赖特-帕特森空军基地的研究人员正在寻求为一种制造一种称为陶瓷前体聚合物接枝纳米粒子或“毛状纳米粒子”(HNP)的材料的新工艺申请专利。HNP 是一种混合材料，由与固体纳米颗粒核结合的聚合物壳组成。聚合物——一条重复分子链——在纳米颗粒周围形成“头发”，其大小与小病毒差不多。

尽管 HNP 已存在多年，但使之与众不同的是附着在核心颗粒上的聚合物类型。它是一种陶瓷前体聚合物，是一种特殊的聚合物，用于形成高性能陶瓷纤维和复合材料。

“我们的工艺中使用的特殊聚合物使我们的工作与众不同，”项目负责人 Matthew Dickerson 博士说。“研究人员过去曾制造过这种多毛的纳米粒子，但他们使用了聚苯乙烯等有机聚合物。我们的聚合物不同;它是无机的，因为它含有硅。它有点像有机硅(填缝剂)，它有一个硅骨架和氧重复，但我们的主干是硅和碳重复。”

当加热到高温时，这种硅和碳化学允许聚合物转化为碳化硅陶瓷。

这种特殊工艺产生的 HNP 将用于制造由陶瓷复合材料制成的飞机部件。“陶瓷复合材料用于空军的高温应用，这些应用受益于密度低于金属的材料，包括喷气发动机和高超音速飞行器部件，”迪克森说。“我们合成的 HNP 是为这些类型的应用设想的。”

然而，这种特殊的混合材料并不是通过简单地将聚合物和纳米颗粒混合在一起并希望达到最佳效果而制成的。“简单的混合物会产生类似油灰或易碎混合物的东西，”迪克森说，“但我们最终得到的混合材料更像糖蜜，因此它更容易流入多孔陶瓷。”

在陶瓷基复合材料的制造过程中，用于将陶瓷纤维粘合在一起的材料会显着收缩。这种收缩导致必须重新填充或渗透的裂缝和空隙。由 HNP 制成的混合材料的最重要要求之一是它必须易于流动，以便可以渗透到这些空隙中。

使用当前最先进的工艺，陶瓷必须经过多次渗透循环(六到十次)才能达到所需的密度。专利申请以及最近发表在《材料化学》上的一篇论文中描述的新工艺产生的材料可能会将渗透循环次数减少约一半，从而实现更具成本效益、更快的生产组件。

即使陶瓷复合材料的高温性能优于传统金属部件，但降低成本是使其广泛用于要求苛刻的空军应用的关键。

该项目由空军科学研究办公室资助。“这项研究是陶瓷纳米复合材料合成方面的一项重大技术进步，”AFOSR 项目官员 Ming-Jen Pan 博士说。“它提供了对混合材料纳米结构的前所未有的控制。我对这一发现为未来复合材料的设计和加工带来的可能性感到兴奋。”

获得了额外的资金来研究材料的化学性质如何决定它们的特性。

“这是一个很难完成的项目。花了将近三年的时间才把它做好，”迪克森说。“这对卡拉来说是一场真正的胜利，”他补充说，指的是研究科学家卡拉 L.马丁博士。“开发制造这些粒子的化学合成程序非常困难。她的新鲜想法和坚韧使她能够看到项目取得成功。”