發射到太空的飛行器和裝備需要性能更高的先進材料，來承受外層空間的嚴酷環境考驗。為了探索碳基材料增強聚合物在太空中的應用潛力，國外發表的一篇該領域的最新研究文章，并發表在Recent Advances in Manufacturing Processes and Systems雜志上。

開發用于太空的先進材料
 

如今航天工業使用了多種先進材料，如芳綸、鋁合金、陶瓷等。由于外太空的嚴酷性，結構件中使用的材料必須具有特定的電學和熱特性。然而，盡管它們具有優越的電氣和熱性能，但許多用于結構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材料。這類納米材料具有優異的導電性和導熱性，并且可持續且生產成本低廉。它們為在惡劣的外太空環境中用于飛行器和裝備的部件設計帶來了顯著的優勢。

導電導熱的重要性

進入太空的裝備在結構上需要特定的材料特性。射頻應用受益于具有良好導電性的材料，該材料允許在CFRP層壓板上電鍍高導電金屬。此外，導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。

導熱性對于有效載荷元件尤其重要，因為它可以散發元件產生的熱量，防止對重要系統的損壞，并提高載人航天飛行器的安全性。因此，具有優良電氣和熱特性的材料是設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，可以提高熱導率和導電率，使其成為空間探索的先進材料。例如，碳納米管可以嵌入碳纖維增強聚合物中。不同濃度的納米填料賦予材料不同的導電性。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了材料的導熱性。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部結構，而且它以最小的耦合損耗積極參與聲子輸運。氧化石墨烯可穩定多壁碳納米管，室溫下沒有沉淀的絡合物均勻分散表明了這一點。

在這些雜化體系中，導電性和導熱性之間存在一種關系，這種關系與多壁碳納米管與還原氧化石墨烯的比例有關。導熱系數在貫穿平面方向上最高，而面內方向的最小值使這些混合材料具有最大的電導率

最新研究進展

這項研究旨在改進用于太空探索的基于碳納米材料的先進材料。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聚合物的導熱性和導電性。此外，他們還探索了可用于碳纖維增強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合材料進行了熱學和電學表征。它們表征了電阻率、屏蔽效能、熱膨脹和熱導率。觀察到了新型復合碳納米填料/聚合物材料的優點。

鍍銀是作為一種表面處理工藝對樣品進行的，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。

研究中進行的材料表征和物理測試結果表明，復合材料具有增強的導熱性和導電性。作者認為碳纖維增強聚合物結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中的應用進行進一步評估。

此外，他們還表示，在研究中收集的數據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重要。

更多技術細節可延伸閱讀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.