發(fā)射到太空的飛行器和裝備需要性能更高的先進(jìn)材料，來承受外層空間的嚴(yán)酷環(huán)境考驗。為了探索碳基材料增強(qiáng)聚合物在太空中的應(yīng)用潛力，國外發(fā)表的一篇該領(lǐng)域的最新研究文章，并發(fā)表在Recent Advances in Manufacturing Processes and Systems雜志上。
開發(fā)用于太空的先進(jìn)材料
如今航天工業(yè)使用了多種先進(jìn)材料，如芳綸、鋁合金、陶瓷等。由于外太空的嚴(yán)酷性，結(jié)構(gòu)件中使用的材料必須具有特定的電學(xué)和熱特性。然而，盡管它們具有優(yōu)越的電氣和熱性能，但許多用于結(jié)構(gòu)件的金屬材料密度高，并且制造成本高。
碳基納米材料如氧化石墨烯、單壁碳納米管和多壁碳納米管及其組合已被廣泛探索來替代傳統(tǒng)材料。這類納米材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，并且可持續(xù)且生產(chǎn)成本低廉。它們?yōu)樵趷毫拥耐馓窄h(huán)境中用于飛行器和裝備的部件設(shè)計帶來了顯著的優(yōu)勢。
導(dǎo)電導(dǎo)熱的重要性
進(jìn)入太空的裝備在結(jié)構(gòu)上需要特定的材料特性。射頻應(yīng)用受益于具有良好導(dǎo)電性的材料，該材料允許在CFRP層壓板上電鍍高導(dǎo)電金屬。此外，導(dǎo)電性是有效載荷元件電磁屏蔽的一個重要特性，也是符合電氣性能要求的必要條件。
導(dǎo)熱性對于有效載荷元件尤其重要，因為它可以散發(fā)元件產(chǎn)生的熱量，防止對重要系統(tǒng)的損壞，并提高載人航天飛行器的安全性。因此，具有優(yōu)良電氣和熱特性的材料是設(shè)計用于外層空間的有效載荷元件和其他部件的核心。
碳納米材料如何改善這些性能
每種類型的碳納米材料都具有不同的特性，可以提高熱導(dǎo)率和導(dǎo)電率，使其成為空間探索的先進(jìn)材料。例如，碳納米管可以嵌入碳纖維增強(qiáng)聚合物中。不同濃度的納米填料賦予材料不同的導(dǎo)電性。此外，由于碳-碳共價鍵的存在，多壁碳納米管和還原氧化石墨烯的雜化增強(qiáng)了材料的導(dǎo)熱性。與非共價范德華鍵相比，聲子在共價鍵中的傳輸速度更快。
聲子傳輸與材料的熱導(dǎo)率成正比。氧化石墨烯與多壁碳納米管的大接觸面積是由于其多層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且它以最小的耦合損耗積極參與聲子輸運(yùn)。氧化石墨烯可穩(wěn)定多壁碳納米管，室溫下沒有沉淀的絡(luò)合物均勻分散表明了這一點。
在這些雜化體系中，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性之間存在一種關(guān)系，這種關(guān)系與多壁碳納米管與還原氧化石墨烯的比例有關(guān)。導(dǎo)熱系數(shù)在貫穿平面方向上最高，而面內(nèi)方向的最小值使這些混合材料具有最大的電導(dǎo)率
最新研究進(jìn)展
這項研究旨在改進(jìn)用于太空探索的基于碳納米材料的先進(jìn)材料。在這項研究中，研究人員研究了通過加入不同濃度的還原氧化石墨烯和多壁碳納米管來改善碳纖維增強(qiáng)聚合物的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。此外，他們還探索了可用于碳纖維增強(qiáng)聚合物的不同納米填料。
作者對具有不同濃度的多壁碳納米管和還原氧化石墨烯的復(fù)合材料進(jìn)行了熱學(xué)和電學(xué)表征。它們表征了電阻率、屏蔽效能、熱膨脹和熱導(dǎo)率。觀察到了新型復(fù)合碳納米填料/聚合物材料的優(yōu)點。
鍍銀是作為一種表面處理工藝對樣品進(jìn)行的，以測試它們在外層空間通常遇到的條件下的性能。對樣品進(jìn)行了剝離試驗，作者未觀察到鍍層退化，證明了所提出的材料適用于航天飛行器的有效載荷部件。
研究中進(jìn)行的材料表征和物理測試結(jié)果表明，復(fù)合材料具有增強(qiáng)的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。作者認(rèn)為碳纖維增強(qiáng)聚合物結(jié)合了多壁碳納米管和還原石墨烯氧化物，有必要對其在航天工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步評估。
此外，他們還表示，在研究中收集的數(shù)據(jù)對于制造新的饋電喇叭、射頻反射器和低功率載波板，以用于未來的空間研究項目至關(guān)重要。
更多技術(shù)細(xì)節(jié)可延伸閱讀Solanki, J.D. (2022) Hybridized Nanotubes and Graphene Oxide in CFRP Development for Space Use. Recent Advances in Manufacturing Processes and Systems pp. 545-553 | link.springer.com.
