碳纳米管：航天器轻量化的关键材料

碳纳米管：航天器轻量化的关键材料

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人民网

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来源

1.

http://sz.people.com.cn/n2/2024/0716/c202846-40913949.html

2.

https://www.opticsjournal.net/Articles/OJc9444d99ff727304/FullText

3.

https://www.aibang.com/a/19888

4.

https://www.businessresearchinsights.com/zh/market-reports/carbon-nanotube-cnt-conductive-paste-market-104483

5.

https://www.malvernpanalytical.com.cn/learn/knowledge-center/insights/the-applications-of-carbon-nanotubes

6.

https://news.sjtu.edu.cn/jdyw/20241202/204871.html

7.

https://www.forwardpathway.com/169819

8.

https://tuball.cn/

在航天领域，材料的选择至关重要。碳纳米管，这种被誉为“超级纤维”的新材料，以其惊人的性能正在引领航天器轻量化革命。其强度是钢的100倍，而密度仅为钢的1/6，这种优异的性能使其成为航天器结构材料的理想选择。

碳纳米管是一种一维纳米材料，由碳原子以sp2杂化轨道形成六边形结构，具有独特的力学、热学和电学性能。其主要特性包括：

• 高强度：碳纳米管的抗拉强度高达200 GPa，是钢的100倍。
• 轻质：密度仅为1.8 g/cm³，约为钢的1/6。
• 高导电性：电导率高达108 S/m，是铜的1万倍。
• 高热导率：常温下热导率超过3000 W/(m·K)，远超其他金属材料。
• 柔韧性：即使在外力超过强度极限时也不会断裂，而是弯曲变形，外力释放后能恢复原状。

在航天领域，每减轻1公斤重量，就能节省数万美元的发射成本。因此，轻量化是航天器设计的核心目标之一。目前，航天器轻量化的主要方法包括：

• 采用轻质高强度材料
• 优化结构设计
• 使用一体化成型技术

碳纳米管增强铝合金复合材料

上海航天的研究团队采用叠片粉末冶金与合金化方法，制备了质量分数为1.5%的CNT/2A12复合材料。研究发现，在130℃时效6-14小时的条件下，这种复合材料展现出优异的力学性能和阻尼性能。具体表现为：

• 最高抗拉强度可达595 MPa（时效12小时）
• 最大延伸率为14.0%（时效8小时）
• 在0-180℃范围内阻尼值稳定在0.005左右
• 180-300℃时阻尼值显著提升至0.05

这种兼具高强度和阻尼性能的复合材料，为航天器结构设计提供了新的选择。

航天器结构件应用

碳纳米管复合材料已经应用于航天器的多个部件，包括：

• 太阳能电池板支架：利用碳纳米管的高比强度和轻质特性，可以显著减轻支架重量，同时保持足够的强度。
• 卫星天线：碳纳米管复合材料的高刚度和轻量化特性，使其成为卫星天线的理想材料。
• 火箭发动机喷管：碳纳米管的耐高温和高强度特性，使其在火箭发动机喷管中得到应用。

尽管碳纳米管在航天器轻量化中的应用前景广阔，但仍面临一些挑战：

• 成本问题：目前碳纳米管的制备成本较高，限制了其大规模应用。
• 工艺成熟度：碳纳米管复合材料的制备工艺仍需进一步优化，以提高生产效率和产品质量。
• 标准化问题：缺乏统一的行业标准，影响了碳纳米管复合材料的推广应用。

随着技术的进步和成本的降低，碳纳米管有望在未来的航天器设计中发挥更加重要的作用，推动航天器向更轻、更强、更智能的方向发展。