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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100nm）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。

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。

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復合推進劑

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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。

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。

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。

圖1（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（10μm）和加熱（290nm）

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。

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。

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：200nm）

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結束語

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。

編輯：黃飛

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