碳納米管在航天器上的研究與應(yīng)用

      碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs）又名巴基管，屬富勒烯系，是一種具有優(yōu)良光、電、熱、磁和力學(xué)性能的材料。最早是由日本電子公司（NEC）的飯島澄男（S.Iijima）博士采用電弧放電法制備C60時，在陰極處發(fā)現(xiàn)直徑4-30nm、長1μm的石墨管狀結(jié)構(gòu)，即碳納米管，隨后在Nature上報道了這種新型碳材料。近年來，碳納米管以其優(yōu)異的性能得到了廣泛的關(guān)注，并形成了碳納米管研究的熱潮。

碳納米管在航天器上的研究與應(yīng)用

      當(dāng)前，碳納米管的應(yīng)用思路主要有三類：第一類是結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，第二類是輕質(zhì)導(dǎo)電，第三類是高效熱管理。具體而言，碳納米管在增強(qiáng)材料、電極材料、濾膜以及催化劑載體等方面具有較高的實用性。碳納米管纖維在天線、數(shù)據(jù)電纜導(dǎo)體、多功能織物、高頻數(shù)據(jù)/模擬和射頻等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。另外，采用碳納米管纖維增強(qiáng)的聚合物材料(CNRP)在輻射防護(hù)、靜電防護(hù)、碎片防護(hù)以及涂層熱防護(hù)等方面具有顯著的作用。

1、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)

      碳納米管輕質(zhì)高強(qiáng)以及高長徑比的特性使其在航天器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。碳納米管分散物對于金屬、陶瓷、聚合物等材料都具有較好的增強(qiáng)作用。研究表明，當(dāng)在聚苯乙烯中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的多壁碳納米管時，材料的彈性模量提高了36%～42%，與此同時強(qiáng)度提高了25%。在復(fù)合材料中加入碳納米管除了可增加材料的拉伸強(qiáng)度外，還可以降低材料的熱膨脹系數(shù)，減小材料因高低溫引起的變形，這對于具有高精度指向要求的衛(wèi)星天線非常適用。

2、輕質(zhì)導(dǎo)電

      金屬性碳納米管所具有的導(dǎo)電性與載流容量遠(yuǎn)超過銀、銅、鋁等金屬，其導(dǎo)熱性能超高，熱交換能力優(yōu)異，并且化學(xué)穩(wěn)定性高、耐酸堿腐蝕、受環(huán)境的影響小。這些突出的性能滿足了導(dǎo)電線芯的性能要求，使得碳納米管極有可能取代銅、鋁等成為下一代新型導(dǎo)電材料。使用輕質(zhì)、小直徑的碳納米管電線取代傳統(tǒng)的銅線，可以大幅減少衛(wèi)星電能分配系統(tǒng)的質(zhì)量。而同時碳納米管電線耐腐蝕，比銅線具有更好的柔韌性，因此是一種更加耐久和安全的電線，對于具有大幅展開機(jī)構(gòu)的衛(wèi)星電能輸運具有重大的意義。

3、輕質(zhì)熱管理材料

      碳納米管材料熱質(zhì)量和比熱容均極低，在相同的發(fā)熱量下，碳納米管電熱元件能達(dá)到的溫度要比傳統(tǒng)電熱元件高，另一方面碳納米管材料導(dǎo)熱性能又很好，甚至比金剛石更加優(yōu)異，因而在衛(wèi)星的熱控系統(tǒng)中表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。