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上接《石墨烯材料在航天領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展01》
2 展望
2．1 在航天熱電材料中的應(yīng)用
優(yōu)異的熱電材料應(yīng)具有高的電導(dǎo)率和低的熱導(dǎo)率，而本征石墨烯電子遷移率高達(dá)2×105 cm2/(V·s)可以明顯提高材料電導(dǎo)率，雖然石墨烯的導(dǎo)熱能力極佳但石墨烯可以通過將自身嵌入到傳統(tǒng)熱電材料基體中來降低熱電材料的晶格熱導(dǎo)率，從而得到具有高能量轉(zhuǎn)換效率的新型復(fù)合熱電材料。
目前國(guó)內(nèi)已開展通過添加石墨烯來提高復(fù)合材料熱電轉(zhuǎn)換效率的研究，劉雅梅用濕化學(xué)法合成石墨烯/Bi2Te3納米復(fù)合粉體，并通過靜電吸附、燒結(jié)制備的塊體納米復(fù)合熱電材料在400K時(shí)ZTmax= 0.73，表明石墨烯復(fù)合材料熱電性能優(yōu)良。FENG利用化學(xué)法及燒結(jié)技術(shù)制備了石墨烯/CoSb3復(fù)合熱電材料在800K時(shí)其ZTmax = 0．6，相比純CoSb3其熱電轉(zhuǎn)換能力提高1．3倍。
DONG等用化學(xué)法制備的PbTe/石墨烯復(fù)合熱電材料較純PbTe材料的熱電轉(zhuǎn)換效率成倍提升。以上實(shí)驗(yàn)均表明石墨烯可以有效提高材料的熱電轉(zhuǎn)換效率。
在深空探測(cè)活動(dòng)中，利用熱電材料直接將放射性同位素衰變熱轉(zhuǎn)換成電的能源供應(yīng)方式將是深空探測(cè)器的首選，且已被成功應(yīng)用于美國(guó)宇航局發(fā)射的“旅行者一號(hào)”和“伽利略火星探測(cè)器”等宇航器上。而通過加入石墨烯提高傳統(tǒng)熱電材料能量轉(zhuǎn)換效率，將為深空探測(cè)器提供更充足的能源供給。
2．2 在航天氣體傳感器中的應(yīng)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(yīng)用潛力，這是由于石墨烯的二維平面結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(dāng)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(gè)氣體分子被吸附時(shí)，都可以通過石墨烯的電子傳輸速率和電阻值的變化產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)被檢測(cè)到，這使得石墨烯對(duì)所處氣體環(huán)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(diǎn)，來研發(fā)用于檢測(cè)低軌空間環(huán)境氣體成分及其變化的傳感器，如測(cè)量原子氧濃度的氣體傳感器。
在我國(guó)空間站建設(shè)不斷推進(jìn)的同時(shí)，以原子氧和紫外線為主的低軌道空間環(huán)境效應(yīng)越發(fā)被科研人員重視。航天器與原子氧相接觸時(shí)，其強(qiáng)氧化性會(huì)對(duì)航天器表面材料產(chǎn)生嚴(yán)重的剝蝕，如常見的聚酰亞胺薄膜材料被原子氧氧化后會(huì)形成揮發(fā)性物質(zhì)污染航天器表面。
另外低軌道上原子氧通量最高可達(dá)到 1015 atom /( cm2·s)量級(jí)，并以約8 km /s 的相對(duì)速度撞擊到航天器表面，會(huì)對(duì)飛行的航天器產(chǎn)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(zhǔn)測(cè)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(shí)可使石墨烯的電阻值發(fā)生變化這一特點(diǎn)，研發(fā)出用于測(cè)量低地球軌道中原子氧濃度的石墨烯傳感器，同時(shí)還可將這種輕小、低耗能的石墨烯傳感器運(yùn)送到其他待測(cè)行星軌道上，對(duì)星體表面氣體成分進(jìn)行檢測(cè)。
2．3 未來可能在其他航天領(lǐng)域中的應(yīng)用
(1) 航天服:鑒于石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性和力學(xué)性能，也可將石墨烯加入傳統(tǒng)艙外航天服面料中，制備具有優(yōu)異抗靜電、高強(qiáng)度性能的航天服，如山東圣泉集團(tuán)研發(fā)的生物質(zhì)石墨烯功能復(fù)合纖維，具有抗靜電、遠(yuǎn)紅外、防紫外線、抗菌等多功能特性，將在艙內(nèi)航天服方面擁有應(yīng)用前景。
(2) 空間站水處理:石墨烯的比表面積達(dá)2 630m2/g，使它成為優(yōu)質(zhì)吸附劑，在水處理方面擁有巨大潛能。
(3) 航天蓄電設(shè)備:目前石墨烯作為傳統(tǒng)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(guó)未來空間站能源供應(yīng)提出新的解決途徑。
(4) 航天熱控材料:石墨烯的熱導(dǎo)率高達(dá)到 5．3kW/(m·K)，利用石墨烯的這一優(yōu)異性能，研發(fā)人員將其與碳納米管結(jié)合制備出的新型超輕質(zhì)泡沫材料，作為航天溫控系統(tǒng)熱耗散型相變儲(chǔ)能用高導(dǎo)熱骨架材料;而利用石墨烯超高導(dǎo)熱特性生產(chǎn)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(tǒng)，來控制關(guān)鍵電子器件的工作有效性;另外石墨烯也能做為航天主動(dòng)式熱控回路上的冷凝器散熱材料使用。
3 結(jié)語(yǔ)
石墨烯諸多優(yōu)異性能均已在新型航天材料研發(fā)中有所體現(xiàn)，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(wěn)定環(huán)氧鍵的方式來顯著提高復(fù)合材料的抗原子氧剝蝕性能。
電學(xué)性能方面，石墨烯作為透明電極、受體材料、對(duì)電極材料應(yīng)用于太陽(yáng)能電池中，使太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率明顯提高。
摩擦學(xué)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(tǒng)潤(rùn)滑材料中制備的新型類金剛石/離子液體/石墨烯復(fù)合空間潤(rùn)滑材料，不但摩擦因數(shù)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(shè)備、航天熱控材料等航天領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。因此未來我們有必要在研發(fā)高可靠性、長(zhǎng)壽命新型航天材料時(shí)，對(duì)石墨烯這種潛力巨 大的材料投入更多的關(guān)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(yè)大學(xué)）
石墨邦整理編輯，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明。
