石墨烯在空天推进和动力领域的应用①

张 伦，徐 雨，张爱民,张承双

(1.高分子材料工程国家重点实验室，四川大学 高分子研究所，成都 610065；2.西安航天复合材料研究所，西安 710025)

0 引言

太空环境由极端温度、真空、微流星体、太空碎片和太阳黑子活动引起的大变化组成。航天器和航天系统的设计和建造很大程度上依赖于这些参数。暴露在这些恶劣环境下的系统表面由于原子氧的存在而产生破损。因此，高强度和刚度的先进工程材料使20世纪的月球探索时代成为可能，人类探索火星和更远的目的地将需要新一代的材料。20多年来，在纳米尺度(一维小于100 nm)合成和加工材料的独特性能吸引了各行各业的关注，这些特性包括大表面积、高纵横比、高各向异性、可定制的电导率和热导率以及独特的光学特性等。这些特性可用于制备高强度、轻量化和多功能结构、新颖的传感器以及具有高度可靠的环境控制能力、能够屏蔽辐射的储能系统。可持续技术改进的交织性质使纳米材料成为航空航天应用的理想材料。纳米材料可集成到复杂的航空几何结构中，减少制造技术中的废物产生。这也可用于轻量化和无需耗时维护的机身和结构设计。

石墨烯结构由单层厚度的六方晶格碳原子组成，具有高强度、高刚度、低密度、高电导率和热导率。石墨烯具有高的载流子传输速率，表现出比铜导体好的导电性，比硅半导体更好的材料。石墨烯基复合材料应用于航空航天工业，能有效减轻重量，提高材料强度，从而减少排放，减少燃料消耗，最终实现更绿色和更清洁的环境。以石墨烯为基础的先进纳米材料在航空工业中，得到了广泛的认可和应用。

本文主要从以下三方面进行了综述：(1)简述石墨烯结构及其性能特征；(2)主要介绍石墨烯在空天推进和动力领域的热门应用方向，例如复合推进剂、热管理、电极材料、光帆材料等方面；(3)石墨烯未来在空天领域的应用前景和挑战。

1 石墨烯结构及其特性

石墨烯由单原子厚度的sp杂化碳原子同素异形体组成，呈二维(2D)平面蜂窝状晶格。也是构成石墨、碳纳米管、富勒烯等多种碳的同素异形体的基本单元。如图 1所示，具有二维碳原子结构的石墨烯，可以通过堆叠形成三维的石墨，也可通过卷曲形成一维的碳纳米管，或者通过包裹形成零维的富勒烯。早在1940年，就有理论认为，二维的石墨烯处于非稳定热力学状态，无法在有限温度下自由存在。因此，一直仅是一个学术概念。直至2004年，曼彻斯特大学利用简单的机械剥离方法成功获得单层石墨烯，从而证实它可以稳定存在。石墨烯的蜂巢晶格结构由密集分布在六边形点阵上的碳原子构成，原子排列十分紧密。碳原子以sp电子轨道杂化，在平面内形成3个σ键，键角120°，键长约为0.142 nm(图 1(b))，2pz轨道电子在垂直于平面方向形成大π键。石墨烯具有特殊的能带结构，由简单的紧束缚模型可以计算得出，它的导带(π带)和价带(π带)在布里渊区的两个锥顶点和′交于一点，称为Dirac点，进而形成圆锥状的低谷。同时，通过观测发现，石墨烯并不是一个完美的平整的二维结构，而是在微观状态下表现出一定的起伏(图 1(e))，这也被认为是石墨烯能够在室温下自由稳定存在的原因。

图1 (a)石墨烯及碳的同素异形体[4]；(b)石墨烯的晶格结构，属于相邻两个碳格A和B的碳原子以圆点表示[5]；(c)石墨烯的能带结构[6]；(d)石墨烯起伏表面模型图[7]

由于其优异的化学稳定性、高载流子迁移率、低密度和光学透明度等特性，在传感器、光子和电子器件等领域被认为是一种很有前景的材料。这一新型碳材料也从此开辟了一个崭新的研究方向，以其令人兴奋的独特性质，涉及的领域覆盖化学、力学、医学、电子智能及众多交叉学科，并由此创造了潜在的巨大经济价值与广阔的应用前景。

2 石墨烯在空天推进领域热门应用方向

航空航天应用历来是先进材料的驱动力，从太空飞行器的强化碳-碳热保护系统到先进的推进动力系统。只有工程纳米材料的应用才能满足需求，使得航空航天发展更进一步。

2.1 复合推进剂

石墨烯的应用目前也已经扩展到复合推进剂领域，主要用于提高推进剂的热分解、导热以及力学性能。研究最多的就是复合固体推进剂含能组分的热分解，分解速率的提升对于提高推进剂的燃烧性能至关重要，而热分解又主要依赖于催化剂体系。传统上广泛使用的催化剂主要是一些过渡金属及其氧化物。它们的催化能力依赖暴露出来的金属活性位点的数量，然而其往往容易发生团聚，降低催化活性。为克服这一问题，纳米碳材料已经被广泛作为催化剂载体，以抑制催化剂颗粒的团聚，提高其催化能力。

以石墨烯为基底负载无机纳米颗粒的方法主要有非原位复合和原位复合。非原位复合是将预先制备好的纳米颗粒直接附着在石墨烯上，但由于兼容性问题以及改性剂，可能影响到与含能材料之间的相互作用，所以以原位复合方法制备复合推进剂的方法研究的较多。原位复合是通过在石墨烯表面上由各种前驱体制备出纳米颗粒的方法。根据制备手段不同原位复合可以分为还原法、电化学沉积法、水热法、溶胶-凝胶法。石墨烯原位复合纳米材料的制备方法中 ，电化学沉积法、溶胶/凝胶法由于工艺复杂或原料昂贵，不适合大规模生产。水热法相对于化学还原法的优势在于避免了还原剂的使用，还可以负载金属氧化物纳米颗粒，纳米颗粒分散度高，粒径小且对负载纳米颗粒的性状调控性更强。在实际应用中，根据负载的燃烧催化剂选择不同的方法制备。

LI等研究了石墨相氮化碳(g-CN)对高氯酸铵(AP)的热催化性能，当添加10%的g-CN时，AP的分解温度降低了70 ℃，活化能为119.8 kJ/mol，表观分解热从AP的574.2 J/g增加到了1362.6 J/g，增加了788.4 J/g。ZHANG等就使用还原法制备了两种复合材料，Au纳米粒子经2-巯基吡啶修饰后，通过π-π叠加和其他分子相互作用分别吸附到氧化石墨烯和还原氧化石墨烯薄片上，分别形成金纳米粒子-氧化石墨烯(Au-GO)和金纳米离子还原氧化石墨烯(Au-rGO)复合材料，并且很好地控制金属/GO纳米杂化物中的金属纳米颗粒的尺寸、尺寸分布和形貌。此外，Au、Au-GO和Au-rGO复合材料将邻硝基苯胺还原为1,2-苯二胺的催化活性的比较研究表明，Au-GO和Au-rGO复合材料的催化活性明显高于相应的Au纳米颗粒。HOSSEINI等运用化学沉积法将CuO纳米颗粒生长在三维氮掺杂石墨烯骨架上，并测试了它对AP热分解的催化效率。结果显示，采用这一复合催化剂后，AP的分解温度大幅降低，分解热增加。LI等还采用水热法制备了MnO/石墨烯复合物，粒径10 nm的MnO均匀负载在石墨烯上，并对AP表现出良好的催化效果，提高AP热分解的催化效率。结果表明，复合催化剂对于AP的热分解具有更加高效的催化作用，使分解温度降低了209 ℃。当添加量为5%时，AP只出现一个热分解峰，分解温度降低了141.9 ℃，仅为291.8 ℃。在相同添加量的情况下，复合催化剂表现出比单独的石墨烯和MnO更好的催化效果。LAN等利用溶胶-凝胶法制备了石墨烯/镍复合气凝胶，并将其用于催化AP的热分解，使AP的分解温度降低了122 ℃。YUAN采用水热法制备了FeO/Graphene复合粒子，FeO颗粒为50～80 nm，添加2%时，AP的高温分解峰从432 ℃降低到367 ℃，比单独组分具有更好的催化效果。DEY等等则采用微波法制备了直径约20～30 nm的FeO粒子均匀分散在石墨烯片上的FeO/Graphene复合粒子，作为AP的催化剂，并对其催化性能进行研究。研究发现，随着FeO/Graphene含量的增加，催化作用也明显增强，同时指出FeO/Graphene能够有效加快AP系推进剂的燃烧速率。

复合固体推进剂的导热问题是导弹、火箭系统安全性与可靠性研究中的重要问题。一方面，由于推进剂不可避免地需要承受极端恶劣和复杂的温度环境，温度的变化很容易导致内部应力的产生；另一方面，热导率对推进剂的点火和燃烧性能具有关键性的作用。以高分子粘结剂为基体的复合固体推进剂热导率通常较低，这使得其在承受大幅度温度冲击时，热量无法快速传递，导致装药内部温度分布不均匀或呈梯度分布，进而产生严重的内部热应力，直接引起内部裂纹甚至结构破坏。石墨烯由于具有极高的热导率和较轻的质量，目前已经广泛作为导热填料用于复合材料。这种具有二维结构的新型轻质碳材料实际上已经在含能材料导热性能的提升方面发挥了作用，如对于高聚物粘结炸药热导率的提升。JAIN等在硝化纤维推进剂中加入三维石墨烯泡沫，以提高推进剂的热导率，并以此提高了燃速。张建侃等总结了石墨烯应用于固体推进剂的研究进展的基础上，提出非氧化石墨烯由于热导率高，适合经非共价改性后分散于推进剂基体中，增强基体的导热性能。

此外，复合固体推进剂力学性能的不足将导致药柱无法承受冲击、振动、过载等复杂载荷的作用，进而产生裂纹，增大燃烧面积，引起发动机内压升高，甚至导致爆炸。为提高复合推进剂的力学性能，在基体中添加纳米材料已经成为提高推进剂力学性能的重要手段。文献[23]指出，石墨烯应用于复合推进剂，可以有效增强推进剂的力学性质。ZHANG等研究了硝酸甘油醚纤维素/氧化石墨烯纳米复合薄膜的力学性能。结果表明，与纯的硝酸甘油醚纤维素相比，氧化石墨烯的质量分数为0.5%时，薄膜的杨氏模量提升40%，强度增加38%，断裂伸长率提高44%。DILLIER 等研究了边缘功能化的氧化石墨烯对复合推进剂力学性能的影响。通过测试指出，氧化石墨烯的加入提高了推进剂的韧性。ZHANG等利用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)对氧化石墨烯(GO)表面进行功能化修饰，制成了能够与端羟基聚丁二烯(HTPB)发生化学交联的修饰后氧化石墨烯(MGO)。以MGO作为交联剂，IPDI为固化剂，合成了具有双交联分子结构的MGO/HTPB复合粘结剂。所制备的复合粘结剂具有均匀的内部结构、无缺陷紧密结合的稳定界面和优异的力学性能。MGO在很低含量(0.2%)时就可以显著减小HTPB 的蠕变柔量。MGO/HTPB复合粘结剂的动态储能模量与HTPB相比明显提高，当质量分数为1%时，复合粘结剂在低温平台区的储能模量提高了42%。此外，还以硝酸钠为氧化剂，利用重结晶法将氧化石墨烯完美地包覆在氧化剂表面，制备了硝酸钠/氧化石墨烯复合氧化剂颗粒。在此过程中，溶剂仅有去离子水，且不使用任何其他化学试剂和表面活性剂。进而通过使复合颗粒嵌入端羟基聚丁二烯(HTPB)粘结剂，将氧化石墨烯引入氧化剂颗粒与基体的界面之间，用于提高复合推进剂的界面作用和裂纹抑制能力。在提高界面力学性能的同时，而没有降低氧化剂热分解特性。

2.2 热管理

石墨烯纳米材料目前正被纳入各种航天热防护材料和热管理，以提高在各种气或热流动条件下热稳定性和机械完整性的极限。

随着航空工业的发展，复合材料基体的耐热性和烧蚀性能提出了更高的要求。由于树脂具有良好的加工工艺等性能，被广泛用作耐烧蚀材料的主要基体。为进一步改善烧蚀材料的性能，石墨烯因其独特的结构，表现出优异的热稳定性能、力学性能、导电性能等特点，是制备先进复合材料的理想增强体。这些复合材料用于高超声速飞行器前缘的热保护系统、火箭喷管和固体发动机的内部绝缘以及导弹发射设施结构。本文介绍了这一领域的最新研究成果，概述的聚合物主要是酚醛树脂、少量的橡胶和碳/碳聚合物。

WANG等通过采用热压法制得GO/水溶性酚醛树脂纳米复合材料。当GO含量介于0.1%～4.0%范围内时，在基体中分散均匀，并与树脂基体有良好的界面相容性。当GO添加量为0.5%时，随着温度的升高，复合材料的热失重明显改善，并且800 ℃时的残炭率比纯树脂高9%。WANG等采用液相氧化法制备GO，利用Steglich醋化反应制备了氧化石墨烯和酚醛树脂(GO/PF)纳米复合材料。完全剥离的GO与PF之间形成了较强的化学键合，GO的引人明显提高了PF的热稳定性。SI等研究了酚醛树脂中氧化石墨烯纳米复合材料的热特性。他们在三种不同的温度下从石墨中制备氧化石墨烯，并通过超声浴将其混合到酚醛树脂中，负载量为0.1%～2%。研究发现，这种转化技术在220 ℃的高温下最有效，而且在纳米尺度上，这种颗粒可以与纳米粘土相媲美。氧化石墨烯颗粒在树脂中分散良好，即使在低负荷下也能产生适度的炭产率和热稳定性。ZHAO等报道了一种易于原位合成的还原氧化石墨烯(rGO)-酚醛复合材料，利用相互作用的氧化还原反应。在这种相互作用的化学反应中，GO被苯酚还原成rGO，同时苯酚被氧化成苯醌。非共价吸附在rGO表面的苯酚不仅可以作为有效的还原剂，还可以参与原位聚合，并指导rGO表面酚醛树脂的形成。结果表明，原位合成的rGO-PF杂化物的形成，大大提高了rGO在PF基体中的分散性，改善了rGO与PF之间的界面相互作用。rGO片的均匀分散和原位聚合使rGO-PF复合材料的热导率从0.147 7提高到0.376 9 W/(m·K)，具有良好的导电性。此外，分散性良好的rGO-PF复合材料在提高其力学性能和耐热性方面更有效。ZHAO等利用酚醛树脂接枝石墨烯(G-PR)是由通用石墨烯改性平台2-(3,4-二羟基苯基)吡咯烷接枝原始石墨烯(G-OH)合成的，用于开发高性能酚醛复合材料。由于G-PR良好的性能、均匀的分散性及强的界面相互作用，G-PR作为填料在改善PR的力学性能、电学性能和热性能方面明显优于原始石墨烯(pG)和氧化石墨烯(GO)衍生物。石墨烯含量为0.5%时，PR/G-PR复合材料的抗拉强度最高可达51.4 MPa。当石墨烯含量为5%时，其电导率和热导率分别达到10S/cm和0.374 W/(m·K)。石墨烯含量为1%时，分解温度和800 ℃的残留物分别提高了61 ℃和3.5%。这为制备高性能、多功能的PR/石墨烯复合材料提供了另一种途径，避免了GO制备流程中的高风险和严重污染。

SABAGH等将GO纳米片加入树脂型酚醛树脂中，再将其浸渍到人造丝基炭织物中，制备了耐烧蚀纳米复合材料。采用高剪切混合法，将0.25%、0.75%和 1.25%的氧化石墨烯分散到酚醛树脂中，以确保氧化石墨烯均匀分散。研究发现，氧化石墨烯/酚醛树脂/碳纤维复合材料的热稳定性和烧蚀性能得到了显著提高，这是因为GO在聚合物基体中的分散良好，GO与酚醛基体之间的界面相互作用强，以及热解后的层状碳结构。与其他样品相比，GO含量为1.25%的样品在烧蚀率、热扩散率和热稳定性方面表现最佳。该复合材料在不同温度下具有恒定的热扩散率，炭产率和烧蚀率分别提高了10%和51%。

AMIRSARDARI等确定了GO和ZrB改善酚醛树脂(PR)聚合物复合材料烧蚀性能的机制。在这项研究中，他们制备了三种配方：一种不含纳米填料，一种含有1%的GO，一种含有1%的GO和7%的ZrB。GO可以提高炭层的导热性、强度和抗渗性，而ZrB分解成氧化锆(ZrO)的保护层和阻燃剂BO，作为进入热流的隔热屏障。然而，GO吸引人的特性促使作者考虑将氧化石墨烯作为胶结剂，在焦层中形成网络结构，以提高焦层在高温气体高流速时的抗剥离性能。将ZrB作为超高温陶瓷(UHTC)，通过形成耐高温的耐火材料ZrO与氧化石墨烯相结合，以提供抗烧蚀性。采用氧化石墨烯和ZrB作为增强剂控制碳/酚醛复合材料在2000 ℃下的热腐蚀是研究的基础。酚醛复合材料的最大分解温度约为460℃，最大失重为23%。GO/PR和Zr/GO/PR样品的TGA失重值均为30%，且大于PR值，可能是由于氧化官能团在氧化石墨烯层间的气化和形成精细分散的无定形碳所致。氧乙炔烧蚀试验结果表明，PR复合材料的侵蚀性能高于GO/PR和Zr/GO/PR纳米复合材料。在PR中添加氧化石墨烯被认为可提高其抗氧化性，因为它增强了PR的热性能并形成了焦层。炭化层的形成可以有效地阻止氧气扩散到样品中，而均匀的氧化石墨烯网络则有利于保护涂层的形成。PR中1%的GO能有效防止氧扩散到基质中。GO/PR(0.003 80 mm/s)的线性速率显著低于PR(0.009 70 mm/s)，这归因于碳化GO网络的良好隔热性。同样，Zr/GO/PR的速率进一步降低到0.000 94 mm/s，并提出增强的ZrB可以转化为ZrO作为散热器并提供隔热表面来传递热量。该研究是对此前作者早些时候发表的GO/ZrB相关论文的补充。在酚醛树脂碳纤维(C/Ph)的配方中，只添加7 %的ZrB纳米填料，不添加氧化石墨烯。他们发现即使不添加氧化石墨烯，ZrB也是一种改善消融性能的有效添加剂。与报道的纯C/Ph相比，消融率和质量损失分别降低了70%和40%。同时添加GO和ZrB的配方，则表现出更好的性能。

SUBHA及其同事考虑了一种不同的策略，将锆涂层的氧化石墨烯纳米片(Gnp)引入酚醛树脂碳纤维复合材料中，以改善C/Ph复合材料的热性能和烧蚀性能。采用溶胶-凝胶法合成Gnp/Zr杂化产物。在酚醛树脂中加入Zr/Gnp混合填料。将碳纤维毡置于含2%锆的酚醛树脂中。在不改变纤维取向的情况下，采用手工铺层法制备复合材料。纯C/Ph 复合材料准备作为参考样品。用类似的方法制备了0.25%和0.5%杂化填料的复合样品。添加Zr和Zr/Gnp杂化填料增加C-Ph化合物的热降解温度，炭渣和Zr/Gnp杂化涂层起到了热障的作用，降低了CF的进一步氧化反应，并使C-Ph复合材料具有较高的最大降解温度。氧乙炔烧蚀测试的烧蚀性能显示C/Ph与Zr/Gnp 0.5的线性烧蚀率从0.048 mm/s降到0.014 mm/s，质量烧蚀率从 0.082 g/s降低到0.051 g/s。归因于在氧化过程中在C-Ph/Zr复合材料的烧蚀表面形成 ZrC 层(通过中间体ZrO)。ZrC层充当屏障以防止进一步的热通量扩散到基体中，并减少基体的快速蒸发。烧蚀纯C-Ph复合材料的表面形态显示CF严重损坏，由于氧乙炔火焰的剪切作用而破裂。将Zr 添加到C-Ph复合材料中，在烧蚀表面上形成了ZrO-2层，作为热量向复合材料内部扩散的热屏障。在热化学氧化过程中，ZrO与无定形碳炭反应并导致ZrC的形成。Gnp通过在烧蚀表面形成一个强大的网络保护层，并将热重新辐射回气相，也有助于热阻。与参考样品(Ph)相比，C-Ph/Gnp 0.5的热导率提高了38%，这与Gnp的高热导率和高表面积有关，这使得CF与酚醛基体之间的界面结合很强。此外，在C-Ph/Zr/Gnp 0.25复合材料中加入2%的Zr可以使CF表面沉积ZrC涂层的热导率降低9%，而在C-Ph/Zr/Gnp复合材料中加入Gnp含量会使热导率进一步提高。C-Ph复合材料的抗弯性能表明，Zr的加入使复合材料的抗弯强度和模量降低，而当样品中Gnp的浓度增加到0.5%时，复合材料的抗弯强度和模量增加。

MA等为提高碳纤维/酚醛复合材料的烧蚀性能，采用纳米填料对纤维增强体界面进行改性。首先，通过将低浓度的GO (0.1%)加入到碳/酚醛(CF/PR)中，结合实验和计算分析氧化石墨烯(GO)对提高复合材料抗烧蚀性能。氧化石墨烯填充复合材料在热阻方面的优势与氧化石墨烯的加入提高了PR的炭收率和纤维的石墨化。分子动力学模拟表明，即使浓度很小，基体内的氧化石墨烯也可作为炭化PR石墨化晶体生长的核剂。在极端烧蚀温度下，纤维-基体界面处的氧化石墨烯可以与纤维结合。促进了石墨烯-纤维界面stone-throwing-wales缺陷(平面)和sp杂化(方向)的形成，进一步提高了纤维的石墨化程度。文中还研究了两种纳米材料填充CF/PR复合材料的界面、热性能和烧蚀性能。特别是，氧化石墨烯(GO)和石墨氮化碳(g-CN)被用于生产低负载(0.1%)的复合材料。通过氧乙炔火焰试验研究了复合材料的烧蚀性能。石墨烯填充和g-CN填充复合材料的抗烧蚀性能比原始复合材料分别提高了62.02%和22.36%，线性烧蚀速率的降低是热导率、烧焦层和纤维石墨化程度共同作用的结果。氧化石墨烯填充复合材料的机理是氧化石墨烯可显著提高纤维表面的石墨化程度，并进一步提高其抗高温烧蚀的耐热性。在g-CN填充的复合材料中，较厚的纤维直径和烧蚀区炭化层可分散可燃气体，提高抗氧化性能。

此外，将石墨烯均匀地分散在丁苯橡胶基体中，显著提高了聚合物基纳米复合材料的抗烧蚀性能。多孔结构在烧蚀试验过程中形成，它增强了蒸腾和蒸发过程，降低了背面的温度升高。橡胶复合材料的极限拉伸强度和橡胶的肖氏硬度A得到有效提高，而断裂伸长率随着填料与基体比的增加而降低。与有机硅、天然橡胶和乙丙橡胶纳米复合材料相比，丁苯橡胶复合材料在暴露于超高温和剪切流后显示出很好特性。LIU等为了提高室温硫化(RTV)硅橡胶的性能，将功能化二维氧化石墨烯(FGO)作为填充剂与短碳纤维(SCF)和二氧化硅颗粒混合。研究了FGO含量对室温硫化硅橡胶复合材料性能的影响。在复合材料中加入适量的FGOs，可有效地增强SCF与硅橡胶基体的界面结合，提高复合材料的性能。当FGO浓度为0.5份时，复合材料的拉伸强度和撕裂强度分别为4.7 MPa和21.9 kN/m。而未添加FGO的复合材料的对应值仅为4.0 MPa和20.3 kN/m。此外，复合材料的最高分解速率温度分别从564.4 ℃提高到613.1 ℃。质量烧蚀率和线烧蚀率分别降低到0.059 g/s和 0.145 mm/s。这是由于烧蚀过程中会形成碳骨架(致密层和多孔层)，对RTV硅橡胶起到保护作用，降低烧蚀速率。

另一方面，热导率通常是表示热能通过材料的传递。高导热材料已被应用于散热器，而低导热材料被用于隔热应用。热能的耗散对于调节材料的寿命、可靠性和功能至关重要。在聚合物基纳米复合材料中，热导率主要取决于纳米颗粒和聚合物树脂的特性。有研究指出，芘端聚(甲基丙烯酸缩水甘油酯)(Py-PGMA)石墨烯/环氧基纳米复合材料能有效提高导热性能。此外，Py-PGMA石墨烯/环氧树脂和石墨烯/环氧树脂材料的热导率比碳纳米管/环氧树脂材料有明显的提高。ARABY等制备了苯乙烯-丁二烯橡胶和石墨烯聚合物纳米复合材料。当纳米颗粒含量达到10.5%阈值时，产生导热和界面通道，此时热导率最高。此外，如图2所示，辐射冷却正在成为一种越来越有吸引力的被动热管理方法，它利用周围环境中的光谱辐射特性。通过机械可重构石墨烯的选择性中间膨胀发射率控制，其中机械拉伸和释放会引起石墨烯的受控形态变化。利用太阳光谱吸收太阳辐射加热(从200 nm～2.5 mm，可见到近红外波长)并利用大气透射窗口(从8～14 μm，中红外波长)，通过将热量重新发射到外层空间来冷却表面。用于航空航天应用的系统和表面需要动态温度控制以获得最佳系统性能，同时满足个人舒适度和维护设备功能的热需求，并避免过热。能够在不同光谱范围内加热和冷却否定了使用具有相当均匀的高或低发射率值的传统材料，并且由于缺乏对发射率的动态调制，可调节温度的需要是刚性冷却表面无法实现的。同时，由于石墨烯良好的导热性，基于废热反射导热的石墨烯散热器在空间光伏聚光器上得到了应用，不仅降低了成本，在降低质量密度，比功率的提升方面都起到至关重要的作用。HELTZEL 等航空航天热管理的石墨烯/超薄石墨换热器的进一步分析指出，由石墨烯基材料制成的紧凑型换热器翅片在不遭受相应压降或增加结垢风险的情况下促进传热。这种材料发展可能会极大地影响通量与损耗的权衡，对集成航空航天平台中的组件和热管理系统的设计产生影响。

图2 (a)基于皱褶石墨烯的选择性发射；(b,c)褶皱节距的变化可利用太阳辐射和大气窗口来辐射冷却(10 μm)和加热(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 电极材料

目前，小型化、自动化、以功能为中心的设备快速发展，使星际任务和近地空间探索的实现更近一步。先进纳米结构材料的引入促进了全球智能多样化的平台在电力、仪器和通信方面取得进步。然而，仍缺乏高效可靠的推力系统，能够在长期部署期间支持小型卫星和立方体卫星的精确机动。此外，航空和空间系统需要可靠的电力生产、存储和传输，无论是短期还是长期活动。现有的能源系统正在被纳米材料创新所取代或补充。以石墨烯为基础的更好的工程纳米材料正在不断改进。

DOBBS等利用无人机的飞行过程中的产生的机械能和太阳光直接存储在石墨烯作为电极的超级电容器中，不仅延长电池充电和飞机航程，而且能够快速的充放电，提高环境安全性和更高的能量密度，减轻机身的重量方面起到关键性的作用。MARKANDAN等使用氧化铝增韧氧化锆(ATZ)作为结构材料制造了一个微型推进器，氧化钇稳定氧化锆-石墨烯(YSZ-Gr)作为电极材料。YSZ-石墨烯不仅可以作为电解分解硝酸羟铵溶液的电极，还可以起到阻尼作用。这种微型推进器作为主推进系统具有潜在的应用，可用于卫星星座编队飞行中的快速轨道转移。

离子推进器阴极(如图3(a)所示)的关键挑战在于减少或完全消除阴极的推进剂消耗，显著提高阴极的使用寿命，以及减少白炽部分的热损失。通过使用纳米多孔材料、纳米管和石墨烯，可以确保减少气体消耗。这个问题的最佳解决方案是通过使用高发射材料和表面结构完全消除通过阴极的气体通量。垂直排列的石墨烯薄片显著提高推进器的效率，作为无推进剂体系下的良好候选者而备受关注，如图3(b)所示。

(a) (b)图3 (a)常用的热发射阴极示意图;(b)纳米多孔材料，垂直排列的石墨烯薄片直接生长在纳米多孔氧化铝上(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

基于石墨烯的轻型帆推进系统，因其灵活性和无需携带燃料这一特性，而成为行星际和星际任务的候选技术。轻型航行也是唯一现存的空间推进技术，可让人类访问其他星系。为此举办的蜻蜓计划竞赛，就旨在评估激光驱动的光帆星际探测器发送到另一个恒星系统的可行性。这种大规模光操纵石墨烯光帆，对实现星际探索和直接空间运输具有深远意义。

如图4(a)所示，ZHANG等使用大块石墨烯泡沫在宏观尺度上观察到其直接光推进。这种三维石墨烯材料的新形态，使其不仅能够吸收不同波长的光，而且可以使用瓦级的激光，甚至阳光，按照一种新颖的光致电子喷射机制，直接推进到亚米尺度。如图4(b)所示，GAIDENZI与其合作伙伴制作了由铜网格支撑的石墨烯微膜二维帆叶，并在微重力环境下测试了光诱导位移。提出的材料设计消除了帆所需的光学和机械性能，从而大大降低了帆的总质量，并为利用石墨烯机械强度的高反射2D帆打开了大门。此外，PERAKIS等设计了石墨烯作为夹层的低密度和高反射率的三明治轻帆，达到指定加速度比目前最先进的镀铝聚酯薄膜太阳帆材料性能更好。

(a) (b)图5 (a)纳米多孔石墨烯水脱盐示意图;(b)具有亲水键的纳米孔示意图[57]Fig.5 (a)Schematic illustration of nanoporous graphene water desalination;(b)Schematic of nanopores with hydrophilic bonding[57]

(a) (b)

2.5 其他领域

由于太空环境由极端温度、真空、太空碎片和太阳黑子活动引起的大变化构成，那么先进的纳米复合材料被用于航空航天飞机结构和太空环境恶劣气候的涂层以及微电子系统的开发就变得非常的有意义。

石墨烯霍尔效应传感器具有低热漂移，适用于航空航天应用的电力电子模块中的电流实时监测，可在高达500 K的温度下工作。随着温度的升高，临界电子性质的变化，特别是载流子浓度和载流子迁移率的变化，这些参数是受实现传感器的石墨烯层狄拉克点Dirac点所独特影响的。利用门控优化石墨烯霍尔传感器，可实现低温度系数下的高灵敏度霍尔效应测量。此外，在其他星球上的生境开发受到多种标准的制约，其中之一就是空间碎片的撞击破坏。研究了碳纳米管/石墨烯纳米片环氧基纳米复合材料传感器的抗小行星轨道微粒碎片冲击性能。该传感器能够检测小行星轨道微粒碎片冲击造成的损伤，分辨率高于电容式传感器。KUZHIR等在纳米级厚度的铜催化剂膜和介质SiO基底之间通过催化化学气相沉积工艺合成Ka波段多层石墨烯薄膜，石墨烯薄膜的厚度由原子力显微镜直接表征，仅显示了样品上纳米级的小波动。所研究的薄膜厚度不超过5 nm，且有一定的粗糙度。石墨烯只有千分之一的皮肤深度，吸收损耗造成的电磁屏蔽效率非常高，达到35%～43%的入射功率水平上。制造的石墨烯薄膜在室温下具有高度的导电性，在可见的范围内具有非常高的透明性，并具有非常好的热学和力学性能，可能成为制造纳米级厚度的电磁干扰防护涂层的有趣的技术材料。此外，特殊的三维导电链结构对轻质，柔性的导电纳米复合材料具有很强的吸引力，尤其是在降低材料的制造价格和良好的加工性能方面。聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料通过将石墨烯排列成仿珍珠层状序列三维结构，在石墨烯含量不足的情况下表现出更高的力学性能、各向异性电导率和优越的电磁辐射屏蔽效率。掺杂0.4%质量分数的导电颗粒电磁辐射屏蔽效率达到42 dB，沿排列方向的电导率为32 S/m。在2500 ℃下热处理气凝胶后，聚合物纳米复合材料的电磁辐射屏蔽效率和电导率分别变化为65 dB和0.5 S/m。在0.15%的超低浓度，热处理温度800 ℃条件下，其电磁辐射屏蔽效率可达25 dB。表明各向异性石墨烯/PDMS层板在超低石墨烯含量下，通过结构调控获得了更高的电磁屏蔽效率。

环境控制和生命支持系统技术是纳米材料的沃土，长期的人类太空探索带来了最大的挑战。无论是在相对安全的低地球轨道内的短期任务，还是艰难的长期任务，如前往遥远的星球。可靠的空气、水和食物供应；废物管理系统；功能性的可居住空间都是必不可少的。包括在国际空间站上的低轨道运行，已经为生命支撑技术提供了一个有用的试验场，随着航天国家为前往火星等目的地的长期任务做准备，在低轨道运行中测试技术被认为是一项重要的指标。

目前，生命支撑技术的可靠性和性能相对较差，需要采用高比表面积和导电纳米材料作为提高系统整体性能的途径之一。碳纳米管仲胺功能化以实现二氧化碳去除，这是生命支持技术不可或缺的功能，并解决当前系统的局限性，包括可再生性和高功耗。在最好的条件下，水的净化和回收是具有挑战性的，但微重力环境的增加和多年耐用性的必要性推动了基于纳米材料的水过滤系统的几个例子。富勒烯在水净化方面已显示出非常好的前景，美国宇航局赞助的使用碳纳米管的纳米级过滤技术已发展成为一种商业产品。尽管可扩展性仍然存在问题，但多孔石墨烯是一种积极研究的水过滤材料，吸引了大量的关注，如图5所示。

3 结束语

本文首先对石墨烯的结构和理化性质进行了介绍，并简要阐述各性能在具体应用中的重要作用；然后，综述了石墨烯纳米材料在航空航天领域的各方面(复合固体推进剂、热管理和智能光帆等)前沿领域的应用现状。石墨烯及其复合材料的制备已得到较快发展。其中，石墨烯在复合固体推进剂中的应用目前主要集中在提高推进剂含能组分的热分解和燃烧性能方面，而在导热和力学性能方面的研究则相对较少，且制备方法单一，以简单的共混为主，缺乏针对性的设计和性能的控制。而且对石墨烯的性能增强机理缺乏深入的分析。在热管理方面，热导率、产炭性能和纳米颗粒分散对聚合物纳米复合材料的烧蚀性能和绝缘性能都有影响。酚醛树脂仍然是这一应用中被广泛研究的聚合物，纳米陶瓷颗粒与碳基的复合纳米填料的结合似乎是下一个热管理趋势。此外，在太空电力推进领域，新型石墨烯基纳米材料和微电子机械系统支持的离子液体推进器解决方案，这是为微加工和纳米结构推进器阵列的实现提出了方案。另外，一种可能的低成本，高时效的纳米制造工艺，用于飞机储能和生命支持设备。与传统解决方案相比，这些纳米复合材料应用了纳米材料的整合，并与太空任务和探索计划相结合，可以节省成本和时间。

石墨烯在很多领域的研究仍处于探索阶段，石墨烯材料在极端环境中的行为将扩大其潜在应用，促进人类在太空的探索。石墨烯基纳米材料未来的研究重点需要着眼于以下几个方向：

(1)一种降低开发成本的潜在解决方案是创新材料-建模和模拟与实验测试和表征方法相结合，可降低开发和鉴定成本。将有助于跨越纳米工程材料的性能转化为宏观尺度上的现实。

(2)大规模构造石墨烯材料的集成方法，以保持在石墨烯纳米尺度上注意到的性能和批量实现。它们占地面积小、功耗低、耐辐射，非常适合太空应用。

(3)将纳米石墨烯材料集成到最先进类型的电力推进装置中，利用纳米材料的独特特性，提高其效率和使用寿命。另外，进一步创造出一个自适应(自清洁表面、自愈合修复机制、自我愈合)推进器。