纤维增强热塑性塑料(即热塑性复合材料)由于其耐用性和轻质成分而在工业中作为金属的替代品出现。然而，在热塑性复合材料中实现高水平的强度和韧性是具有挑战性的，阻碍了它们快速制造的能力。
在美国国家科学基金会(NSF)教师早期职业发展(Career)奖的资助下，德克萨斯A&M大学工程技术与工业分配系助理教授Amir Asadi博士开发了一种使用混合纳米材料的方法，该方法能够在几分钟内创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由于其固有的特性——轻、强、可回收和延展性，正在迅速取代金属。它们可用于包括制造业、汽车和航空航天工业在内的各种应用，因为它们既具有成本效益又具有可持续性。
Asadi表示:“整车重量减少10%，燃油效率提高6%-8%，每年二氧化碳排放量减少325公斤，该项目提供了一个可扩展的解决方案，可以与汽车行业的金属部件制造竞争。”“此外，该项目解决了航空航天制造中减轻重量和成本的需求，经济地证明了制造用于成像、雷达、监视和交付的小型飞行器是合理的。它还加速了商用飞机快速制造复合材料的认证。”
高性能热塑性复合材料通常是半晶的，包含晶态和非晶态区域。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，热塑性复合材料呈现出一个悖论:如果通过增加晶体数量来提高强度，它就会变脆，但如果通过增加非晶态区域来解决脆性问题，强度就会显著降低。快速的制造过程会导致这种矛盾，因为快速的加热和冷却过程没有足够的时间来形成晶体，因此很难生产出坚固的热塑性塑料。
“实现具有相互作用的特性的结构是具有挑战性的，”Asadi说。“然而，这些结构存在于自然界中。例如，大象的鼻子足够强壮，可以举起数百磅的东西，在打斗中很僵硬，但也足够柔软、灵活和精致，可以处理小蔬菜。同时，它还具有多种功能，如通讯、饮酒和淋浴。这些令人难以置信的功能的关键是树干复杂的微观结构，我们可以把它看作是如何在一个结构中实现矛盾特性的一个例子。”
为了应对这一挑战，研究人员提出在制造过程中使用混合纳米材料设计晶体-非晶态微观结构。这些纳米材料可以通过控制晶体的成核、生长、取向和尺寸分布来定制晶体的所需结构。在生产过程中发展微观结构可以生产出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，它还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。
Asadi说:“这个项目加速了制造平台的发展，通过为汽车、航空航天和海洋工业装备快速制造技术，使美国经济和国家安全受益。”
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，以确定他们的研究成果是否与制造过程兼容。
美国国家科学基金会职业生涯计划支持在学术界表现出潜力并努力推进其部门或组织目标的早期职业教师。