石墨烯在空天推進和動力領域的應用①

張 倫，徐 雨，張愛民,張承雙

(1.高分子材料工程國家重點實驗室，四川大學 高分子研究所，成都 610065；2.西安航天復合材料研究所，西安 710025)

0 引言

太空環境由極端溫度、真空、微流星體、太空碎片和太陽黑子活動引起的大變化組成。航天器和航天系統的設計和建造很大程度上依賴于這些參數。暴露在這些惡劣環境下的系統表面由于原子氧的存在而產生破損。因此，高強度和剛度的先進工程材料使20世紀的月球探索時代成為可能，人類探索火星和更遠的目的地將需要新一代的材料。20多年來，在納米尺度(一維小于100 nm)合成和加工材料的獨特性能吸引了各行各業的關注，這些特性包括大表面積、高縱橫比、高各向異性、可定制的電導率和熱導率以及獨特的光學特性等。這些特性可用于制備高強度、輕量化和多功能結構、新穎的傳感器以及具有高度可靠的環境控制能力、能夠屏蔽輻射的儲能系統。可持續技術改進的交織性質使納米材料成為航空航天應用的理想材料。納米材料可集成到復雜的航空幾何結構中，減少制造技術中的廢物產生。這也可用于輕量化和無需耗時維護的機身和結構設計。

石墨烯結構由單層厚度的六方晶格碳原子組成，具有高強度、高剛度、低密度、高電導率和熱導率。石墨烯具有高的載流子傳輸速率，表現出比銅導體好的導電性，比硅半導體更好的材料。石墨烯基復合材料應用于航空航天工業，能有效減輕重量，提高材料強度，從而減少排放，減少燃料消耗，最終實現更綠色和更清潔的環境。以石墨烯為基礎的先進納米材料在航空工業中，得到了廣泛的認可和應用。

本文主要從以下三方面進行了綜述：(1)簡述石墨烯結構及其性能特征；(2)主要介紹石墨烯在空天推進和動力領域的熱門應用方向，例如復合推進劑、熱管理、電極材料、光帆材料等方面；(3)石墨烯未來在空天領域的應用前景和挑戰。

1 石墨烯結構及其特性

石墨烯由單原子厚度的sp雜化碳原子同素異形體組成，呈二維(2D)平面蜂窩狀晶格。也是構成石墨、碳納米管、富勒烯等多種碳的同素異形體的基本單元。如圖 1所示，具有二維碳原子結構的石墨烯，可以通過堆疊形成三維的石墨，也可通過卷曲形成一維的碳納米管，或者通過包裹形成零維的富勒烯。早在1940年，就有理論認為，二維的石墨烯處于非穩定熱力學狀態，無法在有限溫度下自由存在。因此，一直僅是一個學術概念。直至2004年，曼徹斯特大學利用簡單的機械剝離方法成功獲得單層石墨烯，從而證實它可以穩定存在。石墨烯的蜂巢晶格結構由密集分布在六邊形點陣上的碳原子構成，原子排列十分緊密。碳原子以sp電子軌道雜化，在平面內形成3個σ鍵，鍵角120°，鍵長約為0.142 nm(圖 1(b))，2pz軌道電子在垂直于平面方向形成大π鍵。石墨烯具有特殊的能帶結構，由簡單的緊束縛模型可以計算得出，它的導帶(π帶)和價帶(π帶)在布里淵區的兩個錐頂點和′交于一點，稱為Dirac點，進而形成圓錐狀的低谷。同時，通過觀測發現，石墨烯并不是一個完美的平整的二維結構，而是在微觀狀態下表現出一定的起伏(圖 1(e))，這也被認為是石墨烯能夠在室溫下自由穩定存在的原因。

圖1 (a)石墨烯及碳的同素異形體[4]；(b)石墨烯的晶格結構，屬于相鄰兩個碳格A和B的碳原子以圓點表示[5]；(c)石墨烯的能帶結構[6]；(d)石墨烯起伏表面模型圖[7]

由于其優異的化學穩定性、高載流子遷移率、低密度和光學透明度等特性，在傳感器、光子和電子器件等領域被認為是一種很有前景的材料。這一新型碳材料也從此開辟了一個嶄新的研究方向，以其令人興奮的獨特性質，涉及的領域覆蓋化學、力學、醫學、電子智能及眾多交叉學科，并由此創造了潛在的巨大經濟價值與廣闊的應用前景。

2 石墨烯在空天推進領域熱門應用方向

航空航天應用歷來是先進材料的驅動力，從太空飛行器的強化碳-碳熱保護系統到先進的推進動力系統。只有工程納米材料的應用才能滿足需求，使得航空航天發展更進一步。

2.1 復合推進劑

石墨烯的應用目前也已經擴展到復合推進劑領域，主要用于提高推進劑的熱分解、導熱以及力學性能。研究最多的就是復合固體推進劑含能組分的熱分解，分解速率的提升對于提高推進劑的燃燒性能至關重要，而熱分解又主要依賴于催化劑體系。傳統上廣泛使用的催化劑主要是一些過渡金屬及其氧化物。它們的催化能力依賴暴露出來的金屬活性位點的數量，然而其往往容易發生團聚，降低催化活性。為克服這一問題，納米碳材料已經被廣泛作為催化劑載體，以抑制催化劑顆粒的團聚，提高其催化能力。

以石墨烯為基底負載無機納米顆粒的方法主要有非原位復合和原位復合。非原位復合是將預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，所以以原位復合方法制備復合推進劑的方法研究的較多。原位復合是通過在石墨烯表面上由各種前驅體制備出納米顆粒的方法。根據制備手段不同原位復合可以分為還原法、電化學沉積法、水熱法、溶膠-凝膠法。石墨烯原位復合納米材料的制備方法中 ，電化學沉積法、溶膠/凝膠法由于工藝復雜或原料昂貴，不適合大規模生產。水熱法相對于化學還原法的優勢在于避免了還原劑的使用，還可以負載金屬氧化物納米顆粒，納米顆粒分散度高，粒徑小且對負載納米顆粒的性狀調控性更強。在實際應用中，根據負載的燃燒催化劑選擇不同的方法制備。

LI等研究了石墨相氮化碳(g-CN)對高氯酸銨(AP)的熱催化性能，當添加10%的g-CN時，AP的分解溫度降低了70 ℃，活化能為119.8 kJ/mol，表觀分解熱從AP的574.2 J/g增加到了1362.6 J/g，增加了788.4 J/g。ZHANG等就使用還原法制備了兩種復合材料，Au納米粒子經2-巰基吡啶修飾后，通過π-π疊加和其他分子相互作用分別吸附到氧化石墨烯和還原氧化石墨烯薄片上，分別形成金納米粒子-氧化石墨烯(Au-GO)和金納米離子還原氧化石墨烯(Au-rGO)復合材料，并且很好地控制金屬/GO納米雜化物中的金屬納米顆粒的尺寸、尺寸分布和形貌。此外，Au、Au-GO和Au-rGO復合材料將鄰硝基苯胺還原為1,2-苯二胺的催化活性的比較研究表明，Au-GO和Au-rGO復合材料的催化活性明顯高于相應的Au納米顆粒。HOSSEINI等運用化學沉積法將CuO納米顆粒生長在三維氮摻雜石墨烯骨架上，并測試了它對AP熱分解的催化效率。結果顯示，采用這一復合催化劑后，AP的分解溫度大幅降低，分解熱增加。LI等還采用水熱法制備了MnO/石墨烯復合物，粒徑10 nm的MnO均勻負載在石墨烯上，并對AP表現出良好的催化效果，提高AP熱分解的催化效率。結果表明，復合催化劑對于AP的熱分解具有更加高效的催化作用，使分解溫度降低了209 ℃。當添加量為5%時，AP只出現一個熱分解峰，分解溫度降低了141.9 ℃，僅為291.8 ℃。在相同添加量的情況下，復合催化劑表現出比單獨的石墨烯和MnO更好的催化效果。LAN等利用溶膠-凝膠法制備了石墨烯/鎳復合氣凝膠，并將其用于催化AP的熱分解，使AP的分解溫度降低了122 ℃。YUAN采用水熱法制備了FeO/Graphene復合粒子，FeO顆粒為50～80 nm，添加2%時，AP的高溫分解峰從432 ℃降低到367 ℃，比單獨組分具有更好的催化效果。DEY等等則采用微波法制備了直徑約20～30 nm的FeO粒子均勻分散在石墨烯片上的FeO/Graphene復合粒子，作為AP的催化劑，并對其催化性能進行研究。研究發現，隨著FeO/Graphene含量的增加，催化作用也明顯增強，同時指出FeO/Graphene能夠有效加快AP系推進劑的燃燒速率。

復合固體推進劑的導熱問題是導彈、火箭系統安全性與可靠性研究中的重要問題。一方面，由于推進劑不可避免地需要承受極端惡劣和復雜的溫度環境，溫度的變化很容易導致內部應力的產生；另一方面，熱導率對推進劑的點火和燃燒性能具有關鍵性的作用。以高分子粘結劑為基體的復合固體推進劑熱導率通常較低，這使得其在承受大幅度溫度沖擊時，熱量無法快速傳遞，導致裝藥內部溫度分布不均勻或呈梯度分布，進而產生嚴重的內部熱應力，直接引起內部裂紋甚至結構破壞。石墨烯由于具有極高的熱導率和較輕的質量，目前已經廣泛作為導熱填料用于復合材料。這種具有二維結構的新型輕質碳材料實際上已經在含能材料導熱性能的提升方面發揮了作用，如對于高聚物粘結炸藥熱導率的提升。JAIN等在硝化纖維推進劑中加入三維石墨烯泡沫，以提高推進劑的熱導率，并以此提高了燃速。張建侃等總結了石墨烯應用于固體推進劑的研究進展的基礎上，提出非氧化石墨烯由于熱導率高，適合經非共價改性后分散于推進劑基體中，增強基體的導熱性能。

此外，復合固體推進劑力學性能的不足將導致藥柱無法承受沖擊、振動、過載等復雜載荷的作用，進而產生裂紋，增大燃燒面積，引起發動機內壓升高，甚至導致爆炸。為提高復合推進劑的力學性能，在基體中添加納米材料已經成為提高推進劑力學性能的重要手段。文獻[23]指出，石墨烯應用于復合推進劑，可以有效增強推進劑的力學性質。ZHANG等研究了硝酸甘油醚纖維素/氧化石墨烯納米復合薄膜的力學性能。結果表明，與純的硝酸甘油醚纖維素相比，氧化石墨烯的質量分數為0.5%時，薄膜的楊氏模量提升40%，強度增加38%，斷裂伸長率提高44%。DILLIER 等研究了邊緣功能化的氧化石墨烯對復合推進劑力學性能的影響。通過測試指出，氧化石墨烯的加入提高了推進劑的韌性。ZHANG等利用異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)對氧化石墨烯(GO)表面進行功能化修飾，制成了能夠與端羥基聚丁二烯(HTPB)發生化學交聯的修飾后氧化石墨烯(MGO)。以MGO作為交聯劑，IPDI為固化劑，合成了具有雙交聯分子結構的MGO/HTPB復合粘結劑。所制備的復合粘結劑具有均勻的內部結構、無缺陷緊密結合的穩定界面和優異的力學性能。MGO在很低含量(0.2%)時就可以顯著減小HTPB 的蠕變柔量。MGO/HTPB復合粘結劑的動態儲能模量與HTPB相比明顯提高，當質量分數為1%時，復合粘結劑在低溫平臺區的儲能模量提高了42%。此外，還以硝酸鈉為氧化劑，利用重結晶法將氧化石墨烯完美地包覆在氧化劑表面，制備了硝酸鈉/氧化石墨烯復合氧化劑顆粒。在此過程中，溶劑僅有去離子水，且不使用任何其他化學試劑和表面活性劑。進而通過使復合顆粒嵌入端羥基聚丁二烯(HTPB)粘結劑，將氧化石墨烯引入氧化劑顆粒與基體的界面之間，用于提高復合推進劑的界面作用和裂紋抑制能力。在提高界面力學性能的同時，而沒有降低氧化劑熱分解特性。

2.2 熱管理

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

隨著航空工業的發展，復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。為進一步改善燒蝕材料的性能，石墨烯因其獨特的結構，表現出優異的熱穩定性能、力學性能、導電性能等特點，是制備先進復合材料的理想增強體。這些復合材料用于高超聲速飛行器前緣的熱保護系統、火箭噴管和固體發動機的內部絕緣以及導彈發射設施結構。本文介紹了這一領域的最新研究成果，概述的聚合物主要是酚醛樹脂、少量的橡膠和碳/碳聚合物。

WANG等通過采用熱壓法制得GO/水溶性酚醛樹脂納米復合材料。當GO含量介于0.1%～4.0%范圍內時，在基體中分散均勻，并與樹脂基體有良好的界面相容性。當GO添加量為0.5%時，隨著溫度的升高，復合材料的熱失重明顯改善，并且800 ℃時的殘炭率比純樹脂高9%。WANG等采用液相氧化法制備GO，利用Steglich醋化反應制備了氧化石墨烯和酚醛樹脂(GO/PF)納米復合材料。完全剝離的GO與PF之間形成了較強的化學鍵合，GO的引人明顯提高了PF的熱穩定性。SI等研究了酚醛樹脂中氧化石墨烯納米復合材料的熱特性。他們在三種不同的溫度下從石墨中制備氧化石墨烯，并通過超聲浴將其混合到酚醛樹脂中，負載量為0.1%～2%。研究發現，這種轉化技術在220 ℃的高溫下最有效，而且在納米尺度上，這種顆粒可以與納米粘土相媲美。氧化石墨烯顆粒在樹脂中分散良好，即使在低負荷下也能產生適度的炭產率和熱穩定性。ZHAO等報道了一種易于原位合成的還原氧化石墨烯(rGO)-酚醛復合材料，利用相互作用的氧化還原反應。在這種相互作用的化學反應中，GO被苯酚還原成rGO，同時苯酚被氧化成苯醌。非共價吸附在rGO表面的苯酚不僅可以作為有效的還原劑，還可以參與原位聚合，并指導rGO表面酚醛樹脂的形成。結果表明，原位合成的rGO-PF雜化物的形成，大大提高了rGO在PF基體中的分散性，改善了rGO與PF之間的界面相互作用。rGO片的均勻分散和原位聚合使rGO-PF復合材料的熱導率從0.147 7提高到0.376 9 W/(m·K)，具有良好的導電性。此外，分散性良好的rGO-PF復合材料在提高其力學性能和耐熱性方面更有效。ZHAO等利用酚醛樹脂接枝石墨烯(G-PR)是由通用石墨烯改性平臺2-(3,4-二羥基苯基)吡咯烷接枝原始石墨烯(G-OH)合成的，用于開發高性能酚醛復合材料。由于G-PR良好的性能、均勻的分散性及強的界面相互作用，G-PR作為填料在改善PR的力學性能、電學性能和熱性能方面明顯優于原始石墨烯(pG)和氧化石墨烯(GO)衍生物。石墨烯含量為0.5%時，PR/G-PR復合材料的抗拉強度最高可達51.4 MPa。當石墨烯含量為5%時，其電導率和熱導率分別達到10S/cm和0.374 W/(m·K)。石墨烯含量為1%時，分解溫度和800 ℃的殘留物分別提高了61 ℃和3.5%。這為制備高性能、多功能的PR/石墨烯復合材料提供了另一種途徑，避免了GO制備流程中的高風險和嚴重污染。

SABAGH等將GO納米片加入樹脂型酚醛樹脂中，再將其浸漬到人造絲基炭織物中，制備了耐燒蝕納米復合材料。采用高剪切混合法，將0.25%、0.75%和 1.25%的氧化石墨烯分散到酚醛樹脂中，以確保氧化石墨烯均勻分散。研究發現，氧化石墨烯/酚醛樹脂/碳纖維復合材料的熱穩定性和燒蝕性能得到了顯著提高，這是因為GO在聚合物基體中的分散良好，GO與酚醛基體之間的界面相互作用強，以及熱解后的層狀碳結構。與其他樣品相比，GO含量為1.25%的樣品在燒蝕率、熱擴散率和熱穩定性方面表現最佳。該復合材料在不同溫度下具有恒定的熱擴散率，炭產率和燒蝕率分別提高了10%和51%。

AMIRSARDARI等確定了GO和ZrB改善酚醛樹脂(PR)聚合物復合材料燒蝕性能的機制。在這項研究中，他們制備了三種配方：一種不含納米填料，一種含有1%的GO，一種含有1%的GO和7%的ZrB。GO可以提高炭層的導熱性、強度和抗滲性，而ZrB分解成氧化鋯(ZrO)的保護層和阻燃劑BO，作為進入熱流的隔熱屏障。然而，GO吸引人的特性促使作者考慮將氧化石墨烯作為膠結劑，在焦層中形成網絡結構，以提高焦層在高溫氣體高流速時的抗剝離性能。將ZrB作為超高溫陶瓷(UHTC)，通過形成耐高溫的耐火材料ZrO與氧化石墨烯相結合，以提供抗燒蝕性。采用氧化石墨烯和ZrB作為增強劑控制碳/酚醛復合材料在2000 ℃下的熱腐蝕是研究的基礎。酚醛復合材料的最大分解溫度約為460℃，最大失重為23%。GO/PR和Zr/GO/PR樣品的TGA失重值均為30%，且大于PR值，可能是由于氧化官能團在氧化石墨烯層間的氣化和形成精細分散的無定形碳所致。氧乙炔燒蝕試驗結果表明，PR復合材料的侵蝕性能高于GO/PR和Zr/GO/PR納米復合材料。在PR中添加氧化石墨烯被認為可提高其抗氧化性，因為它增強了PR的熱性能并形成了焦層。炭化層的形成可以有效地阻止氧氣擴散到樣品中，而均勻的氧化石墨烯網絡則有利于保護涂層的形成。PR中1%的GO能有效防止氧擴散到基質中。GO/PR(0.003 80 mm/s)的線性速率顯著低于PR(0.009 70 mm/s)，這歸因于碳化GO網絡的良好隔熱性。同樣，Zr/GO/PR的速率進一步降低到0.000 94 mm/s，并提出增強的ZrB可以轉化為ZrO作為散熱器并提供隔熱表面來傳遞熱量。該研究是對此前作者早些時候發表的GO/ZrB相關論文的補充。在酚醛樹脂碳纖維(C/Ph)的配方中，只添加7 %的ZrB納米填料，不添加氧化石墨烯。他們發現即使不添加氧化石墨烯，ZrB也是一種改善消融性能的有效添加劑。與報道的純C/Ph相比，消融率和質量損失分別降低了70%和40%。同時添加GO和ZrB的配方，則表現出更好的性能。

SUBHA及其同事考慮了一種不同的策略，將鋯涂層的氧化石墨烯納米片(Gnp)引入酚醛樹脂碳纖維復合材料中，以改善C/Ph復合材料的熱性能和燒蝕性能。采用溶膠-凝膠法合成Gnp/Zr雜化產物。在酚醛樹脂中加入Zr/Gnp混合填料。將碳纖維氈置于含2%鋯的酚醛樹脂中。在不改變纖維取向的情況下，采用手工鋪層法制備復合材料。純C/Ph 復合材料準備作為參考樣品。用類似的方法制備了0.25%和0.5%雜化填料的復合樣品。添加Zr和Zr/Gnp雜化填料增加C-Ph化合物的熱降解溫度，炭渣和Zr/Gnp雜化涂層起到了熱障的作用，降低了CF的進一步氧化反應，并使C-Ph復合材料具有較高的最大降解溫度。氧乙炔燒蝕測試的燒蝕性能顯示C/Ph與Zr/Gnp 0.5的線性燒蝕率從0.048 mm/s降到0.014 mm/s，質量燒蝕率從 0.082 g/s降低到0.051 g/s。歸因于在氧化過程中在C-Ph/Zr復合材料的燒蝕表面形成 ZrC 層(通過中間體ZrO)。ZrC層充當屏障以防止進一步的熱通量擴散到基體中，并減少基體的快速蒸發。燒蝕純C-Ph復合材料的表面形態顯示CF嚴重損壞，由于氧乙炔火焰的剪切作用而破裂。將Zr 添加到C-Ph復合材料中，在燒蝕表面上形成了ZrO-2層，作為熱量向復合材料內部擴散的熱屏障。在熱化學氧化過程中，ZrO與無定形碳炭反應并導致ZrC的形成。Gnp通過在燒蝕表面形成一個強大的網絡保護層，并將熱重新輻射回氣相，也有助于熱阻。與參考樣品(Ph)相比，C-Ph/Gnp 0.5的熱導率提高了38%，這與Gnp的高熱導率和高表面積有關，這使得CF與酚醛基體之間的界面結合很強。此外，在C-Ph/Zr/Gnp 0.25復合材料中加入2%的Zr可以使CF表面沉積ZrC涂層的熱導率降低9%，而在C-Ph/Zr/Gnp復合材料中加入Gnp含量會使熱導率進一步提高。C-Ph復合材料的抗彎性能表明，Zr的加入使復合材料的抗彎強度和模量降低，而當樣品中Gnp的濃度增加到0.5%時，復合材料的抗彎強度和模量增加。

MA等為提高碳纖維/酚醛復合材料的燒蝕性能，采用納米填料對纖維增強體界面進行改性。首先，通過將低濃度的GO (0.1%)加入到碳/酚醛(CF/PR)中，結合實驗和計算分析氧化石墨烯(GO)對提高復合材料抗燒蝕性能。氧化石墨烯填充復合材料在熱阻方面的優勢與氧化石墨烯的加入提高了PR的炭收率和纖維的石墨化。分子動力學模擬表明，即使濃度很小，基體內的氧化石墨烯也可作為炭化PR石墨化晶體生長的核劑。在極端燒蝕溫度下，纖維-基體界面處的氧化石墨烯可以與纖維結合。促進了石墨烯-纖維界面stone-throwing-wales缺陷(平面)和sp雜化(方向)的形成，進一步提高了纖維的石墨化程度。文中還研究了兩種納米材料填充CF/PR復合材料的界面、熱性能和燒蝕性能。特別是，氧化石墨烯(GO)和石墨氮化碳(g-CN)被用于生產低負載(0.1%)的復合材料。通過氧乙炔火焰試驗研究了復合材料的燒蝕性能。石墨烯填充和g-CN填充復合材料的抗燒蝕性能比原始復合材料分別提高了62.02%和22.36%，線性燒蝕速率的降低是熱導率、燒焦層和纖維石墨化程度共同作用的結果。氧化石墨烯填充復合材料的機理是氧化石墨烯可顯著提高纖維表面的石墨化程度，并進一步提高其抗高溫燒蝕的耐熱性。在g-CN填充的復合材料中，較厚的纖維直徑和燒蝕區炭化層可分散可燃氣體，提高抗氧化性能。

此外，將石墨烯均勻地分散在丁苯橡膠基體中，顯著提高了聚合物基納米復合材料的抗燒蝕性能。多孔結構在燒蝕試驗過程中形成，它增強了蒸騰和蒸發過程，降低了背面的溫度升高。橡膠復合材料的極限拉伸強度和橡膠的肖氏硬度A得到有效提高，而斷裂伸長率隨著填料與基體比的增加而降低。與有機硅、天然橡膠和乙丙橡膠納米復合材料相比，丁苯橡膠復合材料在暴露于超高溫和剪切流后顯示出很好特性。LIU等為了提高室溫硫化(RTV)硅橡膠的性能，將功能化二維氧化石墨烯(FGO)作為填充劑與短碳纖維(SCF)和二氧化硅顆粒混合。研究了FGO含量對室溫硫化硅橡膠復合材料性能的影響。在復合材料中加入適量的FGOs，可有效地增強SCF與硅橡膠基體的界面結合，提高復合材料的性能。當FGO濃度為0.5份時，復合材料的拉伸強度和撕裂強度分別為4.7 MPa和21.9 kN/m。而未添加FGO的復合材料的對應值僅為4.0 MPa和20.3 kN/m。此外，復合材料的最高分解速率溫度分別從564.4 ℃提高到613.1 ℃。質量燒蝕率和線燒蝕率分別降低到0.059 g/s和 0.145 mm/s。這是由于燒蝕過程中會形成碳骨架(致密層和多孔層)，對RTV硅橡膠起到保護作用，降低燒蝕速率。

另一方面，熱導率通常是表示熱能通過材料的傳遞。高導熱材料已被應用于散熱器，而低導熱材料被用于隔熱應用。熱能的耗散對于調節材料的壽命、可靠性和功能至關重要。在聚合物基納米復合材料中，熱導率主要取決于納米顆粒和聚合物樹脂的特性。有研究指出，芘端聚(甲基丙烯酸縮水甘油酯)(Py-PGMA)石墨烯/環氧基納米復合材料能有效提高導熱性能。此外，Py-PGMA石墨烯/環氧樹脂和石墨烯/環氧樹脂材料的熱導率比碳納米管/環氧樹脂材料有明顯的提高。ARABY等制備了苯乙烯-丁二烯橡膠和石墨烯聚合物納米復合材料。當納米顆粒含量達到10.5%閾值時，產生導熱和界面通道，此時熱導率最高。此外，如圖2所示，輻射冷卻正在成為一種越來越有吸引力的被動熱管理方法，它利用周圍環境中的光譜輻射特性。通過機械可重構石墨烯的選擇性中間膨脹發射率控制，其中機械拉伸和釋放會引起石墨烯的受控形態變化。利用太陽光譜吸收太陽輻射加熱(從200 nm～2.5 mm，可見到近紅外波長)并利用大氣透射窗口(從8～14 μm，中紅外波長)，通過將熱量重新發射到外層空間來冷卻表面。用于航空航天應用的系統和表面需要動態溫度控制以獲得最佳系統性能，同時滿足個人舒適度和維護設備功能的熱需求，并避免過熱。能夠在不同光譜范圍內加熱和冷卻否定了使用具有相當均勻的高或低發射率值的傳統材料，并且由于缺乏對發射率的動態調制，可調節溫度的需要是剛性冷卻表面無法實現的。同時，由于石墨烯良好的導熱性，基于廢熱反射導熱的石墨烯散熱器在空間光伏聚光器上得到了應用，不僅降低了成本，在降低質量密度，比功率的提升方面都起到至關重要的作用。HELTZEL 等航空航天熱管理的石墨烯/超薄石墨換熱器的進一步分析指出，由石墨烯基材料制成的緊湊型換熱器翅片在不遭受相應壓降或增加結垢風險的情況下促進傳熱。這種材料發展可能會極大地影響通量與損耗的權衡，對集成航空航天平臺中的組件和熱管理系統的設計產生影響。

圖2 (a)基于皺褶石墨烯的選擇性發射；(b,c)褶皺節距的變化可利用太陽輻射和大氣窗口來輻射冷卻(10 μm)和加熱(290 nm)[45]Fig.2 Selective emitters based on crumpled graphene；(b,c)The variations in crumpling pitch affect the radiative cooling (10 μm pitch)and heating (290 nm pitch)by using the solar radiation and the atmospheric window[45]

2.3 電極材料

目前，小型化、自動化、以功能為中心的設備快速發展，使星際任務和近地空間探索的實現更近一步。先進納米結構材料的引入促進了全球智能多樣化的平臺在電力、儀器和通信方面取得進步。然而，仍缺乏高效可靠的推力系統，能夠在長期部署期間支持小型衛星和立方體衛星的精確機動。此外，航空和空間系統需要可靠的電力生產、存儲和傳輸，無論是短期還是長期活動。現有的能源系統正在被納米材料創新所取代或補充。以石墨烯為基礎的更好的工程納米材料正在不斷改進。

DOBBS等利用無人機的飛行過程中的產生的機械能和太陽光直接存儲在石墨烯作為電極的超級電容器中，不僅延長電池充電和飛機航程，而且能夠快速的充放電，提高環境安全性和更高的能量密度，減輕機身的重量方面起到關鍵性的作用。MARKANDAN等使用氧化鋁增韌氧化鋯(ATZ)作為結構材料制造了一個微型推進器，氧化釔穩定氧化鋯-石墨烯(YSZ-Gr)作為電極材料。YSZ-石墨烯不僅可以作為電解分解硝酸羥銨溶液的電極，還可以起到阻尼作用。這種微型推進器作為主推進系統具有潛在的應用，可用于衛星星座編隊飛行中的快速軌道轉移。

離子推進器陰極(如圖3(a)所示)的關鍵挑戰在于減少或完全消除陰極的推進劑消耗，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。這個問題的最佳解決方案是通過使用高發射材料和表面結構完全消除通過陰極的氣體通量。垂直排列的石墨烯薄片顯著提高推進器的效率，作為無推進劑體系下的良好候選者而備受關注，如圖3(b)所示。

(a) (b)圖3 (a)常用的熱發射陰極示意圖;(b)納米多孔材料，垂直排列的石墨烯薄片直接生長在納米多孔氧化鋁上(比例尺:200 nm)[50]Fig.3 (a)Schematic of the commonly used thermosemissive cathode;(b)Vertically aligned graphene flakes grown directly on the nanoporous alumina(Scale bars:200 nm)[50]

2.4 光帆材料

基于石墨烯的輕型帆推進系統，因其靈活性和無需攜帶燃料這一特性，而成為行星際和星際任務的候選技術。輕型航行也是唯一現存的空間推進技術，可讓人類訪問其他星系。為此舉辦的蜻蜓計劃競賽，就旨在評估激光驅動的光帆星際探測器發送到另一個恒星系統的可行性。這種大規模光操縱石墨烯光帆，對實現星際探索和直接空間運輸具有深遠意義。

如圖4(a)所示，ZHANG等使用大塊石墨烯泡沫在宏觀尺度上觀察到其直接光推進。這種三維石墨烯材料的新形態，使其不僅能夠吸收不同波長的光，而且可以使用瓦級的激光，甚至陽光，按照一種新穎的光致電子噴射機制，直接推進到亞米尺度。如圖4(b)所示，GAIDENZI與其合作伙伴制作了由銅網格支撐的石墨烯微膜二維帆葉，并在微重力環境下測試了光誘導位移。提出的材料設計消除了帆所需的光學和機械性能，從而大大降低了帆的總質量，并為利用石墨烯機械強度的高反射2D帆打開了大門。此外，PERAKIS等設計了石墨烯作為夾層的低密度和高反射率的三明治輕帆，達到指定加速度比目前最先進的鍍鋁聚酯薄膜太陽帆材料性能更好。

(a) (b)圖5 (a)納米多孔石墨烯水脫鹽示意圖;(b)具有親水鍵的納米孔示意圖[57]Fig.5 (a)Schematic illustration of nanoporous graphene water desalination;(b)Schematic of nanopores with hydrophilic bonding[57]

(a) (b)

2.5 其他領域

由于太空環境由極端溫度、真空、太空碎片和太陽黑子活動引起的大變化構成，那么先進的納米復合材料被用于航空航天飛機結構和太空環境惡劣氣候的涂層以及微電子系統的開發就變得非常的有意義。

石墨烯霍爾效應傳感器具有低熱漂移，適用于航空航天應用的電力電子模塊中的電流實時監測，可在高達500 K的溫度下工作。隨著溫度的升高，臨界電子性質的變化，特別是載流子濃度和載流子遷移率的變化，這些參數是受實現傳感器的石墨烯層狄拉克點Dirac點所獨特影響的。利用門控優化石墨烯霍爾傳感器，可實現低溫度系數下的高靈敏度霍爾效應測量。此外，在其他星球上的生境開發受到多種標準的制約，其中之一就是空間碎片的撞擊破壞。研究了碳納米管/石墨烯納米片環氧基納米復合材料傳感器的抗小行星軌道微粒碎片沖擊性能。該傳感器能夠檢測小行星軌道微粒碎片沖擊造成的損傷，分辨率高于電容式傳感器。KUZHIR等在納米級厚度的銅催化劑膜和介質SiO基底之間通過催化化學氣相沉積工藝合成Ka波段多層石墨烯薄膜，石墨烯薄膜的厚度由原子力顯微鏡直接表征，僅顯示了樣品上納米級的小波動。所研究的薄膜厚度不超過5 nm，且有一定的粗糙度。石墨烯只有千分之一的皮膚深度，吸收損耗造成的電磁屏蔽效率非常高，達到35%～43%的入射功率水平上。制造的石墨烯薄膜在室溫下具有高度的導電性，在可見的范圍內具有非常高的透明性，并具有非常好的熱學和力學性能，可能成為制造納米級厚度的電磁干擾防護涂層的有趣的技術材料。此外，特殊的三維導電鏈結構對輕質，柔性的導電納米復合材料具有很強的吸引力，尤其是在降低材料的制造價格和良好的加工性能方面。聚二甲基硅氧烷(PDMS)復合材料通過將石墨烯排列成仿珍珠層狀序列三維結構，在石墨烯含量不足的情況下表現出更高的力學性能、各向異性電導率和優越的電磁輻射屏蔽效率。摻雜0.4%質量分數的導電顆粒電磁輻射屏蔽效率達到42 dB，沿排列方向的電導率為32 S/m。在2500 ℃下熱處理氣凝膠后，聚合物納米復合材料的電磁輻射屏蔽效率和電導率分別變化為65 dB和0.5 S/m。在0.15%的超低濃度，熱處理溫度800 ℃條件下，其電磁輻射屏蔽效率可達25 dB。表明各向異性石墨烯/PDMS層板在超低石墨烯含量下，通過結構調控獲得了更高的電磁屏蔽效率。

環境控制和生命支持系統技術是納米材料的沃土，長期的人類太空探索帶來了最大的挑戰。無論是在相對安全的低地球軌道內的短期任務，還是艱難的長期任務，如前往遙遠的星球。可靠的空氣、水和食物供應；廢物管理系統；功能性的可居住空間都是必不可少的。包括在國際空間站上的低軌道運行，已經為生命支撐技術提供了一個有用的試驗場，隨著航天國家為前往火星等目的地的長期任務做準備，在低軌道運行中測試技術被認為是一項重要的指標。

目前，生命支撐技術的可靠性和性能相對較差，需要采用高比表面積和導電納米材料作為提高系統整體性能的途徑之一。碳納米管仲胺功能化以實現二氧化碳去除，這是生命支持技術不可或缺的功能，并解決當前系統的局限性，包括可再生性和高功耗。在最好的條件下，水的凈化和回收是具有挑戰性的，但微重力環境的增加和多年耐用性的必要性推動了基于納米材料的水過濾系統的幾個例子。富勒烯在水凈化方面已顯示出非常好的前景，美國宇航局贊助的使用碳納米管的納米級過濾技術已發展成為一種商業產品。盡管可擴展性仍然存在問題，但多孔石墨烯是一種積極研究的水過濾材料，吸引了大量的關注，如圖5所示。

3 結束語

本文首先對石墨烯的結構和理化性質進行了介紹，并簡要闡述各性能在具體應用中的重要作用；然后，綜述了石墨烯納米材料在航空航天領域的各方面(復合固體推進劑、熱管理和智能光帆等)前沿領域的應用現狀。石墨烯及其復合材料的制備已得到較快發展。其中，石墨烯在復合固體推進劑中的應用目前主要集中在提高推進劑含能組分的熱分解和燃燒性能方面，而在導熱和力學性能方面的研究則相對較少，且制備方法單一，以簡單的共混為主，缺乏針對性的設計和性能的控制。而且對石墨烯的性能增強機理缺乏深入的分析。在熱管理方面，熱導率、產炭性能和納米顆粒分散對聚合物納米復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用中被廣泛研究的聚合物，納米陶瓷顆粒與碳基的復合納米填料的結合似乎是下一個熱管理趨勢。此外，在太空電力推進領域，新型石墨烯基納米材料和微電子機械系統支持的離子液體推進器解決方案，這是為微加工和納米結構推進器陣列的實現提出了方案。另外，一種可能的低成本，高時效的納米制造工藝，用于飛機儲能和生命支持設備。與傳統解決方案相比，這些納米復合材料應用了納米材料的整合，并與太空任務和探索計劃相結合，可以節省成本和時間。

石墨烯在很多領域的研究仍處于探索階段，石墨烯材料在極端環境中的行為將擴大其潛在應用，促進人類在太空的探索。石墨烯基納米材料未來的研究重點需要著眼于以下幾個方向：

(1)一種降低開發成本的潛在解決方案是創新材料-建模和模擬與實驗測試和表征方法相結合，可降低開發和鑒定成本。將有助于跨越納米工程材料的性能轉化為宏觀尺度上的現實。

(2)大規模構造石墨烯材料的集成方法，以保持在石墨烯納米尺度上注意到的性能和批量實現。它們占地面積小、功耗低、耐輻射，非常適合太空應用。

(3)將納米石墨烯材料集成到最先進類型的電力推進裝置中，利用納米材料的獨特特性，提高其效率和使用壽命。另外，進一步創造出一個自適應(自清潔表面、自愈合修復機制、自我愈合)推進器。