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石墨烯材料在航天领域应用进展02
更新时间:2017-10-18 浏览数:

上接《石墨烯材料在航天领域应用进展01》

 

 

2 展望

2.1 在航天热电材料中的应用

优异的热电材料应具有高的电导率和低的热导率,而本征石墨烯电子迁移率高达2×105 cm2/(V·s)可以明显提高材料电导率,虽然石墨烯的导热能力极佳但石墨烯可以通过将自身嵌入到传统热电材料基体中来降低热电材料的晶格热导率,从而得到具有高能量转换效率的新型复合热电材料。

目前国内已开展通过添加石墨烯来提高复合材料热电转换效率的研究,刘雅梅用湿化学法合成石墨烯/Bi2Te3纳米复合粉体,并通过静电吸附、烧结制备的块体纳米复合热电材料在400K时ZTmax= 0.73,表明石墨烯复合材料热电性能优良。FENG利用化学法及烧结技术制备了石墨烯/CoSb3复合热电材料在800K时其ZTmax = 0.6,相比纯CoSb3其热电转换能力提高1.3倍。

DONG等用化学法制备的PbTe/石墨烯复合热电材料较纯PbTe材料的热电转换效率成倍提升。以上实验均表明石墨烯可以有效提高材料的热电转换效率。

在深空探测活动中,利用热电材料直接将放射性同位素衰变热转换成电的能源供应方式将是深空探测器的首选,且已被成功应用于美国宇航局发射的“旅行者一号”和“伽利略火星探测器”等宇航器上。而通过加入石墨烯提高传统热电材料能量转换效率,将为深空探测器提供更充足的能源供给。

2.2 在航天气体传感器中的应用

石墨烯大的比表面积、高的电子迁移率和易掺杂性决定其作为传感器敏感材料具有极大的应用潜力,这是由于石墨烯的二维平面结构导致它的碳原子极易吸附气体分子,被吸附的气体分子则充当了电子的予体或受体,从而改变了石墨烯的电阻值,而且即便 只有单个气体分子被吸附时,都可以通过石墨烯的电子传输速率和电阻值的变化产生相应的电信号被检测到,这使得石墨烯对所处气体环境极其敏感,此外石墨烯与不同成分气体的作用效果也不同,可以利用石墨烯这些特点,来研发用于检测低轨空间环境气体成分及其变化的传感器,如测量原子氧浓度的气体传感器。

在我国空间站建设不断推进的同时,以原子氧和紫外线为主的低轨道空间环境效应越发被科研人员重视。航天器与原子氧相接触时,其强氧化性会对航天器表面材料产生严重的剥蚀,如常见的聚酰亚胺薄膜材料被原子氧氧化后会形成挥发性物质污染航天器表面。

另外低轨道上原子氧通量最高可达到 1015 atom /( cm2·s)量级,并以约8 km /s 的相对速度撞击到航天器表面,会对飞行的航天器产生拖拽,使其失去高度过早地降至地球表面,从而影响航天器寿命。所以精准测量原子氧密度非常重要,NASA科研人员利用了原子氧吸附在石墨烯表面时可使石墨烯的电阻值发生变化这一特点,研发出用于测量低地球轨道中原子氧浓度的石墨烯传感器,同时还可将这种轻小、低耗能的石墨烯传感器运送到其他待测行星轨道上,对星体表面气体成分进行检测。

2.3 未来可能在其他航天领域中的应用

(1) 航天服:鉴于石墨烯优异的导电性和力学性能,也可将石墨烯加入传统舱外航天服面料中,制备具有优异抗静电、高强度性能的航天服,如山东圣泉集团研发的生物质石墨烯功能复合纤维,具有抗静电、远红外、防紫外线、抗菌等多功能特性,将在舱内航天服方面拥有应用前景。

(2) 空间站水处理:石墨烯的比表面积达2 630m2/g,使它成为优质吸附剂,在水处理方面拥有巨大潜能。

(3) 航天蓄电设备:目前石墨烯作为传统锂电池的添加剂,使电池的充电速度、蓄电能力和使用寿命均大幅提高,为我国未来空间站能源供应提出新的解决途径。

(4) 航天热控材料:石墨烯的热导率高达到 5.3kW/(m·K),利用石墨烯的这一优异性能,研发人员将其与碳纳米管结合制备出的新型超轻质泡沫材料,作为航天温控系统热耗散型相变储能用高导热骨架材料;而利用石墨烯超高导热特性生产的柔性薄膜,则可用于航天飞行器仪器舱高功率电子器件部位的热管理系统,来控制关键电子器件的工作有效性;另外石墨烯也能做为航天主动式热控回路上的冷凝器散热材料使用。

3 结语

石墨烯诸多优异性能均已在新型航天材料研发中有所体现,如在抗原子氧剥蚀性能方面,石墨烯可通过与原子氧形成稳定环氧键的方式来显著提高复合材料的抗原子氧剥蚀性能。

电学性能方面,石墨烯作为透明电极、受体材料、对电极材料应用于太阳能电池中,使太阳能电池的光电转换效率明显提高。

摩擦学性能方面,将拥有低层间剪切力和高承载能力的石墨烯添加到传统润滑材料中制备的新型类金刚石/离子液体/石墨烯复合空间润滑材料,不但摩擦因数极低而且还具有抗原子氧和紫外辐照性能。

此外石墨烯在热电材料、气体传感器、宇航服、空间站水处理、航天蓄电设备、航天热控材料等航天领域也具有广阔的应用前景。因此未来我们有必要在研发高可靠性、长寿命新型航天材料时,对石墨烯这种潜力巨 大的材料投入更多的关注。

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来源: 宇航材料工艺  作者:刘宇 刘勇 左春艳 董尚利 张雪峰

(哈尔滨工业大学)

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