淺談石墨烯在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

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太空環(huán)境由極端溫度、真空、微流星體、太空碎片和太陽(yáng)黑子活動(dòng)引起的大變化組成。航天器和航天系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建造很大程度上依賴于這些參數(shù)。暴露在這些惡劣環(huán)境下的系統(tǒng)表面由于原子氧的存在而產(chǎn)生破損。因此，高強(qiáng)度和剛度的先進(jìn)工程材料使20世紀(jì)的月球探索時(shí)代成為可能，人類探索火星和更遠(yuǎn)的目的地將需要新一代的材料。20多年來(lái)，在納米尺度（一維小于100nm）合成和加工材料的獨(dú)特性能吸引了各行各業(yè)的關(guān)注，這些特性包括大表面積、高縱橫比、高各向異性、可定制的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率以及獨(dú)特的光學(xué)特性等。這些特性可用于制備高強(qiáng)度、輕量化和多功能結(jié)構(gòu)、新穎的傳感器以及具有高度可靠的環(huán)境控制能力、能夠屏蔽輻射的儲(chǔ)能系統(tǒng)?？沙掷m(xù)技術(shù)改進(jìn)的交織性質(zhì)使納米材料成為航空航天應(yīng)用的理想材料。納米材料可集成到復(fù)雜的航空幾何結(jié)構(gòu)中，減少制造技術(shù)中的廢物產(chǎn)生。這也可用于輕量化和無(wú)需耗時(shí)維護(hù)的機(jī)身和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

石墨烯結(jié)構(gòu)由單層厚度的六方晶格碳原子組成，具有高強(qiáng)度、高剛度、低密度、高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。石墨烯具有高的載流子傳輸速率，表現(xiàn)出比銅導(dǎo)體好的導(dǎo)電性，比硅半導(dǎo)體更好的材料。石墨烯基復(fù)合材料應(yīng)用于航空航天工業(yè)，能有效減輕重量，提高材料強(qiáng)度，從而減少排放，減少燃料消耗，最終實(shí)現(xiàn)更綠色和更清潔的環(huán)境。以石墨烯為基礎(chǔ)的先進(jìn)納米材料在航空工業(yè)中，得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。

航空航天應(yīng)用歷來(lái)是先進(jìn)材料的驅(qū)動(dòng)力，從太空飛行器的強(qiáng)化碳?碳熱保護(hù)系統(tǒng)到先進(jìn)的推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)。只有工程納米材料的應(yīng)用才能滿足需求，使得航空航天發(fā)展更進(jìn)一步。

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復(fù)合推進(jìn)劑

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石墨烯的應(yīng)用目前也已經(jīng)擴(kuò)展到復(fù)合推進(jìn)劑領(lǐng)域，主要用于提高推進(jìn)劑的熱分解、導(dǎo)熱以及力學(xué)性能。研究最多的就是復(fù)合固體推進(jìn)劑含能組分的熱分解，分解速率的提升對(duì)于提高推進(jìn)劑的燃燒性能至關(guān)重要，而熱分解又主要依賴于催化劑體系。傳統(tǒng)上廣泛使用的催化劑主要是一些過(guò)渡金屬及其氧化物。它們的催化能力依賴暴露出來(lái)的金屬活性位點(diǎn)的數(shù)量，然而其往往容易發(fā)生團(tuán)聚，降低催化活性。為克服這一問題，納米碳材料已經(jīng)被廣泛作為催化劑載體，以抑制催化劑顆粒的團(tuán)聚，提高其催化能力。

以石墨烯為基底負(fù)載無(wú)機(jī)納米顆粒的方法主要有非原位復(fù)合和原位復(fù)合。非原位復(fù)合是將預(yù)先制備好的納米顆粒直接附著在石墨烯上，但由于兼容性問題以及改性劑，可能影響到與含能材料之間的相互作用，所以以原位復(fù)合方法制備復(fù)合推進(jìn)劑的方法研究的較多。原位復(fù)合是通過(guò)在石墨烯表面上由各種前驅(qū)體制備出納米顆粒的方法。根據(jù)制備手段不同原位復(fù)合可以分為還原法、電化學(xué)沉積法、水熱法、溶膠-凝膠法。石墨烯原位復(fù)合納米材料的制備方法中，電化學(xué)沉積法、溶膠／凝膠法由于工藝復(fù)雜或原料昂貴，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。水熱法相對(duì)于化學(xué)還原法的優(yōu)勢(shì)在于避免了還原劑的使用，還可以負(fù)載金屬氧化物納米顆粒，納米顆粒分散度高，粒徑小且對(duì)負(fù)載納米顆粒的性狀調(diào)控性更強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)負(fù)載的燃燒催化劑選擇不同的方法制備。

復(fù)合固體推進(jìn)劑的導(dǎo)熱問題是導(dǎo)彈、火箭系統(tǒng)安全性與可靠性研究中的重要問題。一方面，由于推進(jìn)劑不可避免地需要承受極端惡劣和復(fù)雜的溫度環(huán)境，溫度的變化很容易導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生；另一方面，熱導(dǎo)率對(duì)推進(jìn)劑的點(diǎn)火和燃燒性能具有關(guān)鍵性的作用。以高分子粘結(jié)劑為基體的復(fù)合固體推進(jìn)劑熱導(dǎo)率通常較低，這使得其在承受大幅度溫度沖擊時(shí)，熱量無(wú)法快速傳遞，導(dǎo)致裝藥內(nèi)部溫度分布不均勻或呈梯度分布，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)部熱應(yīng)力，直接引起內(nèi)部裂紋甚至結(jié)構(gòu)破壞。石墨烯由于具有極高的熱導(dǎo)率和較輕的質(zhì)量，目前已經(jīng)廣泛作為導(dǎo)熱填料用于復(fù)合材料。

熱管理

石墨烯納米材料目前正被納入各種航天熱防護(hù)材料和熱管理，以提高在各種氣或熱流動(dòng)條件下熱穩(wěn)定性和機(jī)械完整性的極限。

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，復(fù)合材料基體的耐熱性和燒蝕性能提出了更高的要求。由于樹脂具有良好的加工工藝等性能，被廣泛用作耐燒蝕材料的主要基體。為進(jìn)一步改善燒蝕材料的性能，石墨烯因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能、力學(xué)性能、導(dǎo)電性能等特點(diǎn)，是制備先進(jìn)復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。這些復(fù)合材料用于高超聲速飛行器前緣的熱保護(hù)系統(tǒng)、火箭噴管和固體發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部絕緣以及導(dǎo)彈發(fā)射設(shè)施結(jié)構(gòu)。

圖1（a）基于皺褶石墨烯的選擇性發(fā)射；（b，c）褶皺節(jié)距的變化可利用太陽(yáng)輻射和大氣窗口來(lái)輻射冷卻（10μm）和加熱（290nm）

電極材料

目前，小型化、自動(dòng)化、以功能為中心的設(shè)備快速發(fā)展，使星際任務(wù)和近地空間探索的實(shí)現(xiàn)更近一步。先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)材料的引入促進(jìn)了全球智能多樣化的平臺(tái)在電力、儀器和通信方面取得進(jìn)步。然而，仍缺乏高效可靠的推力系統(tǒng)，能夠在長(zhǎng)期部署期間支持小型衛(wèi)星和立方體衛(wèi)星的精確機(jī)動(dòng)。此外，航空和空間系統(tǒng)需要可靠的電力生產(chǎn)、存儲(chǔ)和傳輸，無(wú)論是短期還是長(zhǎng)期活動(dòng)?，F(xiàn)有的能源系統(tǒng)正在被納米材料創(chuàng)新所取代或補(bǔ)充。以石墨烯為基礎(chǔ)的更好的工程納米材料正在不斷改進(jìn)。

離子推進(jìn)器陰極（如圖３（ａ）所示）的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于減少或完全消除陰極的推進(jìn)劑消耗，顯著提高陰極的使用壽命，以及減少白熾部分的熱損失。通過(guò)使用納米多孔材料、納米管和石墨烯，可以確保減少氣體消耗。這個(gè)問題的最佳解決方案是通過(guò)使用高發(fā)射材料和表面結(jié)構(gòu)完全消除通過(guò)陰極的氣體通量。垂直排列的石墨烯薄片顯著提高推進(jìn)器的效率，作為無(wú)推進(jìn)劑體系下的良好候選者而備受關(guān)注。

圖３（a）常用的熱發(fā)射陰極示意圖；（b）納米多孔材料，垂直排列的石墨烯薄片直接生長(zhǎng)在納米多孔氧化鋁上（比例尺：200nm）

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結(jié)束語(yǔ)

石墨烯在復(fù)合固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用目前主要集中在提高推進(jìn)劑含能組分的熱分解和燃燒性能方面，而在導(dǎo)熱和力學(xué)性能方面的研究則相對(duì)較少，且制備方法單一，以簡(jiǎn)單的共混為主，缺乏針對(duì)性的設(shè)計(jì)和性能的控制。而且對(duì)石墨烯的性能增強(qiáng)機(jī)理缺乏深入的分析。在熱管理方面，熱導(dǎo)率、產(chǎn)炭性能和納米顆粒分散對(duì)聚合物納米復(fù)合材料的燒蝕性能和絕緣性能都有影響。

酚醛樹脂仍然是這一應(yīng)用中被廣泛研究的聚合物，納米陶瓷顆粒與碳基的復(fù)合納米填料的結(jié)合似乎是下一個(gè)熱管理趨勢(shì)。此外，在太空電力推進(jìn)領(lǐng)域，新型石墨烯基納米材料和微電子機(jī)械系統(tǒng)支持的離子液體推進(jìn)器解決方案，這是為微加工和納米結(jié)構(gòu)推進(jìn)器陣列的實(shí)現(xiàn)提出了方案。另外，一種可能的低成本，高時(shí)效的納米制造工藝，用于飛機(jī)儲(chǔ)能和生命支持設(shè)備。與傳統(tǒng)解決方案相比，這些納米復(fù)合材料應(yīng)用了納米材料的整合，并與太空任務(wù)和探索計(jì)劃相結(jié)合，可以節(jié)省成本和時(shí)間。石墨烯在很多領(lǐng)域的研究仍處于探索階段，石墨烯材料在極端環(huán)境中的行為將擴(kuò)大其潛在應(yīng)用，促進(jìn)人類在太空的探索。

編輯：黃飛

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