石墨烯在航天領域的應用，你知道嗎？
小烯導讀
石墨烯具有極高的比表面積、熱導率、透光率以及抗氣體滲透性等優異性能，可以滿足新型航天材料對高性能的要求，在航天材料領域具有廣泛的應用前景。例如，利用石墨烯優異的力學性能，將其加入樹脂、金屬中可獲得輕質、高載荷的航天複合材料;石墨烯的高透光性可應用於航天太陽能電池領域;而它優異的摩擦學性能使其有望成為新型航天潤滑材料。
隨著我國航天科技的發展，迫切需要高可靠性、長壽命的新型航天材料。石墨烯因其優異的力學、熱學、電學、光學、摩擦學性能和超強的抗氣體滲透性及超大的比表面積，使其在航天材料領域具有廣泛的應用前景。
2004 年K.S.Novoselov 等通過微機械剝離法首次得到石墨烯。它是由單層碳原子在二維平面以六圓環形式周期排列形成的。同時平面上存在大約幾納米的波紋狀褶皺，如圖1 所示。
圖1 石墨烯中存在的褶皺現象
石墨烯中碳原子通過sp2 雜化方式結合。在二維平面內的碳-碳原子形成σ 鍵，其高健能使石墨烯彈性模量的理論值達到1.1TPa。在垂直於石墨烯二維平面方向則形成結合能較弱的π 鍵，其半填充結構使得電子傳導速率高達8 × 105 m/s。同時，弱π 鍵也使石墨烯具有較小的剪切力，從而擁有優異的摩擦學性能。
另外，石墨烯還具有極高的比表面積、熱導率、透光率以及抗氣體滲透性等優異性能。因此，石墨烯滿足新型航天材料對高性能的要求，在航天材料領域具有廣泛的應用前景。例如，利用石墨烯優異的力學性能，將其加入樹脂、金屬中可獲得輕質、高載荷的航天複合材料;石墨烯的高透光性可應用於航天太陽能電池領域;而它優異的摩擦學性能使其有望成為新型航天潤滑材料;此外，石墨烯感測器的製備則應用了它超大比表面積的特性。
我國將石墨烯列為「十三五」重點材料發展對象，歐洲也提出了石墨烯旗艦計劃，並得到了矚目的成果，如石墨烯壓力感測器、超潤滑石墨烯、石墨烯通信系統等。這些為石墨烯今後成為新型航天材料打下堅實基礎。表1 總結了石墨烯的性能特點及在航天領域的應用展望。
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石墨烯的航天應用進展
1.1 在抗空間原子氧剝蝕方面的應用
石墨烯可以作為添加劑改善基體材料的抗原子氧剝蝕性:第一，石墨烯具有優異的抗氣體滲透性，二維結構的石墨烯均勻分散於基體中可以有效阻擋氣體尤其是原子氧的透過，增強複合材料的抗滲透性;第二，模擬顯示石墨烯與原子氧反應形成需要高於6 eV 的能量才能分解環氧鍵，而原子氧只有5 eV 左右能量，無法破壞環氧鍵，所以石墨烯與原子氧反應後沒有損失掉，而是在材料表面形成了一層保護膜，使膜下的基體材料不會被繼續侵蝕，從而阻礙原子氧進一步和基體材料反應。已有科研人員將石墨烯作為添加劑製備出具有抗原子氧剝蝕性能的航天用複合材料。
LIU 等在醋酸纖維素( CA) 中添加石墨烯(Gr) 製備的Gr /CA 複合材料薄膜，通過地面原子氧(AO)效應模擬設施進行原子氧輻照實驗，分別從樣品形貌和質量損失變化兩方面進行對比分析，發現石墨烯可顯著提高醋酸纖維素的抗原子氧腐蝕性能，如圖2 所示。
張雯通過在環氧樹脂中添加石墨烯，製備出了新型的納米複合材料，並對其進行了原子氧效應地面模擬試驗及抗原子氧剝蝕性能評估，通過分析實驗前後試樣的質量、表面形貌、表面成分，也得出類似結論:相對於純環氧樹脂，加入適量石墨烯的納米複合材料經原子氧試驗後，其質量損失和剝蝕率均下降近50%。
1.2 在太陽能電池中的應用
太陽能電池陣列是航天器能源設備中核心的能量來源。隨著我國航天工業的發展，尤其是近年來深空探測計劃的開展和近空間飛行器的發展，對研發具有高能量密度、高轉化率和空間穩定性能良好的新型太陽能電池提出了更迫切的需要。而石墨稀憑藉其特殊的二維平面結構及優異的電學和光學性能，有望助力太陽能電池的發展。目前石墨烯已被應用到太陽能電池的透明電極、受體材料、對電極材料之中，並使太陽電池的性能得到提升。
a、石墨烯在透明電極材料中在應用
對於有機薄膜太陽能電池而言，透明電極是其核心部分。目前使用最多的透明電極材料是氧化銦錫(ITO)，但其成本高，同時銦是稀有金屬，此外ITO 里的金屬離子容易自發擴散導致其化學穩定性差，而且不耐酸鹼、質脆、對紅外光譜具有較強的吸收等缺點，這些都限制了其在太陽能電池中的應用。而石墨稀對紅外線具有高透明性可提升光能利用率，還具有超高的電子遷移率及優異的柔韌性和拉伸性，這些潛在的優勢使其可以作為透明薄膜電極的理想材料。目前主要是通過氧化石墨烯還原法、石墨烯摻雜法、化學氣相沉積法來製備石墨烯透明電極，同時各種方法均有突破，如:YIN 等利用氧化還原法製備的石墨稀柔性透明電極，大幅提高有機薄膜太陽能電池的耐折性能，經大量彎曲實驗後其最高光電轉換效率仍將近0.8%。
KASＲY 等通過對石墨烯進行P 型摻雜，得到透光率達80%，方電阻為90 Ω/的薄層石墨烯。WANG 等人用化學氣相沉積法製備了石墨烯薄膜，利用轉移法獲得石墨烯透明電極，石墨烯薄膜透光性極佳，薄膜面電阻很小，同等條件下石墨烯薄膜電池光電轉化效率接近基於ITO 的器件效率。
b、石墨烯在受體材料中的應用
石墨烯具有良好的電學性能，其超高的載流子遷移率和二維結構非常適合作為太陽能電池中的受體材料，而且在加工時易和給體材料相分離，最終形成給體受體互穿的納米網路結構。有研究顯示，石墨烯做為有機太陽能電池的受體材料，可將單層疊層電池效率分別提高至12% 和24%。而目前在有機太陽能電池中應用最為廣泛的受體材料主要是富勒烯及其衍生物，但存在很多問題，如P3HT:PCBM(C60)材料雖能使有機太陽能電池激子分離問題得以解決，但聚合物材料的無序性仍存在，C60 材料中的電子載流子只能在其特有的球形結構中採取跳躍式傳輸，易產生電荷傳輸路徑缺陷，同時效率也較無機材料器件差。而石墨稀可和有機聚合物材料複合形成大的受體界面，如將傳統受體材料C60 接枝到石墨烯表面，不但可以在提高激子的擴散速率和載流子遷移率的同時消除由電荷路徑被破壞導致的二次聚集，還能使電導率進一步提高。
c、石墨烯在對電極材料中的應用
染料敏化太陽能電池(DSSC) 因其生產工藝簡單、成本低、較高的轉換效率成為備受矚目的下一代光伏產品，而石墨烯則由於其出色的電學性能被應用到DSSC 的對電極材料中，可使DSSC 電池的光電轉換效率有明顯提高。
LI 等人通過在石墨烯表面包裹聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 的方法阻止石墨烯聚集制
備得到分散均勻的石墨烯對電極，同時PVP 和石墨烯形成酯鍵(—C—O—OC—) 使得這種石墨烯對電極具有很高的電化學催化活性，利用這種石墨烯對電極製備的染料敏化太陽能電池擁有高達3. 01% 的整體轉換效率，為今後染料敏化太陽能電池的發展提供了新的思路。
1.3 作為空間潤滑添加劑的應用
潤滑添加劑不但可以改善現有潤滑劑潤滑效果，也可以補充潤滑劑本身不具備的性能。而石墨烯則是重要的固體潤滑劑石墨的基本組成單元，具有超高的拉伸強度和熱傳導率、低的剪切應力、大的比表面積、優異的層間滑動摩擦性和表面滑動摩擦性，另外石墨烯在極端環境下具有良好的穩定性。所以石墨烯非常適用於高真空、原子氧和紫外輻照環境下的潤滑添加劑。
石墨烯潤滑添加劑改善潤滑性能的機理歸納如下:(1)二維平面結構使石墨烯極易進入摩擦副之間的接觸面形成物理吸附膜，從而增強潤滑效果，減小摩擦;(2)繼續反覆摩擦使物理吸附膜的完整性被破壞，失去連續性的石墨烯潤滑薄膜、液體潤滑劑在摩擦副的高溫表面發生化學反應形成了新的薄膜，提高了潤滑材料的承載抗磨能力。
目前已有科研人員基於石墨烯潤滑添加劑增強效應原理，在傳統空間潤滑劑中添加石墨烯獲得高承載力和低摩擦因數的複合空間潤滑材料。如蒲吉斌、薛群基團隊已發展了應用於空間環境的新型(DLC /IL /Gr)類金剛石/離子液體/石墨烯複合潤滑材料.
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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，而本徵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複合熱電材料。
目前國內已開展通過添加石墨烯來提高複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納米複合粉體，並通過靜電吸附、燒結製備的塊體納米複合熱電材料在400 K 時ZT max =0. 73，表明石墨烯複合材料熱電性能優良。FENG利用化學法及燒結技術製備了石墨烯/CoSb3複合熱電材料在800 K 時其ZTmax = 0． 6，相比純CoSb3其熱電轉換能力提高了1.3 倍。DONG 等用化學法製備的PbTe /石墨烯複合熱電材料較純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，且已被成功應用於美國宇航局發射的「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 在航天氣體感測器中的應用
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感測器敏感材料具有極大的應用潛力，這是由於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，來研發用於檢測低軌空間環境氣體成分及其變化的感測器，如測量原子氧濃度的氣體感測器。
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，如常見的聚醯亞胺薄膜材料被原子氧氧化後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1015atom /( cm2·s) 量級，並以約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，研發出用於測量低地球軌道中原子氧濃度的石墨烯感測器，同時還可將這種輕小、低耗能的石墨烯感測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:鑒於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，製備具有優異抗靜電、高強度性能的航天服，如石墨烯功能複合纖維，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製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，則可用於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迴路上的冷凝器散熱材料使用。
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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複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、對電極材料應用於太陽能電池中，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製備的新型類金剛石/離子液體/石墨烯複合空間潤滑材料，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、氣體感測器、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。石墨烯在航天領域應用進展，劉宇、劉勇、左春艷、董尚利、張雪峰(哈爾濱工業大學，材料科學與工程學院，哈爾濱150001)
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