发射到太空的飞行器和装备需要性能更高的先进材料，来承受外层空间的严酷环境考验。为了探索碳基材料增强聚合物在太空中的应用潜力，国外发表的一篇该领域的最新研究文章，并发表在Recent Advances in Manufacturing Processes and Systems杂志上。
开发用于太空的先进材料
如今航天工业使用了多种先进材料，如芳纶、铝合金、陶瓷等。由于外太空的严酷性，结构件中使用的材料必须具有特定的电学和热特性。然而，尽管它们具有优越的电气和热性能，但许多用于结构件的金属材料密度高，并且制造成本高。
碳基纳米材料如氧化石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管及其组合已被广泛探索来替代传统材料。这类纳米材料具有优异的导电性和导热性，并且可持续且生产成本低廉。它们为在恶劣的外太空环境中用于飞行器和装备的部件设计带来了显著的优势。
导电导热的重要性
进入太空的装备在结构上需要特定的材料特性。射频应用受益于具有良好导电性的材料，该材料允许在CFRP层压板上电镀高导电金属。此外，导电性是有效载荷元件电磁屏蔽的一个重要特性，也是符合电气性能要求的必要条件。
导热性对于有效载荷元件尤其重要，因为它可以散发元件产生的热量，防止对重要系统的损坏，并提高载人航天飞行器的安全性。因此，具有优良电气和热特性的材料是设计用于外层空间的有效载荷元件和其他部件的核心。
碳纳米材料如何改善这些性能
每种类型的碳纳米材料都具有不同的特性，可以提高热导率和导电率，使其成为空间探索的先进材料。例如，碳纳米管可以嵌入碳纤维增强聚合物中。不同浓度的纳米填料赋予材料不同的导电性。此外，由于碳-碳共价键的存在，多壁碳纳米管和还原氧化石墨烯的杂化增强了材料的导热性。与非共价范德华键相比，声子在共价键中的传输速度更快。
声子传输与材料的热导率成正比。氧化石墨烯与多壁碳纳米管的大接触面积是由于其多层内部结构，而且它以最小的耦合损耗积极参与声子输运。氧化石墨烯可稳定多壁碳纳米管，室温下没有沉淀的络合物均匀分散表明了这一点。
在这些杂化体系中，导电性和导热性之间存在一种关系，这种关系与多壁碳纳米管与还原氧化石墨烯的比例有关。导热系数在贯穿平面方向上最高，而面内方向的最小值使这些混合材料具有最大的电导率
最新研究进展
这项研究旨在改进用于太空探索的基于碳纳米材料的先进材料。在这项研究中，研究人员研究了通过加入不同浓度的还原氧化石墨烯和多壁碳纳米管来改善碳纤维增强聚合物的导热性和导电性。此外，他们还探索了可用于碳纤维增强聚合物的不同纳米填料。
作者对具有不同浓度的多壁碳纳米管和还原氧化石墨烯的复合材料进行了热学和电学表征。它们表征了电阻率、屏蔽效能、热膨胀和热导率。观察到了新型复合碳纳米填料/聚合物材料的优点。
镀银是作为一种表面处理工艺对样品进行的，以测试它们在外层空间通常遇到的条件下的性能。对样品进行了剥离试验，作者未观察到镀层退化，证明了所提出的材料适用于航天飞行器的有效载荷部件。
研究中进行的材料表征和物理测试结果表明，复合材料具有增强的导热性和导电性。作者认为碳纤维增强聚合物结合了多壁碳纳米管和还原石墨烯氧化物，有必要对其在航天工业中的应用进行进一步评估。
此外，他们还表示，在研究中收集的数据对于制造新的馈电喇叭、射频反射器和低功率载波板，以用于未来的空间研究项目至关重要。
更多技术细节可延伸阅读Solanki, J.D. (2022) Hybridized Nanotubes and Graphene Oxide in CFRP Development for Space Use. Recent Advances in Manufacturing Processes and Systems pp. 545-553 | link.springer.com.
