碳纳米管在航天器上的研究与应用

碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）又名巴基管，属富勒烯系，是一种具有优良光、电、热、磁和力学性能的材料。最早是由日本电子公司（NEC）的饭岛澄男（S.Iijima）博士采用电弧放电法制备C60时，在阴极处发现直径4-30nm、长1μm的石墨管状结构，即碳纳米管，随后在Nature上报道了这种新型碳材料。近年来，碳纳米管以其优异的性能得到了广泛的关注，并形成了碳纳米管研究的热潮。

碳纳米管在航天器上的研究与应用

当前，碳纳米管的应用思路主要有三类：第一类是结构增强，第二类是轻质导电，第三类是高效热管理。具体而言，碳纳米管在增强材料、电极材料、滤膜以及催化剂载体等方面具有较高的实用性。碳纳米管纤维在天线、数据电缆导体、多功能织物、高频数据/模拟和射频等领域具有广泛的应用前景。另外，采用碳纳米管纤维增强的聚合物材料(CNRP)在辐射防护、静电防护、碎片防护以及涂层热防护等方面具有显著的作用。

1、增强结构

碳纳米管轻质高强以及高长径比的特性使其在航天器结构领域展现出巨大的应用前景。碳纳米管分散物对于金属、陶瓷、聚合物等材料都具有较好的增强作用。研究表明，当在聚苯乙烯中添加质量分数为1%的多壁碳纳米管时，材料的弹性模量提高了36%～42%，与此同时强度提高了25%。在复合材料中加入碳纳米管除了可增加材料的拉伸强度外，还可以降低材料的热膨胀系数，减小材料因高低温引起的变形，这对于具有高精度指向要求的卫星天线非常适用。

2、轻质导电

金属性碳纳米管所具有的导电性与载流容量远超过银、铜、铝等金属，其导热性能超高，热交换能力优异，并且化学稳定性高、耐酸碱腐蚀、受环境的影响小。这些突出的性能满足了导电线芯的性能要求，使得碳纳米管极有可能取代铜、铝等成为下一代新型导电材料。使用轻质、小直径的碳纳米管电线取代传统的铜线，可以大幅减少卫星电能分配系统的质量。而同时碳纳米管电线耐腐蚀，比铜线具有更好的柔韧性，因此是一种更加耐久和安全的电线，对于具有大幅展开机构的卫星电能输运具有重大的意义。

3、轻质热管理材料

碳纳米管材料热质量和比热容均极低，在相同的发热量下，碳纳米管电热元件能达到的温度要比传统电热元件高，另一方面碳纳米管材料导热性能又很好，甚至比金刚石更加优异，因而在卫星的热控系统中表现出良好的应用前景。