Adamant公司最近領導的一個歐空局項目旨在成熟納米材料增強的碳纖維增強塑料，用于制造更輕重量、更導熱和更導電的衛星結構材料。

HITEC項目旨在成熟材料和制造技術，生產用于衛星等空間結構的熱和電優化、納米材料增強的碳纖維復合夾芯板。石墨烯增強預浸料和粘合劑都是在項目期間開發、使用和測試的。

 

Adamant 復合材料有限公司（希臘帕特拉斯）成立于2012 年，旨在將納米材料增強復合材料的學術研究轉化為現實應用。最近，這項工作包括一個無內襯液氧（LOX- linerless liquid oxygen）罐（見第二篇短文介紹），以及與石墨烯生產商 Levidian（英國劍橋）合作開發新的石墨烯增強復合材料產品。

 

Adamant 復合材料公司最近還與歐洲航天局（歐空局，法國巴黎）的材料和工藝部門合作開展了一項為期3.5年的研究項目，旨在使納米材料和石墨烯增強復合材料技術成熟，用于衛星結構的鑒定。

 

設計衛星等空間結構的一個挑戰是，在太空中，溫度條件變化很大。例如，在任何給定的時間，衛星表面的一部分都可能受到炎熱、直射的陽光的照射，而另一半則指向遠離太陽的地方，受到寒冷、無空氣的陰影的照射。太空的真空也是高度絕緣的，這可能導致衛星表面潛在的破壞性電荷積聚。

 

傳統上，衛星是由導電金屬制成的，但隨著這些材料被更堅固、重量更輕、導電性更低的碳纖維增強聚合物（CFRP）材料取代，熱或電積聚的可能性變得更大，這可能導致表面屈曲、翹曲等損壞。

 

因此，為了保護衛星表面和內部設備，需要采取措施，通過在表面和整個部件上更均勻地散發熱量和電力，最大限度地減少積聚。目前有幾種解決方案，例如增加導熱金屬管、電線或帶，在衛星表面提供導電路徑。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的優勢。

 

在始于2019年并于2022年秋季結束的高導熱和導電結合的太空材料（HITEC- High Thermal and Electrical Conductive Bonding Materials for Space）項目中，Adamant公司和ESA試圖在不使用額外導電工具的情況下調整復合材料結構，以優化導熱和導電性。

納米材料的類型和定義

在Adamant公司先前進行的基礎研究的基礎上，決定將增強 CFRP 面板的導熱和導電納米材料作為一種潛在的解決方案進行研究。使用石墨烯或類似納米材料的一個優點是，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，從而節省整體重量。

在HITEC項目中，Adamant公司幫助開發了種石墨烯增強的導電粘合劑，用于將金屬硬件粘合到復合材料面板上。該粘合劑現在由Adamant配制并以FXbond的形式出售。

 

在歐空局的支持下，該項目旨在評估碳纖維/環氧樹脂預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構部件和連接機載電子設備，用于制造小型衛星原型板。粘合劑中使用了石墨烯，并在預浸料中添加了另一種專有的導電納米材料。

 

Adamant 公司的商業總監 Athanasios Baltopoulos解釋道：“最初的想法是展示太空面板的全生命周期設計，從設計到加工再到測試，包括石墨烯等新材料。”“目標是將碳纖維增強塑料和石墨烯粘合劑的技術準備水平（TRL- readiness level ） 提高到6，這意味著它有資格參與發射應用。”

 

Adamant 公司設計和制造了面板，帕特拉斯大學（希臘）的應用機械實驗室進行了材料級測試，BeyondGravity（德國德累斯頓）進行了零件級測試。

 

首先，面板是通過有限元分析（FEA- finite element analysis）建模設計的，以幫助理解基于負載、導熱性和導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行測試——一塊具有納米材料增強，另一塊沒有用于比較。然后在每個面板上鉆孔，并使用專門設計的石墨烯增強粘合劑安裝金屬插件。

 

作為質量控制，Adamant公司使用激光跟蹤來評估面板的平整度，并使用錘擊測試技術來評估諧振頻率，并將結果與模擬結果進行比較。這些面板進一步接受了各種測試。例如，IMA Materials Research and Application Technology GmbH 進行了振動測試以模擬發射條件，Beyond Gravity GmbH 在真空下進行了熱

循環以測試類似太空條件下的強度和耐久性。

 

在測試過程中，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。除了對面板本身進行測試外，還使用 X 射線斷層掃描來評估灌封質量。

材料增強和無石墨烯測試板分別在材料和零件進行了測試，包括模擬衛星發射的振動測試

 

結果如何？與標準CFRP面板相比，納米材料增強顯著提高了電導率，并通過將面板厚度的熱梯度降低高達64%來促進熱傳播。熱量通過頂部和底部表皮均勻散發，而不是在一個區域積聚。此外，通過振動和熱循環測試，面板可以保持所需的結構性能。

 

如果在實際的商業項目中用于空間用途，可以進一步重新設計零件，以去除額外的導電元件，從而實現更輕、更緊湊的組件。在為該項目開發材料后，Adamant公司現在提供了一條名為FXply的納米材料增強CFRP預浸料產品線，該公司在商用預浸料材料中添加了不同種類的納米材料，以及石墨烯增強粘合劑產品FXbond。

Adamant復合材料 HITEC 歐洲航天局（ESA）納米復合材料項目HITEC項目團隊從有限元分析建模（左上）開始，該建模為納米材料增強CFRP和鋁蜂窩夾芯板的鋪設提供了信息。在這些孔中鉆孔，并使用石墨烯增強粘合劑安裝金屬插件（右上角）。然后執行各種測試方法，例如 x 射線斷層掃描和通過熱傳感器（左下）

 

Adamant 公司的材料和工藝工程師Nicolas Blasakis表示：“我們以前就開始研究這些產品，但通過HITEC，我們真正將工藝和產品成熟為可重復和可太空使用的產品。”“我們設想將這些產品用于太陽能電池陣列、衛星和其他太空應用。”

 

未來的研究將繼續評估這些材料如何單獨使用，以及如何與其他導電材料一起使用，最終實現更輕、更強的太空組件。Baltopoulos 說，最終，“目標是讓它們在軌道上進行演示和驗證，在真實的太空環境中測試這些材料的能力”，并指出Adamant公司正在尋找合作伙伴和機會，繼續進一步開展這些工作。