石墨烯在航天领域的应用，你知道吗？-石墨烯风向标
随着我国航天科技的发展，迫切需要高可靠性、长寿命的新型航天材料。石墨烯因其优异的力学、热学、电学、光学、摩擦学性能和超强的抗气体渗透性及超大的比表面积，使其在航天材料领域具有广泛的应用前景。
2004 年K.S.Novoselov 等通过微机械剥离法首次得到石墨烯。它是由单层碳原子在二维平面以六圆环形式周期排列形成的。同时平面上存在大约几纳米的波纹状褶皱，如图1 所示。
图1 石墨烯中存在的褶皱现象
石墨烯中碳原子通过sp2 杂化方式结合。在二维平面内的碳-碳原子形成σ 键，其高健能使石墨烯弹性模量的理论值达到1.1TPa。在垂直于石墨烯二维平面方向则形成结合能较弱的π 键，其半填充结构使得电子传导速率高达8 × 105 m/s。同时，弱π 键也使石墨烯具有较小的剪切力，从而拥有优异的摩擦学性能。
另外，石墨烯还具有极高的比表面积、热导率、透光率以及抗气体渗透性等优异性能。因此，石墨烯满足新型航天材料对高性能的要求，在航天材料领域具有广泛的应用前景。例如，利用石墨烯优异的力学性能，将其加入树脂、金属中可获得轻质、高载荷的航天复合材料;石墨烯的高透光性可应用于航天太阳能电池领域;而它优异的摩擦学性能使其有望成为新型航天润滑材料;此外，石墨烯传感器的制备则应用了它超大比表面积的特性。
我国将石墨烯列为“十三五”重点材料发展对象，欧洲也提出了石墨烯旗舰计划，并得到了瞩目的成果，如石墨烯压力传感器、超润滑石墨烯、石墨烯通信系统等。这些为石墨烯今后成为新型航天材料打下坚实基础。表1 总结了石墨烯的性能特点及在航天领域的应用展望。
1石墨烯的航天应用进展
1.1 在抗空间原子氧剥蚀方面的应用
石墨烯可以作为添加剂改善基体材料的抗原子氧剥蚀性:第一，石墨烯具有优异的抗气体渗透性，二维结构的石墨烯均匀分散于基体中可以有效阻挡气体尤其是原子氧的透过，增强复合材料的抗渗透性;第二，模拟显示石墨烯与原子氧反应形成需要高于6 eV 的能量才能分解环氧键，而原子氧只有5 eV 左右能量，无法破坏环氧键，所以石墨烯与原子氧反应后没有损失掉，而是在材料表面形成了一层保护膜，使膜下的基体材料不会被继续侵蚀，从而阻碍原子氧进一步和基体材料反应。已有科研人员将石墨烯作为添加剂制备出具有抗原子氧剥蚀性能的航天用复合材料。
LIU 等在醋酸纤维素( CA) 中添加石墨烯(Gr) 制备的Gr /CA 复合材料薄膜，通过地面原子氧(AO)效应模拟设施进行原子氧辐照实验，分别从样品形貌和质量损失变化两方面进行对比分析，发现石墨烯可显著提高醋酸纤维素的抗原子氧腐蚀性能，如图2 所示。
张雯通过在环氧树脂中添加石墨烯神王印座，制备出了新型的纳米复合材料，并对其进行了原子氧效应地面模拟试验及抗原子氧剥蚀性能评估，通过分析实验前后试样的质量、表面形貌、表面成分，也得出类似结论:相对于纯环氧树脂，加入适量石墨烯的纳米复合材料经原子氧试验后陈佩琪，其质量损失和剥蚀率均下降近50%。
1.2 作为空间润滑添加剂的应用
润滑添加剂不但可以改善现有润滑剂润滑效果奚天鹰，也可以补充润滑剂本身不具备的性能。而石墨烯则是重要的固体润滑剂石墨的基本组成单元，具有超高的拉伸强度和热传导率、低的剪切应力、大的比表面积、优异的层间滑动摩擦性和表面滑动摩擦性，另外石墨烯在极端环境下具有良好的稳定性。所以石墨烯非常适用于高真空、原子氧和紫外辐照环境下的润滑添加剂。
石墨烯润滑添加剂改善润滑性能的机理归纳如下:(1)二维平面结构使石墨烯极易进入摩擦副之间的接触面形成物理吸附膜，从而增强润滑效果，减小摩擦;(2)继续反复摩擦使物理吸附膜的完整性被破坏，失去连续性的石墨烯润滑薄膜、液体润滑剂在摩擦副的高温表面发生化学反应形成了新的薄膜，提高了润滑材料的承载抗磨能力。
目前已有科研人员基于石墨烯润滑添加剂增强效应原理，在传统空间润滑剂中添加石墨烯获得高承载力和低摩擦因数的复合空间润滑材料。如蒲吉斌、薛群基团队已发展了应用于空间环境的新型(DLC /IL /Gr)类金刚石/离子液体/石墨烯复合润滑材料.
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吴孟天，黄逸梵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叶秋欣，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400 K 时ZT max =0. 73，表明石墨烯复合材料热电性能优良吕笑笑。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800 K 时其ZTmax = 0． 6，相比纯CoSb3其热电转换能力提高了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曲比阿卓。
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嫁给袁朗，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1015atom /( 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龚茜彤，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朝鲜仁祖，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重生八贤王，对石墨烯这种潜力巨大的材料投入更多的关注。西游降魔篇迅雷下载
文章转自《石墨烯资讯》。
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