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石墨烯材料在航天領域應用進展02
更新時間:2017-10-18 瀏覽數:

上接《石墨烯材料在航天領域應用進展01》

 

 

2 展望

2.1 在航天熱電材料中的應用

優異的熱電材料應具有高的電導率和低的熱導率,而本征石墨烯電子遷移率高達2×105 cm2/(V·s)可以明顯提高材料電導率,雖然石墨烯的導熱能力極佳但石墨烯可以通過將自身嵌入到傳統熱電材料基體中來降低熱電材料的晶格熱導率,從而得到具有高能量轉換效率的新型復合熱電材料。

目前國內已開展通過添加石墨烯來提高復合材料熱電轉換效率的研究,劉雅梅用濕化學法合成石墨烯/Bi2Te3納米復合粉體,并通過靜電吸附、燒結制備的塊體納米復合熱電材料在400K時ZTmax= 0.73,表明石墨烯復合材料熱電性能優良。FENG利用化學法及燒結技術制備了石墨烯/CoSb3復合熱電材料在800K時其ZTmax = 0.6,相比純CoSb3其熱電轉換能力提高1.3倍。

DONG等用化學法制備的PbTe/石墨烯復合熱電材料較純PbTe材料的熱電轉換效率成倍提升。以上實驗均表明石墨烯可以有效提高材料的熱電轉換效率。

在深空探測活動中,利用熱電材料直接將放射性同位素衰變熱轉換成電的能源供應方式將是深空探測器的首選,且已被成功應用于美國宇航局發射的“旅行者一號”和“伽利略火星探測器”等宇航器上。而通過加入石墨烯提高傳統熱電材料能量轉換效率,將為深空探測器提供更充足的能源供給。

2.2 在航天氣體傳感器中的應用

石墨烯大的比表面積、高的電子遷移率和易摻雜性決定其作為傳感器敏感材料具有極大的應用潛力,這是由于石墨烯的二維平面結構導致它的碳原子極易吸附氣體分子,被吸附的氣體分子則充當了電子的予體或受體,從而改變了石墨烯的電阻值,而且即便 只有單個氣體分子被吸附時,都可以通過石墨烯的電子傳輸速率和電阻值的變化產生相應的電信號被檢測到,這使得石墨烯對所處氣體環境極其敏感,此外石墨烯與不同成分氣體的作用效果也不同,可以利用石墨烯這些特點,來研發用于檢測低軌空間環境氣體成分及其變化的傳感器,如測量原子氧濃度的氣體傳感器。

在我國空間站建設不斷推進的同時,以原子氧和紫外線為主的低軌道空間環境效應越發被科研人員重視。航天器與原子氧相接觸時,其強氧化性會對航天器表面材料產生嚴重的剝蝕,如常見的聚酰亞胺薄膜材料被原子氧氧化后會形成揮發性物質污染航天器表面。

另外低軌道上原子氧通量最高可達到 1015 atom /( cm2·s)量級,并以約8 km /s 的相對速度撞擊到航天器表面,會對飛行的航天器產生拖拽,使其失去高度過早地降至地球表面,從而影響航天器壽命。所以精準測量原子氧密度非常重要,NASA科研人員利用了原子氧吸附在石墨烯表面時可使石墨烯的電阻值發生變化這一特點,研發出用于測量低地球軌道中原子氧濃度的石墨烯傳感器,同時還可將這種輕小、低耗能的石墨烯傳感器運送到其他待測行星軌道上,對星體表面氣體成分進行檢測。

2.3 未來可能在其他航天領域中的應用

(1) 航天服:鑒于石墨烯優異的導電性和力學性能,也可將石墨烯加入傳統艙外航天服面料中,制備具有優異抗靜電、高強度性能的航天服,如山東圣泉集團研發的生物質石墨烯功能復合纖維,具有抗靜電、遠紅外、防紫外線、抗菌等多功能特性,將在艙內航天服方面擁有應用前景。

(2) 空間站水處理:石墨烯的比表面積達2 630m2/g,使它成為優質吸附劑,在水處理方面擁有巨大潛能。

(3) 航天蓄電設備:目前石墨烯作為傳統鋰電池的添加劑,使電池的充電速度、蓄電能力和使用壽命均大幅提高,為我國未來空間站能源供應提出新的解決途徑。

(4) 航天熱控材料:石墨烯的熱導率高達到 5.3kW/(m·K),利用石墨烯的這一優異性能,研發人員將其與碳納米管結合制備出的新型超輕質泡沫材料,作為航天溫控系統熱耗散型相變儲能用高導熱骨架材料;而利用石墨烯超高導熱特性生產的柔性薄膜,則可用于航天飛行器儀器艙高功率電子器件部位的熱管理系統,來控制關鍵電子器件的工作有效性;另外石墨烯也能做為航天主動式熱控回路上的冷凝器散熱材料使用。

3 結語

石墨烯諸多優異性能均已在新型航天材料研發中有所體現,如在抗原子氧剝蝕性能方面,石墨烯可通過與原子氧形成穩定環氧鍵的方式來顯著提高復合材料的抗原子氧剝蝕性能。

電學性能方面,石墨烯作為透明電極、受體材料、對電極材料應用于太陽能電池中,使太陽能電池的光電轉換效率明顯提高。

摩擦學性能方面,將擁有低層間剪切力和高承載能力的石墨烯添加到傳統潤滑材料中制備的新型類金剛石/離子液體/石墨烯復合空間潤滑材料,不但摩擦因數極低而且還具有抗原子氧和紫外輻照性能。

此外石墨烯在熱電材料、氣體傳感器、宇航服、空間站水處理、航天蓄電設備、航天熱控材料等航天領域也具有廣闊的應用前景。因此未來我們有必要在研發高可靠性、長壽命新型航天材料時,對石墨烯這種潛力巨 大的材料投入更多的關注。

http://mp.weixin.qq.com/s/7cLOlwObda_156HUggrLqA

來源: 宇航材料工藝  作者:劉宇 劉勇 左春艷 董尚利 張雪峰

(哈爾濱工業大學)

石墨邦整理編輯,轉載請注明。

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