浅谈石墨烯在航空航天领域的应用

 

太空环境由极端温度、真空、微流星体、太空碎片和太阳黑子活动引起的大变化组成。航天器和航天系统的设计和建造很大程度上依赖于这些参数。暴露在这些恶劣环境下的系统表面由于原子氧的存在而产生破损。因此，高强度和刚度的先进工程材料使20世纪的月球探索时代成为可能，人类探索火星和更远的目的地将需要新一代的材料。20多年来，在纳米尺度（一维小于100nm）合成和加工材料的独特性能吸引了各行各业的关注，这些特性包括大表面积、高纵横比、高各向异性、可定制的电导率和热导率以及独特的光学特性等。这些特性可用于制备高强度、轻量化和多功能结构、新颖的传感器以及具有高度可靠的环境控制能力、能够屏蔽辐射的储能系统。可持续技术改进的交织性质使纳米材料成为航空航天应用的理想材料。纳米材料可集成到复杂的航空几何结构中，减少制造技术中的废物产生。这也可用于轻量化和无需耗时维护的机身和结构设计。

石墨烯结构由单层厚度的六方晶格碳原子组成，具有高强度、高刚度、低密度、高电导率和热导率。石墨烯具有高的载流子传输速率，表现出比铜导体好的导电性，比硅半导体更好的材料。石墨烯基复合材料应用于航空航天工业，能有效减轻重量，提高材料强度，从而减少排放，减少燃料消耗，最终实现更绿色和更清洁的环境。以石墨烯为基础的先进纳米材料在航空工业中，得到了广泛的认可和应用。

航空航天应用历来是先进材料的驱动力，从太空飞行器的强化碳⁃碳热保护系统到先进的推进动力系统。只有工程纳米材料的应用才能满足需求，使得航空航天发展更进一步。

 

复合推进剂

 

石墨烯的应用目前也已经扩展到复合推进剂领域，主要用于提高推进剂的热分解、导热以及力学性能。研究最多的就是复合固体推进剂含能组分的热分解，分解速率的提升对于提高推进剂的燃烧性能至关重要，而热分解又主要依赖于催化剂体系。传统上广泛使用的催化剂主要是一些过渡金属及其氧化物。它们的催化能力依赖暴露出来的金属活性位点的数量，然而其往往容易发生团聚，降低催化活性。为克服这一问题，纳米碳材料已经被广泛作为催化剂载体，以抑制催化剂颗粒的团聚，提高其催化能力。

以石墨烯为基底负载无机纳米颗粒的方法主要有非原位复合和原位复合。非原位复合是将预先制备好的纳米颗粒直接附着在石墨烯上，但由于兼容性问题以及改性剂，可能影响到与含能材料之间的相互作用，所以以原位复合方法制备复合推进剂的方法研究的较多。原位复合是通过在石墨烯表面上由各种前驱体制备出纳米颗粒的方法。根据制备手段不同原位复合可以分为还原法、电化学沉积法、水热法、溶胶-凝胶法。石墨烯原位复合纳米材料的制备方法中，电化学沉积法、溶胶／凝胶法由于工艺复杂或原料昂贵，不适合大规模生产。水热法相对于化学还原法的优势在于避免了还原剂的使用，还可以负载金属氧化物纳米颗粒，纳米颗粒分散度高，粒径小且对负载纳米颗粒的性状调控性更强。在实际应用中，根据负载的燃烧催化剂选择不同的方法制备。

复合固体推进剂的导热问题是导弹、火箭系统安全性与可靠性研究中的重要问题。一方面，由于推进剂不可避免地需要承受极端恶劣和复杂的温度环境，温度的变化很容易导致内部应力的产生；另一方面，热导率对推进剂的点火和燃烧性能具有关键性的作用。以高分子粘结剂为基体的复合固体推进剂热导率通常较低，这使得其在承受大幅度温度冲击时，热量无法快速传递，导致装药内部温度分布不均匀或呈梯度分布，进而产生严重的内部热应力，直接引起内部裂纹甚至结构破坏。石墨烯由于具有极高的热导率和较轻的质量，目前已经广泛作为导热填料用于复合材料。

热管理

石墨烯纳米材料目前正被纳入各种航天热防护材料和热管理，以提高在各种气或热流动条件下热稳定性和机械完整性的极限。

随着航空工业的发展，复合材料基体的耐热性和烧蚀性能提出了更高的要求。由于树脂具有良好的加工工艺等性能，被广泛用作耐烧蚀材料的主要基体。为进一步改善烧蚀材料的性能，石墨烯因其独特的结构，表现出优异的热稳定性能、力学性能、导电性能等特点，是制备先进复合材料的理想增强体。这些复合材料用于高超声速飞行器前缘的热保护系统、火箭喷管和固体发动机的内部绝缘以及导弹发射设施结构。

图1（a）基于皱褶石墨烯的选择性发射；（b，c）褶皱节距的变化可利用太阳辐射和大气窗口来辐射冷却（10μm）和加热（290nm）

电极材料

目前，小型化、自动化、以功能为中心的设备快速发展，使星际任务和近地空间探索的实现更近一步。先进纳米结构材料的引入促进了全球智能多样化的平台在电力、仪器和通信方面取得进步。然而，仍缺乏高效可靠的推力系统，能够在长期部署期间支持小型卫星和立方体卫星的精确机动。此外，航空和空间系统需要可靠的电力生产、存储和传输，无论是短期还是长期活动。现有的能源系统正在被纳米材料创新所取代或补充。以石墨烯为基础的更好的工程纳米材料正在不断改进。

离子推进器阴极（如图３（ａ）所示）的关键挑战在于减少或完全消除阴极的推进剂消耗，显著提高阴极的使用寿命，以及减少白炽部分的热损失。通过使用纳米多孔材料、纳米管和石墨烯，可以确保减少气体消耗。这个问题的最佳解决方案是通过使用高发射材料和表面结构完全消除通过阴极的气体通量。垂直排列的石墨烯薄片显著提高推进器的效率，作为无推进剂体系下的良好候选者而备受关注。

图３（a）常用的热发射阴极示意图；（b）纳米多孔材料，垂直排列的石墨烯薄片直接生长在纳米多孔氧化铝上（比例尺：200nm）

 

结束语

石墨烯在复合固体推进剂中的应用目前主要集中在提高推进剂含能组分的热分解和燃烧性能方面，而在导热和力学性能方面的研究则相对较少，且制备方法单一，以简单的共混为主，缺乏针对性的设计和性能的控制。而且对石墨烯的性能增强机理缺乏深入的分析。在热管理方面，热导率、产炭性能和纳米颗粒分散对聚合物纳米复合材料的烧蚀性能和绝缘性能都有影响。

酚醛树脂仍然是这一应用中被广泛研究的聚合物，纳米陶瓷颗粒与碳基的复合纳米填料的结合似乎是下一个热管理趋势。此外，在太空电力推进领域，新型石墨烯基纳米材料和微电子机械系统支持的离子液体推进器解决方案，这是为微加工和纳米结构推进器阵列的实现提出了方案。另外，一种可能的低成本，高时效的纳米制造工艺，用于飞机储能和生命支持设备。与传统解决方案相比，这些纳米复合材料应用了纳米材料的整合，并与太空任务和探索计划相结合，可以节省成本和时间。石墨烯在很多领域的研究仍处于探索阶段，石墨烯材料在极端环境中的行为将扩大其潜在应用，促进人类在太空的探索。

编辑：黄飞