【原】【前沿技术】通过导电纳米材料和石墨烯粘合剂优化卫星结构用碳纤维复材板的导电导热性

编者按：为了有效改善卫星结构件因导电碳纤维可能带来的电、热积聚，从而致使结构件表面屈曲、翘曲等损坏，Adamant Composites公司通过在碳纤维预浸料中添加导电纳米材料，而且在CFRP面板与金属粘合时所使用的的粘合剂中使用高导热石墨烯，从而有效提升结构面板的导热和导电性。

总部位于希腊帕特拉斯的Adamant Composites公司成立于2012年，其目标是将纳米材料增强复合材料从学术研究转化为现实生活中的应用。该公司近期主要工作包括无里衬液氧（LOX）罐，以及与英国石墨烯生产商Levidian合作开发新的石墨烯增强复合材料产品。

Adamant Composites公司内部的实验线

Adamant Composites最近还与欧洲航天局（ESA）的材料和工艺部门合作开展了一项为期3.5年的研究项目，旨在使纳米材料和石墨烯增强复合材料技术成熟化，以满足卫星结构的应用。

在对卫星等空间结构进行设计时面临的一个挑战是太空中温度条件变化很大。比如，在任何给定的时间里，卫星表面的一部分都可能受到高热阳光的直射，而另一半则远离太阳，受到寒冷环境的侵袭。太空的真空也是高度绝缘的，这可能导致卫星表面积聚潜在的破坏性电荷。

传统上，卫星是由导电金属制成的，但随着这些材料被更坚固、重量更轻、导电性更低的碳纤维增强聚合物（CFRP）材料取代，热或电积聚的可能性变得更大，这可能导致表面屈曲、翘曲等损坏。

因此，为了保护卫星表面和内部设备，需要采取适当措施，如通过在表面和整个部件上更均匀地散发热量和电力，以最大限度地减少积聚。目前有几种可行的解决方案，比如在卫星表面增加导热金属管、电线或条带来提供导电路径。然而，这也增加了零件的额外重量和材料，使切换到CFRP的优势最小化。

在Adamant Composites承担的为期三年（2019-2022年秋季）的太空高导热和导电性粘合材料（High Thermal and Electrical Conductive Bonding Materials for Space， HITEC）项目中，双方试图在不使用额外导电材料的情况下调整复合材料结构，以优化导热和导电性。

在Adamant Composites前期研究的基础上，决定将增强CFRP面板的导热和导电纳米材料作为一种潜在的解决方案进行研究。使用石墨烯或类似纳米材料的一个优点是，少量的添加剂可以显著提高某些所期的性能，从而可以减少零件中的其他材料，从而节省整体重量。

该项目得到了ESA通用支持技术计划(General Support Technology Programme，GSTP)的支持，旨在评估碳纤维/环氧树脂预浸料和粘合剂（用于连接结构部件和连接机载电子设备）中纳米材料的使用情况，用于制造小型原型卫星面板，粘合剂中使用了石墨烯，并在预浸料中添加了另一种专有的导电纳米材料。

在将金属黏合到碳纤维复合材料面板的粘合剂中使用了石墨烯材料

Adamant Composites公司商业总监Athanasios Baltopoulos解释道：“最初的想法是展示包含石墨烯等新材料太空面板从设计到加工再到测试的全生命周期设计，目标是将碳纤维增强塑料和石墨烯粘合剂的技术准备水平提高到6，这意味着它有资格参与发射应用。”

Adamant Composites设计并制造了卫星面板，希望帕特拉斯大学的应用机械实验室针对材料进行了测试，德国Beyond Gravity开展了零部件测试。

首先，面板是通过有限元分析（FEA）建模设计的，以帮助理解基于负载、导热性和导电性要求的所需材料组成。制造了两块0.5×1米、22毫米厚的CFRP和铝蜂窝夹芯板，用于在真空下使用手工铺层和高压釜固化进行测试，其中一块面板使用了纳米材料增强，另一块没有用于比较；然后在每个面板上钻孔，并使用专门设计的石墨烯增强粘合剂安装金属插件。

用于卫星面板结构的CFRP和铝蜂窝板，然后在每个面板上钻孔，并使用专门设计的石墨烯增强粘合剂安装金属插件，在其中一件对比面板中使用了纳米材料增强

为了实现质量控制，Adamant Composites使用激光跟踪来评估面板的平整度，并使用锤击测试技术来评估谐振频率，并将结果与模拟结果进行比较，并对这些面板进一步进行了各种测试，比如IMA Materials Research and Application Technology GmbH进行了振动测试以模拟发射条件，Beyond Gravity GmbH在真空下进行了热循环以测试类似太空条件下的强度和耐久性。

在测试过程中，将热传感器放置在CFRP蒙皮上，以跟踪不同温度（-22°C、-30°C和60°C）下的温度分布。除了对面板本身进行测试外，还使用X射线断层扫描来评估灌封质量。结果显示：与标准CFRP面板相比，纳米增强材料大大提高了导电性，并通过将面板厚度方向（面外）的热梯度降低高达64%来促进热传播。热量通过顶部和底部表皮均匀散发，而不是在一个区域积聚。此外，通过振动和热循环测试，面板可以保持所需的结构性能。

如果在实际的商业项目中用于空间领域，可以进一步重新设计零件，以去除额外的导电元件，从而实现更轻、更紧凑的组件。在为该项目开发材料后，Adamant Composites现在提供了一条名为FXply的纳米材料增强CFRP预浸料产品线，该公司在商用预浸料材料中添加了不同种类的纳米材料，以及石墨烯增强粘合剂产品FXbond。

Adamant Composites的材料和工艺工程师Nicolas Blasakis表示：“我们以前就开始研究这些产品，但通过HITEC项目，我们真正将工艺和产品成熟为可重复和可太空使用的产品。这些产品有望用于太阳能电池阵列、卫星和其他太空应用。”该公司表示：未来的研究中心是将继续评估这些材料如何单独使用，以及如何与其他导电材料一起混合使用，最终实现更轻、更强的太空结构件。

（主要参考：CW）