Adamant公司最近领导的一个欧空局项目旨在成熟纳米材料增强的碳纤维增强塑料，用于制造更轻重量、更导热和更导电的卫星结构材料。

HITEC项目旨在成熟材料和制造技术，生产用于卫星等空间结构的热和电优化、纳米材料增强的碳纤维复合夹芯板。石墨烯增强预浸料和粘合剂都是在项目期间开发、使用和测试的。

 

Adamant 复合材料有限公司（希腊帕特拉斯）成立于2012 年，旨在将纳米材料增强复合材料的学术研究转化为现实应用。最近，这项工作包括一个无内衬液氧（LOX- linerless liquid oxygen）罐（见第二篇短文介绍），以及与石墨烯生产商 Levidian（英国剑桥）合作开发新的石墨烯增强复合材料产品。

 

Adamant 复合材料公司最近还与欧洲航天局（欧空局，法国巴黎）的材料和工艺部门合作开展了一项为期3.5年的研究项目，旨在使纳米材料和石墨烯增强复合材料技术成熟，用于卫星结构的鉴定。

 

设计卫星等空间结构的一个挑战是，在太空中，温度条件变化很大。例如，在任何给定的时间，卫星表面的一部分都可能受到炎热、直射的阳光的照射，而另一半则指向远离太阳的地方，受到寒冷、无空气的阴影的照射。太空的真空也是高度绝缘的，这可能导致卫星表面潜在的破坏性电荷积聚。

 

传统上，卫星是由导电金属制成的，但随着这些材料被更坚固、重量更轻、导电性更低的碳纤维增强聚合物（CFRP）材料取代，热或电积聚的可能性变得更大，这可能导致表面屈曲、翘曲等损坏。

 

因此，为了保护卫星表面和内部设备，需要采取措施，通过在表面和整个部件上更均匀地散发热量和电力，最大限度地减少积聚。目前有几种解决方案，例如增加导热金属管、电线或带，在卫星表面提供导电路径。然而，这些增加了零件的额外重量和材料，最大限度地减少了改用 CFRP的优势。

 

在始于2019年并于2022年秋季结束的高导热和导电结合的太空材料（HITEC- High Thermal and Electrical Conductive Bonding Materials for Space）项目中，Adamant公司和ESA试图在不使用额外导电工具的情况下调整复合材料结构，以优化导热和导电性。

纳米材料的类型和定义

在Adamant公司先前进行的基础研究的基础上，决定将增强 CFRP 面板的导热和导电纳米材料作为一种潜在的解决方案进行研究。使用石墨烯或类似纳米材料的一个优点是，少量的添加剂可以显著提高某些所需的性能，从而可以减少零件中的其他材料，从而节省整体重量。

在HITEC项目中，Adamant公司帮助开发了种石墨烯增强的导电粘合剂，用于将金属硬件粘合到复合材料面板上。该粘合剂现在由Adamant配制并以FXbond的形式出售。

 

在欧空局的支持下，该项目旨在评估碳纤维/环氧树脂预浸材料和粘合剂中纳米材料的使用情况，该粘合剂用于连接结构部件和连接机载电子设备，用于制造小型卫星原型板。粘合剂中使用了石墨烯，并在预浸料中添加了另一种专有的导电纳米材料。

 

Adamant 公司的商业总监 Athanasios Baltopoulos解释道：“最初的想法是展示太空面板的全生命周期设计，从设计到加工再到测试，包括石墨烯等新材料。”“目标是将碳纤维增强塑料和石墨烯粘合剂的技术准备水平（TRL- readiness level ） 提高到6，这意味着它有资格参与发射应用。”

 

Adamant 公司设计和制造了面板，帕特拉斯大学（希腊）的应用机械实验室进行了材料级测试，BeyondGravity（德国德累斯顿）进行了零件级测试。

 

首先，面板是通过有限元分析（FEA- finite element analysis）建模设计的，以帮助理解基于负载、导热性和导电性要求的所需材料组成。

 

制造了两块 0.5×1 米、22 毫米厚的 CFRP 和铝蜂窝夹芯板，用于在真空下使用手工铺层和热压罐固化进行测试——一块具有纳米材料增强，另一块没有用于比较。然后在每个面板上钻孔，并使用专门设计的石墨烯增强粘合剂安装金属插件。

 

作为质量控制，Adamant公司使用激光跟踪来评估面板的平整度，并使用锤击测试技术来评估谐振频率，并将结果与模拟结果进行比较。这些面板进一步接受了各种测试。例如，IMA Materials Research and Application Technology GmbH 进行了振动测试以模拟发射条件，Beyond Gravity GmbH 在真空下进行了热

循环以测试类似太空条件下的强度和耐久性。

 

在测试过程中，将热传感器放置在CFRP 蒙皮上，以跟踪不同温度（-22°C、-30°C 和 60°C）下的温度分布。除了对面板本身进行测试外，还使用 X 射线断层扫描来评估灌封质量。

材料增强和无石墨烯测试板分别在材料和零件进行了测试，包括模拟卫星发射的振动测试

 

结果如何？与标准CFRP面板相比，纳米材料增强显著提高了电导率，并通过将面板厚度的热梯度降低高达64%来促进热传播。热量通过顶部和底部表皮均匀散发，而不是在一个区域积聚。此外，通过振动和热循环测试，面板可以保持所需的结构性能。

 

如果在实际的商业项目中用于空间用途，可以进一步重新设计零件，以去除额外的导电元件，从而实现更轻、更紧凑的组件。在为该项目开发材料后，Adamant公司现在提供了一条名为FXply的纳米材料增强CFRP预浸料产品线，该公司在商用预浸料材料中添加了不同种类的纳米材料，以及石墨烯增强粘合剂产品FXbond。

Adamant复合材料 HITEC 欧洲航天局（ESA）纳米复合材料项目HITEC项目团队从有限元分析建模（左上）开始，该建模为纳米材料增强CFRP和铝蜂窝夹芯板的铺设提供了信息。在这些孔中钻孔，并使用石墨烯增强粘合剂安装金属插件（右上角）。然后执行各种测试方法，例如 x 射线断层扫描和通过热传感器（左下）

 

Adamant 公司的材料和工艺工程师Nicolas Blasakis表示：“我们以前就开始研究这些产品，但通过HITEC，我们真正将工艺和产品成熟为可重复和可太空使用的产品。”“我们设想将这些产品用于太阳能电池阵列、卫星和其他太空应用。”

 

未来的研究将继续评估这些材料如何单独使用，以及如何与其他导电材料一起使用，最终实现更轻、更强的太空组件。Baltopoulos 说，最终，“目标是让它们在轨道上进行演示和验证，在真实的太空环境中测试这些材料的能力”，并指出Adamant公司正在寻找合作伙伴和机会，继续进一步开展这些工作。