效的利用碳納米管來提高聚合物的導電性、強度、彈性、韌性和耐久性，必須將碳納米管均勻分布于基體中，并且不破壞其完整性，好的碳納米管與基體的界面粘合力也有利于傳遞載荷。由于碳納米管在溶劑和基體樹脂中易于團聚，即使分散了，由于靜電吸引還會重新團聚，因此，這對制備的技術提出了新的挑戰。制造均勻的納米復合材料不僅需要控制個體結構單元還要控制更高一級別的結構，增加納米填料與聚合物基體界面的粘合能力并且合成純的納米粒子是為航天航空應用提供更強性能的聚合物基納米復合材料的關鍵。表征分析方面顯微和光譜技術常用來對納米復合材料進行分子水平上的研究。關于纖維在復合材料中的排列、纖維和基體的粘合和纖維的分布等影響復合材料品質的方面使得表征方法變得至關重要。通過闡明熔融結構、制備過程和性能之間的關系，流變學實驗能夠定量地給出關于這些問題的有價值的信息，但顯微和光譜技術是其有力的補充。聚合物基納米復合材料面臨的大挑戰是納米增強相與聚合物基體相之間界面應力轉換效率的評價。為了促進材料的發展，必須建立聚合物分子結構、納米管和界面的本征聯系，發展復合材料宏觀性能的預報方法。
