石墨烯在航空航天领域的应用

众所周知，太空环境是由极端温度、真空、微流星体和太空碎片等要素构成，暴露在这些恶劣环境下的航天器系统表面由于原子氧的存在而极易产生破损。

因此，高强度和刚度的先进材料使20世纪的月球探索成为可能，而人类探索火星和更远的目的地则需要新一代的工程材料。

石墨烯结构由单层厚度的六方晶格碳原子组成，具有高强度、高刚度、低密度、高电导率和热导率等特性，以石墨烯为基础的先进纳米材料在航空工业中得到了广泛认可和应用。

石墨烯基复合材料应用于航空航天工业，能有效提高材料强度，减轻重量，从而减少燃料消耗，最终实现更清洁的生态环境。

一、复合推进剂

目前，石墨烯已经可以应用于复合推进剂领域，主要用于提高推进剂的热分解、导热以及力学性能。

其中，研究最多的就是复合固体推进剂含能组分的热分解。分解速率的提升对于提高推进剂的燃烧性能至关重要，而热分解又主要依赖于催化剂体系。

传统上，广泛使用的催化剂主要是一些过渡金属及其氧化物，它们的催化能力依赖于暴露出来的金属活性位点的数量，然而其往往容易发生团聚，降低催化活性。为克服这一问题，纳米碳材料已经被广泛作为催化剂载体，以抑制催化剂颗粒的团聚，提高其催化能力。

复合固体推进剂的导热问题是导弹、火箭系统安全性与可靠性研究中的重要问题。一方面，由于推进剂不可避免地需要承受极端恶劣和复杂的温度环境，温度的变化很容易导致内部应力的产生。另一方面，热导率对推进剂的点火和燃烧性能具有关键性的作用。以高分子粘结剂为基体的复合固体推进剂热导率通常较低，这使得其在承受大幅度温度冲击时，热量无法快速传递，导致装药内部温度分布不均匀或呈梯度分布，进而产生严重的内部热应力，直接引起内部裂纹甚至结构破坏。

二、热管理

目前，石墨烯纳米材料正被纳入各种航天热防护材料和热管理，以提高在各种气或热流动条件下热稳定性和机械完整性的极限。

由于具有良好的加工工艺等性能，树脂一直被广泛应用于耐烧蚀材料的主要基体。随着航空工业的发展，对复合材料基体的耐热性和烧蚀性能提出了更高的要求。

石墨烯因其独特的结构，表现出优异的热稳定性能、力学性能、导电性能等特点，是制备先进复合材料的理想增强体，可进一步改善烧蚀材料的性能。这些复合材料可用于高超声速飞行器前缘的热保护系统、火箭喷管和固体发动机的内部绝缘以及导弹发射设施结构。

三、电极材料

目前，小型化、自动化、以功能为中心的设备快速发展，使星际任务和近地空间探索地实现更近一步。先进纳米结构材料地引入，促进了全球智能多样化的平台在电力、仪器和通信方面取得进步。然而，目前仍缺乏高效可靠的推力系统，能够在长期部署期间支持小型卫星和立方体卫星的精确机动。

此外，航空和空间系统需要可靠的电力生产、存储和传输，无论是短期还是长期活动，现有的能源系统正在被纳米材料创新所取代或补充，以石墨烯为基础的更好的工程纳米材料正在不断改进。

离子推进器阴极的关键挑战在于减少或完全消除阴极的推进剂消耗，显著提高阴极的使用寿命，以及减少白炽部分的热损失。通过使用纳米多孔材料、纳米管和石墨烯，可以确保减少气体消耗。

这个问题的最佳解决方案是通过使用高发射材料和表面结构完全消除通过阴极的气体通量。垂直排列的石墨烯薄片显著提高推进器的效率，作为无推进剂体系下的良好候选者而备受关注。