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Adamant公司最近領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)歐空局項(xiàng)目旨在成熟納米材料增強(qiáng)的碳纖維增強(qiáng)塑料，用于制造更輕重量、更導(dǎo)熱和更導(dǎo)電的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料。
HITEC項(xiàng)目旨在成熟材料和制造技術(shù)，生產(chǎn)用于衛(wèi)星等空間結(jié)構(gòu)的熱和電優(yōu)化、納米材料增強(qiáng)的碳纖維復(fù)合夾芯板。石墨烯增強(qiáng)預(yù)浸料和粘合劑都是在項(xiàng)目期間開(kāi)發(fā)、使用和測(cè)試的。
Adamant 復(fù)合材料有限公司（希臘帕特拉斯）成立于2012 年，旨在將納米材料增強(qiáng)復(fù)合材料的學(xué)術(shù)研究轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。最近，這項(xiàng)工作包括一個(gè)無(wú)內(nèi)襯液氧（LOX- linerless liquid oxygen）罐（見(jiàn)第二篇短文介紹），以及與石墨烯生產(chǎn)商 Levidian（英國(guó)劍橋）合作開(kāi)發(fā)新的石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品。
Adamant 復(fù)合材料公司最近還與歐洲航天局（歐空局，法國(guó)巴黎）的材料和工藝部門(mén)合作開(kāi)展了一項(xiàng)為期3.5年的研究項(xiàng)目，旨在使納米材料和石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)成熟，用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的鑒定。
設(shè)計(jì)衛(wèi)星等空間結(jié)構(gòu)的一個(gè)挑戰(zhàn)是，在太空中，溫度條件變化很大。例如，在任何給定的時(shí)間，衛(wèi)星表面的一部分都可能受到炎熱、直射的陽(yáng)光的照射，而另一半則指向遠(yuǎn)離太陽(yáng)的地方，受到寒冷、無(wú)空氣的陰影的照射。太空的真空也是高度絕緣的，這可能導(dǎo)致衛(wèi)星表面潛在的破壞性電荷積聚。
傳統(tǒng)上，衛(wèi)星是由導(dǎo)電金屬制成的，但隨著這些材料被更堅(jiān)固、重量更輕、導(dǎo)電性更低的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）材料取代，熱或電積聚的可能性變得更大，這可能導(dǎo)致表面屈曲、翹曲等損壞。
因此，為了保護(hù)衛(wèi)星表面和內(nèi)部設(shè)備，需要采取措施，通過(guò)在表面和整個(gè)部件上更均勻地散發(fā)熱量和電力，最大限度地減少積聚。目前有幾種解決方案，例如增加導(dǎo)熱金屬管、電線(xiàn)或帶，在衛(wèi)星表面提供導(dǎo)電路徑。然而，這些增加了零件的額外重量和材料，最大限度地減少了改用 CFRP的優(yōu)勢(shì)。
在始于2019年并于2022年秋季結(jié)束的高導(dǎo)熱和導(dǎo)電結(jié)合的太空材料（HITEC- High Thermal and Electrical Conductive Bonding Materials for Space）項(xiàng)目中，Adamant公司和ESA試圖在不使用額外導(dǎo)電工具的情況下調(diào)整復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以?xún)?yōu)化導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。
納米材料的類(lèi)型和定義
在Adamant公司先前進(jìn)行的基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上，決定將增強(qiáng) CFRP 面板的導(dǎo)熱和導(dǎo)電納米材料作為一種潛在的解決方案進(jìn)行研究。使用石墨烯或類(lèi)似納米材料的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，少量的添加劑可以顯著提高某些所需的性能，從而可以減少零件中的其他材料，從而節(jié)省整體重量。
在HITEC項(xiàng)目中，Adamant公司幫助開(kāi)發(fā)了種石墨烯增強(qiáng)的導(dǎo)電粘合劑，用于將金屬硬件粘合到復(fù)合材料面板上。該粘合劑現(xiàn)在由Adamant配制并以FXbond的形式出售。
在歐空局的支持下，該項(xiàng)目旨在評(píng)估碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸材料和粘合劑中納米材料的使用情況，該粘合劑用于連接結(jié)構(gòu)部件和連接機(jī)載電子設(shè)備，用于制造小型衛(wèi)星原型板。粘合劑中使用了石墨烯，并在預(yù)浸料中添加了另一種專(zhuān)有的導(dǎo)電納米材料。
Adamant 公司的商業(yè)總監(jiān) Athanasios Baltopoulos解釋道：“最初的想法是展示太空面板的全生命周期設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)到加工再到測(cè)試，包括石墨烯等新材料。”“目標(biāo)是將碳纖維增強(qiáng)塑料和石墨烯粘合劑的技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL- readiness level ） 提高到6，這意味著它有資格參與發(fā)射應(yīng)用。”
Adamant 公司設(shè)計(jì)和制造了面板，帕特拉斯大學(xué)（希臘）的應(yīng)用機(jī)械實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了材料級(jí)測(cè)試，BeyondGravity（德國(guó)德累斯頓）進(jìn)行了零件級(jí)測(cè)試。
首先，面板是通過(guò)有限元分析（FEA- finite element analysis）建模設(shè)計(jì)的，以幫助理解基于負(fù)載、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性要求的所需材料組成。
制造了兩塊 0.5×1 米、22 毫米厚的 CFRP 和鋁蜂窩夾芯板，用于在真空下使用手工鋪層和熱壓罐固化進(jìn)行測(cè)試——一塊具有納米材料增強(qiáng)，另一塊沒(méi)有用于比較。然后在每個(gè)面板上鉆孔，并使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的石墨烯增強(qiáng)粘合劑安裝金屬插件。
作為質(zhì)量控制，Adamant公司使用激光跟蹤來(lái)評(píng)估面板的平整度，并使用錘擊測(cè)試技術(shù)來(lái)評(píng)估諧振頻率，并將結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。這些面板進(jìn)一步接受了各種測(cè)試。例如，IMA Materials Research and Application Technology GmbH 進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試以模擬發(fā)射條件，Beyond Gravity GmbH 在真空下進(jìn)行了熱
循環(huán)以測(cè)試類(lèi)似太空條件下的強(qiáng)度和耐久性。
在測(cè)試過(guò)程中，將熱傳感器放置在CFRP 蒙皮上，以跟蹤不同溫度（-22°C、-30°C 和 60°C）下的溫度分布。除了對(duì)面板本身進(jìn)行測(cè)試外，還使用 X 射線(xiàn)斷層掃描來(lái)評(píng)估灌封質(zhì)量。
材料增強(qiáng)和無(wú)石墨烯測(cè)試板分別在材料和零件進(jìn)行了測(cè)試，包括模擬衛(wèi)星發(fā)射的振動(dòng)測(cè)試
結(jié)果如何？與標(biāo)準(zhǔn)CFRP面板相比，納米材料增強(qiáng)顯著提高了電導(dǎo)率，并通過(guò)將面板厚度的熱梯度降低高達(dá)64%來(lái)促進(jìn)熱傳播。熱量通過(guò)頂部和底部表皮均勻散發(fā)，而不是在一個(gè)區(qū)域積聚。此外，通過(guò)振動(dòng)和熱循環(huán)測(cè)試，面板可以保持所需的結(jié)構(gòu)性能。
如果在實(shí)際的商業(yè)項(xiàng)目中用于空間用途，可以進(jìn)一步重新設(shè)計(jì)零件，以去除額外的導(dǎo)電元件，從而實(shí)現(xiàn)更輕、更緊湊的組件。在為該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)材料后，Adamant公司現(xiàn)在提供了一條名為FXply的納米材料增強(qiáng)CFRP預(yù)浸料產(chǎn)品線(xiàn)，該公司在商用預(yù)浸料材料中添加了不同種類(lèi)的納米材料，以及石墨烯增強(qiáng)粘合劑產(chǎn)品FXbond。
Adamant復(fù)合材料 HITEC 歐洲航天局（ESA）納米復(fù)合材料項(xiàng)目HITEC項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從有限元分析建模（左上）開(kāi)始，該建模為納米材料增強(qiáng)CFRP和鋁蜂窩夾芯板的鋪設(shè)提供了信息。在這些孔中鉆孔，并使用石墨烯增強(qiáng)粘合劑安裝金屬插件（右上角）。然后執(zhí)行各種測(cè)試方法，例如 x 射線(xiàn)斷層掃描和通過(guò)熱傳感器（左下）
Adamant 公司的材料和工藝工程師Nicolas Blasakis表示：“我們以前就開(kāi)始研究這些產(chǎn)品，但通過(guò)HITEC，我們真正將工藝和產(chǎn)品成熟為可重復(fù)和可太空使用的產(chǎn)品。”“我們?cè)O(shè)想將這些產(chǎn)品用于太陽(yáng)能電池陣列、衛(wèi)星和其他太空應(yīng)用。”
未來(lái)的研究將繼續(xù)評(píng)估這些材料如何單獨(dú)使用，以及如何與其他導(dǎo)電材料一起使用，最終實(shí)現(xiàn)更輕、更強(qiáng)的太空組件。Baltopoulos 說(shuō)，最終，“目標(biāo)是讓它們?cè)谲壍郎线M(jìn)行演示和驗(yàn)證，在真實(shí)的太空環(huán)境中測(cè)試這些材料的能力”，并指出Adamant公司正在尋找合作伙伴和機(jī)會(huì)，繼續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展這些工作。