太空環(huán)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(tǒng)的設計和建造很大程度上依賴于這些參數(shù)。暴露在這些惡劣環(huán)境下的系統(tǒng)表面由于原子氧的存在而產(chǎn)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(yè)的關注，這些特性包括大表面積、高縱橫比、高各向異性、可定制的電導率和導熱系數(shù)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(huán)境控制能力、能夠屏蔽輻射的儲能系統(tǒng)?？沙掷m(xù)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。
納米材料可以集成到復雜的航空幾何結構中，減少制造技術中的廢物產(chǎn)生。這也可用于輕量化和無需耗時維護的機身和結構的設計。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、高電導率和導熱率。石墨烯具有高的載流子傳輸速率，表現(xiàn)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(yè)，能有效地減輕重量，提高材料強度，從而減少排放，減少燃料消耗，最終實現(xiàn)更綠色和更清潔的環(huán)境。以石墨烯為基礎的先進納米材料在航空工業(yè)中，得到了廣泛的認可和應用。本文主要從以下三方面進行綜述: （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(zhàn)。
一、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。
圖片圖1 （a）石墨烯及碳的同素異形體；（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；（c）石墨烯的能帶結構；（d）石墨烯起伏表面模型圖。
早在1940年，就有理論認為，二維的石墨烯處于非穩(wěn)定熱力學狀態(tài)，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(wěn)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0.142nm（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(qū)的兩個錐頂點K和K′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(fā)現(xiàn)，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(tài)下表現(xiàn)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(wěn)定存在的原因。由于其優(yōu)異的化學穩(wěn)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(yī)學、電子智能及眾多交叉學科，并由此創(chuàng)造了潛在的巨大經(jīng)濟價值與廣闊的應用前景。
二、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(tǒng)到先進的推進動力系統(tǒng)。只有工程納米材料的應用才能滿足需求，使得航空航天發(fā)展更進一步。
（一）復合推進劑
石墨烯的應用目前也已經(jīng)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(tǒng)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(shù)量，然而其往往容易發(fā)生團聚，降低催化活性。為了克服這一問題，納米碳材料已經(jīng)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，但是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(jù)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(guī)模生產(chǎn)。水熱法相對于化學還原法的優(yōu)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(jù)負載的燃燒催化劑選擇不同的方法制備。DEY等采用微波法制備了直徑約20~30nm的Fe?O?粒子均勻分散在石墨烯片上的Fe?O?/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(fā)現(xiàn)，隨著Fe?O?/Graphene含量的增加，催化作用也明顯增強，同時指出Fe?O?/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(tǒng)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(huán)境，溫度的變化很容易導致內部應力的產(chǎn)生；另一方面，導熱系數(shù)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導熱系數(shù)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(chǎn)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導熱系數(shù)和較輕的質量，目前已經(jīng)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(jīng)在含能材料導熱性能的提升方面發(fā)揮了作用，如對于高聚物粘結炸藥導熱系數(shù)的提升。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導熱系數(shù)高，適合經(jīng)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(chǎn)生裂紋，增大燃燒面積，引起發(fā)動機內壓升高，甚至導致爆炸。為了提高復合推進劑的力學性能，在基體中添加納米材料已經(jīng)成為提高推進劑力學性能的重要手段。文獻指出，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。
（二）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(wěn)定性和機械完整性的極限。為特殊航天任務材料系統(tǒng)提供多功能的研究也在進行中。由于航空工業(yè)的發(fā)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。為了進一步改善燒蝕材料的性能，石墨烯由于其獨特的結構，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)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(tǒng)、火箭噴管和固體火箭發(fā)動機的內部絕緣以及導彈發(fā)射設施結構。
研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯/酚醛樹脂/碳纖維復合材料的熱穩(wěn)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(wěn)定性方面表現(xiàn)最佳。該復合材料在不同溫度下具有恒定的熱擴散率，炭產(chǎn)率和燒蝕率分別提高了10%和51%。
MA等為了提高碳纖維/ 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(yōu)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?jié)舛群苄?，基體內的氧化石墨烯也可以作為炭化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(xy平面)和sp?雜化(z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-C3N4）被用于生產(chǎn)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-C3N4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導熱系數(shù)、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以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。而在g-C3N4填充的復合材料中，較厚的纖維直徑和燒蝕區(qū)炭化層可以分散可燃氣體，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(fā)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。
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(chǎn)生導熱和界面通道，此時導熱系數(shù)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(huán)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(fā)射率控制，其中機械拉伸和釋放會引起石墨烯的受控形態(tài)變化。利用太陽光譜吸收太陽輻射加熱（從200nm~2.5μm，可見到近紅外波長）并利用大氣透射窗口（從8μm~14μm，中紅外波長），通過將熱量重新發(fā)射到外層空間來冷卻表面。用于航空航天應用的系統(tǒng)和表面需要動態(tài)溫度控制以獲得最佳系統(tǒng)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(fā)射率值的傳統(tǒng)材料，并且由于缺乏對發(fā)射率的動態(tài)調制，可調節(jié)溫度的需要是剛性冷卻表面無法實現(xiàn)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。
圖片圖2 （a）基于皺褶石墨烯的選擇性發(fā)射；（b，c）褶皺節(jié)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（290nm）。
（三）電極材料
目前，小型化、自動化、以功能為中心的設備的快速發(fā)展，使星際任務和近地空間探索的實現(xiàn)更近一步。先進的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，仍然缺乏高效可靠的推力系統(tǒng)，能夠在長期部署期間支持小型衛(wèi)星和立方體衛(wèi)星的精確機動。此外，航空和空間系統(tǒng)需要可靠的電力生產(chǎn)、存儲和傳輸，無論是短期還是長期活動?，F(xiàn)有的能源系統(tǒng)正在被納米材料創(chuàng)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。
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(wěn)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(tǒng)具有潛在的應用，可用于衛(wèi)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(zhàn)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(fā)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效率的，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。
圖3 （a）常用的熱發(fā)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）。
（四）光帆材料
基于石墨烯的輕型帆的推進系統(tǒng)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(xiàn)存的空間推進技術，可以讓我們在人類的一生中訪問其他星系。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(fā)送到另一個恒星系統(tǒng)的可行性。這種大規(guī)模光操縱石墨烯光帆對實現(xiàn)星際探索和直接空間運輸是具有深遠意義的。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(tài)，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，GAUDENZI與其合作伙伴制作了由銅網(wǎng)格支撐的石墨烯微膜二維帆葉，并在微重力環(huán)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的聚酯薄膜太陽帆材料性能更好。
圖4（a）石墨烯海綿在激光照射下向上推進和光致旋轉示意圖；（b）帆在激光照射下的垂直位移，顯示了帆在微重力和真空中的不同位置(側視圖)：釋放后(左)和在450nm、100mW的激光下加速350ms后（右） 。
（五）其他領域
由于太空環(huán)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(huán)境惡劣氣候的涂層以及微電子系統(tǒng)的開發(fā)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(jiān)測，可在高達500K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(shù)是受實現(xiàn)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(yōu)化石墨烯霍爾傳感器可以實現(xiàn)低溫度系數(shù)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(fā)受到多種標準的制約，其中之一就是空間碎片的撞擊破壞。
Kuzhir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5nm，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(xiàn)出更高的力學性能、各向異性電導率和優(yōu)越的電磁輻射屏蔽效率。摻雜0.4%質量分數(shù)的導電顆粒電磁輻射屏蔽效率達到42dB，沿排列方向的電導率為32S/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65dB和0.5S/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25dB。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(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)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(zhàn)。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?？煽康目諝?、水和食物供應；廢物管理系統(tǒng)；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(jīng)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。目前的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(tǒng)整體性能的途徑之一。
碳納米管仲胺功能化以實現(xiàn)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(tǒng)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(zhàn)性的，但微重力環(huán)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(tǒng)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(fā)展成為一種商業(yè)產(chǎn)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。
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。
三、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(xiàn)狀。石墨烯及其復合材料的制備已得到較快發(fā)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，導熱系數(shù)、產(chǎn)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(jié)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(huán)境中的行為將擴大我們的基本理解和潛在應用，將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(fā)成本的潛在解決方案是創(chuàng)新材料-建模和模擬與實驗測試和表征方法相結合，可以降低開發(fā)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(xiàn)實。
（2）大規(guī)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(xiàn)。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(chuàng)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。
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