纤维增强复合材料的研究与发展趋势
1 引言
纤维增强复合材料已成为先进国防装备特别是飞行器结构的选材料，对于减轻结构重量、提高结构效率、改善结构可靠性、延长结构寿命，具有其他材料无法比拟的优势，其用量已成为衡量飞行器结构先进性的重要标志。国内纤维增强结构复合材料经过20多年的研究和积累，基本形成了可在80~300℃温度范围使用的树脂体系和复合材料，建立了复合材料预浸料、蜂窝生产线，形成了以热压罐和缠绕成型技术为主的高性能复合材料构件研发和生产技术。但国内纤维增强复合材料的应用和研制水平与武器装备自主保障生产和发展的需求仍然存在着很大差距。当前，国内纤维增强复合材料总的发展趋势是必须优先解决国产炭纤维研制与国产炭纤维复合材料应用，同时开展先进高效设计与制造方法研究，提高复合材料结构应用效益，进一步扩大装备复合材料用量；放眼国际，19世纪80年代纤维增强复合材料经历了从玻璃钢到以炭纤维增强复合材料为代表的先进复合材料的跨越，随着本世纪纳米技术的突飞猛进，以纳米复合材料为代表的新一代高性能复合材料己经初见端倪，必将成为复合材料的主要研发方向。本文从纤维增强复合材料发展沿革出发，重点阐述国产炭纤维复合材料应用基础研究、复合材料飞行器结构高效设计方法和纳米复合材料技术研发趋势，力图在国内外复合材料领域学术创新探索研究与我国未来飞行器结构工程应用之间建立内在关联。
2 国产炭纤维复合材料应用基础研究
炭纤维结构复合材料是以炭纤维为增强体，树脂为基体，通过物理和化学方法复合而成，具
有质量轻、比强度高、比模量高、抗疲劳、耐腐蚀等优异特点，是目前用量大的先进复合材料，广泛用作航空、航天、兵器、舰船等承力结构，已成为先进武器装备特别是飞行器结构的基本材料，也是未来飞行器发展潜力与空间的重要决定因素。我国经过30多年的研究，采用进口炭纤维制备的复合材料在军机结构上的应用取得较大发展，我国先进战略导弹和卫星等也都要大量使用炭纤维复合材料，拟发展的高超声速飞行器、大型运输机等均对炭纤维结构复合材料提出强烈需求。炭纤维作为安全战略物资，绝对不能受制于人。从国防发展的战略角度考虑，武器装备的研制必须立足国产炭纤维，必须应用国产炭纤维复合材料，必须不失时机地解决应用基础问题，以促进国产炭纤维复合材料在武器装备上的高效可靠持续应用。
长期以来，由于进口炭纤维具有优异的复合普适性，与不同树脂在不同工艺下复合均表现出良好匹配性，由此导致我国炭纤维复合材料应用基础研究未系统开展，在炭纤维与树脂复合匹配机制、复合材料性能转化机制、性能演化规律以及性能评价方法等方面的基础研究薄弱，在相当程度上影响了炭纤维结构复合材料的应用水平。如今须要用国产炭纤维替代进口炭纤维，其应用基础研究薄弱问题更为突出。
国产炭纤维的应用实质是国产炭纤维复合材料的应用。对于结构应用而言，先应该从承载角度考虑纤维和树脂基体的匹配关系，使纤维的性能大转化成复合材料性能，从纤维性能转化到复合材料的性能是一个从微观到宏观变化的复杂的复合材料形成过程，有物理作用、化学作用以及物理/化学耦合作用。复合材料形成的过程也是界面相形成的过程。界面对于复合材料是至关重要的，是纤维性能转化和复合材料性能发挥的关键。因此，在复合材料形成的复杂过程中如何对界面微结构控制与表征，进而掌握界面与复合材料性能的关联机制是需要重点研究的科学问题。另外，飞行器结构特别是飞机结构用炭纤维复合材料的服役过程是一个多因素综合作用的复杂过程，既受温度影响、湿度影响，又受载荷等影响。因此，揭示服役环境下炭纤维复合材料微结构的蜕变机制和使用性能的变化规律是关系到结构复合材料可靠应用的重要前提。
3 飞行器复合材料结构高效设计
“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、低成本”是新一代飞机的发展目标，先进复合材料在飞机上的应用是实现这一目标的重要途径，纵观国内外的发展不难发现，无论是军机，还是民机，飞机结构复合材料化是当前国际国内航空领域发展的必然趋势。
近年来先进复合材料在军机、民机、直升机、无人机、发动机等领域的应用发展突飞猛进，在民用领域更是用到了B787机自等大型客机的主承力结构，甚至出现了全复合材料飞机。然而，复合材料的结构设计与传统金属结构设计有许多本质区别，先进复合材料在给飞机设计带来了许多前所未有机遇的同时，也带来了很多问题和挑战。飞机不断追求高机动性、多功能性和高可靠性的发展对复合材料的设计与质量提出了更为苛刻、具其他材料无法实现的极限要求。然而复合材料组分的多元性、结构的多重性、材料/结构形成的同一性以及性能蜕变行为的不确定性，极大地增加了复合材料结构设计难度，给设计师们带来了前所未有的挑战。但是目前我国复合材料的基础研究不系统、技术储备不足、制造质量不稳定、性能演化不清楚、设计理论水平不高，使得设计人员无谓压低设计许用值，复合材料优势无法凸现，以致军机上复合材料用量长期在低水平徘徊。
针对飞机复合材料结构的非确定性分析设计方法是高效结构设计理论与方法的新发展趋势。传统的规定安全系数以覆盖未知量的飞机结构设计确定性方法至少有2个基本的缺陷。，这些过程对于非常规结构的飞机难于应用，如使用新材料、新的结构要领等；比如针对复合材料的结构设计，考虑到复合材料性能的分散性、对环境与损伤的敏感性，通常假设所有设计条件如温度、湿度、操作、载荷等等同时达到恶劣的状况，因而导致非常保守的设计和较低的结构效率。第二，无法得到安全可靠性的定量评价，其结果是无法确定不同设计选择对于飞机安全的相对重要性，而且也不能保障整个飞机结构上的具有协调的安全级别，无法在设计中体现不同结构部位的相对重要性，可能导致即使超重也无法保障整体安全性。而非确定性方法是用统计模式来表征部件尺寸、环境因子、材料特性和外载茶等设计变量，在设计中利用统计学特征并提供一个期望的可靠度。非确定性方法是在确定性方法的基础上进一步使安全程度定量化，并使设计者可以发现结构风险的策动源，是保障结构安全与效率平衡的新研发热点，可以在设计中使整个飞机达到统一的安全效率水平，避免非必要的“过度设计”。
复合材料结构具有宏-细观强耦合关联的多尺度特征，而飞机复合结构设计需要跨越材料-层合板-结构元件（板、肋、梁）-次部件-部件（机翼、机身）不同的尺度，设计过程需要了解局部细节到整体部件跨越多个数量级的关联信息。由于缺乏飞机复合材料结构设计理论的支撑，国内在建立积木式方法的试验框架结构验收标准的时候只能基本照搬国外的经验，缺乏针对国内实际情况进行自主创新的能力。复合材料结构集成化跨尺度分析方法，在同一个模型中实现多尺度变量同步关联的高效分析，克服传统有限元方法在处理复杂结构中局部细节与损伤状态的困难，建立结构设计约束条件的跨尺度同步关联，为积木式方法提代系统的理论指导，是充分考虑复合材料结构性、促进多尺度方法在飞机复合材料结构设计中应用的创新性理论研究。
复合材料具有突出的高比强度和比刚度特点，同时可使一些采用金属材料无法实现的结构设想成为现实。因此，复合材料已成为现代飞行器量主要的结构材料。复合材料的效益潜力并不能简单沿用金属结构设计/制造观念和方法得以发挥，必须将复合材料结构制造的特点与高效结构形式设计紧密结合，才可以大限度地发挥复合材料结构的优势。复合材料结构因其制造工艺的特殊性，不同的结构组分既可直接通过纤维的连续铺放或编织结为一体，也可通过共固化或胶接共固化等途径在复合材料本身的形成过程中结为一体。与相同功能的金属结构相比，可大幅度减少紧固件和零件数量。这一特点称为结构的整体化。由于紧固件和结构中相应钉孔数量的下降，结构的减重效果和承载能力可得到显著提升。因此，复合材料结构的整体化被普遍认为是实现复合材料效益潜力的重要途径之一。复合材料结构的整体化是对材料优势特性进行深入分析和充分利用得到的结果，并非简单地将复合材料应用于结构即可自然形成。整体化复合材料结构的设计与制造先必须了解多种类型结合界面的承载传载特性和失效机理，针对操作/缺陷对整体化结构性能的影响作用进行科学评价，发展大尺寸/多组分整体化结构固化变形控制、结构内部纤维取向控制以及缺陷控制等制造技术，建立整体化结构设计的科学、系统的工艺适用性评价方法。
4 纳米复合材料
纳米材料是20世纪80年代刚刚发展起来的新材料，从其一诞生，就因广泛的商业前景而被美国材料学会雀为“21世纪有前途的材料”纳米材料是指由一些超微单元组成的材料，这些超微单元至少有一维的平均尺寸在100nm以下。纳米材料分为纳米陶瓷材料、纳米金属材料、纳米聚合物材料以及由上述材料组成的纳米复合材料。纳米材料由于其仍大的比表面而产生一系列效应：小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应等，使其具有许多新异的特性。纳米塑料或纳米聚合物材料是近几十年发展起来的新型材料。纳米聚合物材料可定义为：材料由单一的聚合物组成，且基本尺寸至少有一维在100nm以内。聚合物基纳米复合材料具有优异的力学性能。纳米材料作为增强剂使用时，即使添加量很少，也能使复合材料的力学性能与基体相比有显著提高。
航空航天应用特别是结构材料应用为关注的其实是聚合物基纳米复合材料性能与炭纤维增强复合材料性能的比较。近十年来纳米上、聚合物基体相、连续纤维增强相三相复合材料的研究已经取得一些突破性进展。聚合物基纳米复合材料与传统的炭纤维增强聚合物基复合材料相比，能够以很低的添加量来实现模量、气体阴隔性、热性能、阻燃性、抵抗原子氧和抵抗小分子渗透等性能的显著增加。在强度和刚度方面，多壁碳纳米管比其他类型的纳米管具有更高的杨低模量，加入少量碳纳米管到聚合物中会使拉伸刚度、弯曲刚度、屈服应力和屈服强度线拉伸刚度、弯曲刚度、屈服应力和屈服强度线性地增加，并且不影响基体的延展性。重量百分比含量为1%的碳纳米管对基体弹性模量的增加效果能够达含量为10%的碳纳米管对基体弹性模量的增加效果能够达含量为10%的传统炭纤维的增强效果。2007年在日本举行的第十六届国际复合材料大会上，东京大学研究人员报告的结果具有一定代表性：将Cup-stacked型碳纳米管（CSCNT）引入环氧树脂基体中制成的炭纤维增强复合材料静态压缩强度提高25%；层间剪切强度提高10%~20%。层间断裂韧性少提高20%，有些配比的试件甚至超过200%。
纳米复合材料的诸多优势是传统复合材料所不具备或不同时具备的，为了满足航天航空的材料需要在苛刻的真空条件下同时具有更多的功能，例如：低渗透性、抗辐射、在宽温范围内的耐久性、能够长期循环使用、耐热性和安全性。而且不能具有污染光学器件、电子短路、腐蚀金属表面等破坏作用。此外，由于是有人的飞行操作，所以对可燃性、起烟和有毒副产物的排放有诸多的限制。因此，除了已经研究多年的力学性能、热性能和气体阻隔性之外，纳米复合材料的防渗透性、静电放电保护性能、导电生、作为涂料的而磨擦、耐腐蚀性和耐久性方面都是具有发展的纳米复合材料的功能性。
阻燃性和热稳定性方面，层状硅酸盐增强聚合物纳米复合材料的由于片层结构的存在限制聚合物分子的热运动，从而提高了聚合物基的热称定性。如果再引入Si-C结构，还会使耐热性能进一步提高。只用很低含量的无序的脱层纳米粘土增强的聚合物的降解温度比纯聚合物有了显著提高。有实验表现使用温度高的轻质聚合物基无机纳米复合材料拥有在175~200℃长期使用的热稳定优势。纳米填料的加入不仅使聚合物的热释放率降低而且也能阻止聚合物中的挥发性可燃物质排放到燃烧区域，因此产生阻燃作用。附着力方面，由于纳米填料的加入，纳米粘土充填复合材料显示出好的力学性能、热性能和抗水性，因此可用在涂料、粘合剂、泡沫等航空应用中。纳米颗料充填的涂料可能涂覆在金属表面来抗擦伤，抗反射和抗腐蚀等。在涂料方面，纳米粒子在抗热性、刚度、强度和导师电性方面比传统在炭黑充填物容易控制与设计，具有更高的灵活性。性能就是对航天航空设备静电放电保护，这是通过使用应用于这些设备的高电压降低到不会产生破坏的水平，也就是能在短时间内能免抵抗放电和过热。光学性质方面，碳纳米管还是一种好的光学限制器，它的限制范围从可见光到近红外外光波段内的，并且它的脉冲持续时间仅为几个纳秒。碳纳米管还是导电添加剂，只需很低的含量它在聚合物基体中就能够形成一个导电网。在航天耐久性方面，含有均匀分散的纳米无机颗米的复合材料能够抵抗苛刻的太空环境。运载火箭将大大地受益于纳米复合材料的应用，因为它不仅能够提供优异的阻隔性能和梯度形态，有利于制造非线性复合材料烯料储箱，而且能够高度抵抗太空中的颗料和电磁辐射的降解作用，同时还能够全面减轻航天器的重量。
纳米复合材料研究已经取得令人鼓舞的进展，预计二十年内仍将是创新赤道产学的研究热点。概括起来的研发趋势可以分为制备、表征、分析评价3个方面。在纳米复合材料的制备方面，研发热点主要集中在聚合物基碳纳米管复合材料和聚合物基纳米蒙脱土复合材料及碳纳米管的制备上。为了有效的利用碳纳米管来提高聚合物的导电性、强度、弹性、韧性和耐久性，必须将碳纳米管均匀分布于基体中，并且不破坏其完整性，好的碳纳米管与基体的界面粘合力也有利于传递载荷。由于碳纳米管在溶剂和基体树脂中易于团聚，即使分散了，由于静电吸引还会重新团聚，因此，这对制备的技术提出了新的挑战。制造均匀的纳米复合材料不仅需要控制个体结构单元还要控制更高一级别的结构，增加纳米填料与聚合物基体界面的粘合能力并且合成纯的纳米粒子是为航天航空应用提供更强性能的聚合物基纳米复合材料的关键。表征分析方面显微和光谱技术常用来对纳米复合材料进行分子水平上的研究。关于纤维在复合材料中的排列、纤维和基体的粘合和纤维的分布等影响复合材料品质的方面使得表征方法变得至关重要。通过阐明熔融结构、制备过程和性能之间的关系，流变学实验能够定量地给出关于这些问题的有价值的信息，但显微和光谱技术是其有力的补充。聚合物基纳米复合材料面临的大挑战是纳米增强相与聚合物基体相之间界面应力转换效率的评价。为了促进材料的发展，必须建立聚合物分子结构、纳米管和界面的本征联系，发展复合材料宏观性能的预报方法。
纤维增强复合材料已成为先进国防装备特别是飞行器结构的选材料，对于减轻结构重量、提高结构效率、改善结构可靠性、延长结构寿命，具有其他材料无法比拟的优势，其用量已成为衡量飞行器结构先进性的重要标志。国内纤维增强结构复合材料经过20多年的研究和积累，基本形成了可在80~300℃温度范围使用的树脂体系和复合材料，建立了复合材料预浸料、蜂窝生产线，形成了以热压罐和缠绕成型技术为主的高性能复合材料构件研发和生产技术。但国内纤维增强复合材料的应用和研制水平与武器装备自主保障生产和发展的需求仍然存在着很大差距。当前，国内纤维增强复合材料总的发展趋势是必须优先解决国产炭纤维研制与国产炭纤维复合材料应用，同时开展先进高效设计与制造方法研究，提高复合材料结构应用效益，进一步扩大装备复合材料用量；放眼国际，19世纪80年代纤维增强复合材料经历了从玻璃钢到以炭纤维增强复合材料为代表的先进复合材料的跨越，随着本世纪纳米技术的突飞猛进，以纳米复合材料为代表的新一代高性能复合材料己经初见端倪，必将成为复合材料的主要研发方向。本文从纤维增强复合材料发展沿革出发，重点阐述国产炭纤维复合材料应用基础研究、复合材料飞行器结构高效设计方法和纳米复合材料技术研发趋势，力图在国内外复合材料领域学术创新探索研究与我国未来飞行器结构工程应用之间建立内在关联。
2 国产炭纤维复合材料应用基础研究
炭纤维结构复合材料是以炭纤维为增强体，树脂为基体，通过物理和化学方法复合而成，具
有质量轻、比强度高、比模量高、抗疲劳、耐腐蚀等优异特点，是目前用量大的先进复合材料，广泛用作航空、航天、兵器、舰船等承力结构，已成为先进武器装备特别是飞行器结构的基本材料，也是未来飞行器发展潜力与空间的重要决定因素。我国经过30多年的研究，采用进口炭纤维制备的复合材料在军机结构上的应用取得较大发展，我国先进战略导弹和卫星等也都要大量使用炭纤维复合材料，拟发展的高超声速飞行器、大型运输机等均对炭纤维结构复合材料提出强烈需求。炭纤维作为安全战略物资，绝对不能受制于人。从国防发展的战略角度考虑，武器装备的研制必须立足国产炭纤维，必须应用国产炭纤维复合材料，必须不失时机地解决应用基础问题，以促进国产炭纤维复合材料在武器装备上的高效可靠持续应用。
长期以来，由于进口炭纤维具有优异的复合普适性，与不同树脂在不同工艺下复合均表现出良好匹配性，由此导致我国炭纤维复合材料应用基础研究未系统开展，在炭纤维与树脂复合匹配机制、复合材料性能转化机制、性能演化规律以及性能评价方法等方面的基础研究薄弱，在相当程度上影响了炭纤维结构复合材料的应用水平。如今须要用国产炭纤维替代进口炭纤维，其应用基础研究薄弱问题更为突出。
国产炭纤维的应用实质是国产炭纤维复合材料的应用。对于结构应用而言，先应该从承载角度考虑纤维和树脂基体的匹配关系，使纤维的性能大转化成复合材料性能，从纤维性能转化到复合材料的性能是一个从微观到宏观变化的复杂的复合材料形成过程，有物理作用、化学作用以及物理/化学耦合作用。复合材料形成的过程也是界面相形成的过程。界面对于复合材料是至关重要的，是纤维性能转化和复合材料性能发挥的关键。因此，在复合材料形成的复杂过程中如何对界面微结构控制与表征，进而掌握界面与复合材料性能的关联机制是需要重点研究的科学问题。另外，飞行器结构特别是飞机结构用炭纤维复合材料的服役过程是一个多因素综合作用的复杂过程，既受温度影响、湿度影响，又受载荷等影响。因此，揭示服役环境下炭纤维复合材料微结构的蜕变机制和使用性能的变化规律是关系到结构复合材料可靠应用的重要前提。
3 飞行器复合材料结构高效设计
“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、低成本”是新一代飞机的发展目标，先进复合材料在飞机上的应用是实现这一目标的重要途径，纵观国内外的发展不难发现，无论是军机，还是民机，飞机结构复合材料化是当前国际国内航空领域发展的必然趋势。
近年来先进复合材料在军机、民机、直升机、无人机、发动机等领域的应用发展突飞猛进，在民用领域更是用到了B787机自等大型客机的主承力结构，甚至出现了全复合材料飞机。然而，复合材料的结构设计与传统金属结构设计有许多本质区别，先进复合材料在给飞机设计带来了许多前所未有机遇的同时，也带来了很多问题和挑战。飞机不断追求高机动性、多功能性和高可靠性的发展对复合材料的设计与质量提出了更为苛刻、具其他材料无法实现的极限要求。然而复合材料组分的多元性、结构的多重性、材料/结构形成的同一性以及性能蜕变行为的不确定性，极大地增加了复合材料结构设计难度，给设计师们带来了前所未有的挑战。但是目前我国复合材料的基础研究不系统、技术储备不足、制造质量不稳定、性能演化不清楚、设计理论水平不高，使得设计人员无谓压低设计许用值，复合材料优势无法凸现，以致军机上复合材料用量长期在低水平徘徊。
针对飞机复合材料结构的非确定性分析设计方法是高效结构设计理论与方法的新发展趋势。传统的规定安全系数以覆盖未知量的飞机结构设计确定性方法至少有2个基本的缺陷。，这些过程对于非常规结构的飞机难于应用，如使用新材料、新的结构要领等；比如针对复合材料的结构设计，考虑到复合材料性能的分散性、对环境与损伤的敏感性，通常假设所有设计条件如温度、湿度、操作、载荷等等同时达到恶劣的状况，因而导致非常保守的设计和较低的结构效率。第二，无法得到安全可靠性的定量评价，其结果是无法确定不同设计选择对于飞机安全的相对重要性，而且也不能保障整个飞机结构上的具有协调的安全级别，无法在设计中体现不同结构部位的相对重要性，可能导致即使超重也无法保障整体安全性。而非确定性方法是用统计模式来表征部件尺寸、环境因子、材料特性和外载茶等设计变量，在设计中利用统计学特征并提供一个期望的可靠度。非确定性方法是在确定性方法的基础上进一步使安全程度定量化，并使设计者可以发现结构风险的策动源，是保障结构安全与效率平衡的新研发热点，可以在设计中使整个飞机达到统一的安全效率水平，避免非必要的“过度设计”。
复合材料结构具有宏-细观强耦合关联的多尺度特征，而飞机复合结构设计需要跨越材料-层合板-结构元件（板、肋、梁）-次部件-部件（机翼、机身）不同的尺度，设计过程需要了解局部细节到整体部件跨越多个数量级的关联信息。由于缺乏飞机复合材料结构设计理论的支撑，国内在建立积木式方法的试验框架结构验收标准的时候只能基本照搬国外的经验，缺乏针对国内实际情况进行自主创新的能力。复合材料结构集成化跨尺度分析方法，在同一个模型中实现多尺度变量同步关联的高效分析，克服传统有限元方法在处理复杂结构中局部细节与损伤状态的困难，建立结构设计约束条件的跨尺度同步关联，为积木式方法提代系统的理论指导，是充分考虑复合材料结构性、促进多尺度方法在飞机复合材料结构设计中应用的创新性理论研究。
复合材料具有突出的高比强度和比刚度特点，同时可使一些采用金属材料无法实现的结构设想成为现实。因此，复合材料已成为现代飞行器量主要的结构材料。复合材料的效益潜力并不能简单沿用金属结构设计/制造观念和方法得以发挥，必须将复合材料结构制造的特点与高效结构形式设计紧密结合，才可以大限度地发挥复合材料结构的优势。复合材料结构因其制造工艺的特殊性，不同的结构组分既可直接通过纤维的连续铺放或编织结为一体，也可通过共固化或胶接共固化等途径在复合材料本身的形成过程中结为一体。与相同功能的金属结构相比，可大幅度减少紧固件和零件数量。这一特点称为结构的整体化。由于紧固件和结构中相应钉孔数量的下降，结构的减重效果和承载能力可得到显著提升。因此，复合材料结构的整体化被普遍认为是实现复合材料效益潜力的重要途径之一。复合材料结构的整体化是对材料优势特性进行深入分析和充分利用得到的结果，并非简单地将复合材料应用于结构即可自然形成。整体化复合材料结构的设计与制造先必须了解多种类型结合界面的承载传载特性和失效机理，针对操作/缺陷对整体化结构性能的影响作用进行科学评价，发展大尺寸/多组分整体化结构固化变形控制、结构内部纤维取向控制以及缺陷控制等制造技术，建立整体化结构设计的科学、系统的工艺适用性评价方法。
4 纳米复合材料
纳米材料是20世纪80年代刚刚发展起来的新材料，从其一诞生，就因广泛的商业前景而被美国材料学会雀为“21世纪有前途的材料”纳米材料是指由一些超微单元组成的材料，这些超微单元至少有一维的平均尺寸在100nm以下。纳米材料分为纳米陶瓷材料、纳米金属材料、纳米聚合物材料以及由上述材料组成的纳米复合材料。纳米材料由于其仍大的比表面而产生一系列效应：小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应等，使其具有许多新异的特性。纳米塑料或纳米聚合物材料是近几十年发展起来的新型材料。纳米聚合物材料可定义为：材料由单一的聚合物组成，且基本尺寸至少有一维在100nm以内。聚合物基纳米复合材料具有优异的力学性能。纳米材料作为增强剂使用时，即使添加量很少，也能使复合材料的力学性能与基体相比有显著提高。
航空航天应用特别是结构材料应用为关注的其实是聚合物基纳米复合材料性能与炭纤维增强复合材料性能的比较。近十年来纳米上、聚合物基体相、连续纤维增强相三相复合材料的研究已经取得一些突破性进展。聚合物基纳米复合材料与传统的炭纤维增强聚合物基复合材料相比，能够以很低的添加量来实现模量、气体阴隔性、热性能、阻燃性、抵抗原子氧和抵抗小分子渗透等性能的显著增加。在强度和刚度方面，多壁碳纳米管比其他类型的纳米管具有更高的杨低模量，加入少量碳纳米管到聚合物中会使拉伸刚度、弯曲刚度、屈服应力和屈服强度线拉伸刚度、弯曲刚度、屈服应力和屈服强度线性地增加，并且不影响基体的延展性。重量百分比含量为1%的碳纳米管对基体弹性模量的增加效果能够达含量为10%的碳纳米管对基体弹性模量的增加效果能够达含量为10%的传统炭纤维的增强效果。2007年在日本举行的第十六届国际复合材料大会上，东京大学研究人员报告的结果具有一定代表性：将Cup-stacked型碳纳米管（CSCNT）引入环氧树脂基体中制成的炭纤维增强复合材料静态压缩强度提高25%；层间剪切强度提高10%~20%。层间断裂韧性少提高20%，有些配比的试件甚至超过200%。
纳米复合材料的诸多优势是传统复合材料所不具备或不同时具备的，为了满足航天航空的材料需要在苛刻的真空条件下同时具有更多的功能，例如：低渗透性、抗辐射、在宽温范围内的耐久性、能够长期循环使用、耐热性和安全性。而且不能具有污染光学器件、电子短路、腐蚀金属表面等破坏作用。此外，由于是有人的飞行操作，所以对可燃性、起烟和有毒副产物的排放有诸多的限制。因此，除了已经研究多年的力学性能、热性能和气体阻隔性之外，纳米复合材料的防渗透性、静电放电保护性能、导电生、作为涂料的而磨擦、耐腐蚀性和耐久性方面都是具有发展的纳米复合材料的功能性。
阻燃性和热稳定性方面，层状硅酸盐增强聚合物纳米复合材料的由于片层结构的存在限制聚合物分子的热运动，从而提高了聚合物基的热称定性。如果再引入Si-C结构，还会使耐热性能进一步提高。只用很低含量的无序的脱层纳米粘土增强的聚合物的降解温度比纯聚合物有了显著提高。有实验表现使用温度高的轻质聚合物基无机纳米复合材料拥有在175~200℃长期使用的热稳定优势。纳米填料的加入不仅使聚合物的热释放率降低而且也能阻止聚合物中的挥发性可燃物质排放到燃烧区域，因此产生阻燃作用。附着力方面，由于纳米填料的加入，纳米粘土充填复合材料显示出好的力学性能、热性能和抗水性，因此可用在涂料、粘合剂、泡沫等航空应用中。纳米颗料充填的涂料可能涂覆在金属表面来抗擦伤，抗反射和抗腐蚀等。在涂料方面，纳米粒子在抗热性、刚度、强度和导师电性方面比传统在炭黑充填物容易控制与设计，具有更高的灵活性。性能就是对航天航空设备静电放电保护，这是通过使用应用于这些设备的高电压降低到不会产生破坏的水平，也就是能在短时间内能免抵抗放电和过热。光学性质方面，碳纳米管还是一种好的光学限制器，它的限制范围从可见光到近红外外光波段内的，并且它的脉冲持续时间仅为几个纳秒。碳纳米管还是导电添加剂，只需很低的含量它在聚合物基体中就能够形成一个导电网。在航天耐久性方面，含有均匀分散的纳米无机颗米的复合材料能够抵抗苛刻的太空环境。运载火箭将大大地受益于纳米复合材料的应用，因为它不仅能够提供优异的阻隔性能和梯度形态，有利于制造非线性复合材料烯料储箱，而且能够高度抵抗太空中的颗料和电磁辐射的降解作用，同时还能够全面减轻航天器的重量。
纳米复合材料研究已经取得令人鼓舞的进展，预计二十年内仍将是创新赤道产学的研究热点。概括起来的研发趋势可以分为制备、表征、分析评价3个方面。在纳米复合材料的制备方面，研发热点主要集中在聚合物基碳纳米管复合材料和聚合物基纳米蒙脱土复合材料及碳纳米管的制备上。为了有效的利用碳纳米管来提高聚合物的导电性、强度、弹性、韧性和耐久性，必须将碳纳米管均匀分布于基体中，并且不破坏其完整性，好的碳纳米管与基体的界面粘合力也有利于传递载荷。由于碳纳米管在溶剂和基体树脂中易于团聚，即使分散了，由于静电吸引还会重新团聚，因此，这对制备的技术提出了新的挑战。制造均匀的纳米复合材料不仅需要控制个体结构单元还要控制更高一级别的结构，增加纳米填料与聚合物基体界面的粘合能力并且合成纯的纳米粒子是为航天航空应用提供更强性能的聚合物基纳米复合材料的关键。表征分析方面显微和光谱技术常用来对纳米复合材料进行分子水平上的研究。关于纤维在复合材料中的排列、纤维和基体的粘合和纤维的分布等影响复合材料品质的方面使得表征方法变得至关重要。通过阐明熔融结构、制备过程和性能之间的关系，流变学实验能够定量地给出关于这些问题的有价值的信息，但显微和光谱技术是其有力的补充。聚合物基纳米复合材料面临的大挑战是纳米增强相与聚合物基体相之间界面应力转换效率的评价。为了促进材料的发展，必须建立聚合物分子结构、纳米管和界面的本征联系，发展复合材料宏观性能的预报方法。
