太空环境由极端温度、真空、微流星体、太空碎片和太阳黑子活动引起的大变化组成。航天器和航天系统的设计和建造很大程度上依赖于这些参数。暴露在这些恶劣环境下的系统表面由于原子氧的存在而产生破损。因此，高强度和刚度的先进工程材料使20世纪的月球探索时代成为可能，人类探索火星和更远的目的地将需要新一代的材料。

20多年来，在纳米尺度(一维小于100nm)合成和加工材料的独特性能吸引了各行各业的关注，这些特性包括大表面积、高纵横比、高各向异性、可定制的电导率和导热系数以及独特的光学特性等。这些特性可用于制备高强度、轻量化和多功能结构、新颖的传感器以及具有高度可靠的环境控制能力、能够屏蔽辐射的储能系统。可持续技术改进的交织性质使纳米材料成为航空航天应用的理想材料。

纳米材料可以集成到复杂的航空几何结构中，减少制造技术中的废物产生。这也可用于轻量化和无需耗时维护的机身和结构的设计。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、高电导率和导热率。石墨烯具有高的载流子传输速率，表现出比铜导体好的导电性，比硅半导体更好的材料。石墨烯基复合材料应用于航空航天工业，能有效地减轻重量，提高材料强度，从而减少排放，减少燃料消耗，最终实现更绿色和更清洁的环境。以石墨烯为基础的先进纳米材料在航空工业中，得到了广泛的认可和应用。本文主要从以下三方面进行综述: （1）简述石墨烯结构及其性能特征；（2）主要介绍石墨烯在空天推进和动力领域的热门应用方向，例如复合推进剂，热管理，电极材料，光帆材料等方面；（3）石墨烯未来在空天领域的应用前景和挑战。

一、石墨烯结构及其特性

石墨烯由单原子厚度的sp₂杂化碳原子同素异形体组成，呈二维(2D)平面蜂窝状晶格。也是构成石墨、碳纳米管、富勒烯等多种碳的同素异形体的基本单元。如图1所示，具有二维碳原子结构的石墨烯，可以通过堆叠形成三维的石墨，也可通过卷曲形成一维的碳纳米管，或者通过包裹形成零维的富勒烯。

图4（a）石墨烯海绵在激光照射下向上推进和光致旋转示意图；（b）帆在激光照射下的垂直位移，显示了帆在微重力和真空中的不同位置(侧视图)：释放后(左)和在450nm、100mW的激光下加速350ms后（右） 。

（五）其他领域

由于太空环境由极端温度、真空、太空碎片和太阳黑子活动引起的大变化构成，那么先进的纳米复合材料被用于航空航天飞机结构和太空环境恶劣气候的涂层以及微电子系统的开发就变得非常的有意义。石墨烯霍尔效应传感器具有低热漂移，适用于航空航天应用的电力电子模块中的电流实时监测，可在高达500K的温度下工作。随着温度的升高，临界电子性质的变化，特别是载流子浓度和载流子迁移率的变化，这些参数是受实现传感器的石墨烯层狄拉克点Dirac点所独特影响的。利用门控优化石墨烯霍尔传感器可以实现低温度系数下的高灵敏度霍尔效应测量。此外，在其他星球上的生境开发受到多种标准的制约，其中之一就是空间碎片的撞击破坏。

Kuzhir在纳米级厚度的铜催化剂膜和介质SiO₂基底之间通过催化化学气相沉积工艺合成Ka波段多层石墨烯薄膜，石墨烯薄膜的厚度由原子力显微镜直接表征，仅显示了样品上纳米级的小波动。所研究的薄膜厚度不超过5nm，且有一定的粗糙度。石墨烯只有千分之一的皮肤深度，吸收损耗造成的电磁屏蔽效率非常高，达到35%~43%的入射功率水平上。制造的石墨烯薄膜在室温下具有高度的导电性，在可见的范围内具有非常高的透明性，并具有非常好的热学和力学性能，可能成为制造纳米级厚度的电磁干扰防护涂层的有趣的技术材料。此外，特殊的三维导电链结构对轻质，柔性的导电纳米复合材料具有很强的吸引力，尤其是在降低材料的制造价格和良好的加工性能方面。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料通过将石墨烯排列成仿珍珠层状序列三维结构，在石墨烯含量不足的情况下表现出更高的力学性能、各向异性电导率和优越的电磁辐射屏蔽效率。掺杂0.4%质量分数的导电颗粒电磁辐射屏蔽效率达到42dB，沿排列方向的电导率为32S/m。在2500 ℃下热处理气凝胶后，聚合物纳米复合材料的电磁辐射屏蔽效率和电导率分别变化为65dB和0.5S/m。在0.15%的超低浓度，热处理温度800℃条件下，其电磁辐射屏蔽效率可达25dB。表明各向异性石墨烯/PDMS层板在超低石墨烯含量下通过结构调控获得了更高的电磁屏蔽效率。

环境控制和生命支持系统技术是纳米材料的沃土，长期的人类太空探索带来了最大的挑战。无论是在相对安全的低地球轨道内的短期任务，还是艰难的长期任务，如前往遥远的星球。可靠的空气、水和食物供应；废物管理系统；功能性的可居住空间都是必不可少的。包括在国际空间站上的低轨道运行，已经为生命支撑技术提供了一个有用的试验场，随着航天国家为前往火星等目的地的长期任务做准备，在低轨道运行中测试技术被认为是一项重要的指标。目前的生命支撑技术的可靠性和性能相对较差，需要采用高比表面积和导电纳米材料作为提高系统整体性能的途径之一。

碳纳米管仲胺功能化以实现二氧化碳去除，这是生命支持技术不可或缺的功能，并解决当前系统的局限性，包括可再生性和高功耗。在最好的条件下，水的净化和回收是具有挑战性的，但微重力环境的增加和多年耐用性的必要性推动了基于纳米材料的水过滤系统的几个例子。富勒烯在水净化方面已显示出非常好的前景，美国宇航局赞助的使用碳纳米管的纳米级过滤技术已发展成为一种商业产品。尽管可扩展性仍然存在问题，但多孔石墨烯是一种积极研究的水过滤材料，吸引了大量的关注，如图5所示。

图5 （a）纳米多孔石墨烯水脱盐示意图；（b）具有亲水键的纳米孔示意图。

三、结束语

本文首先对石墨烯的结构和理化性质进行了介绍，并简要阐述各性能在具体应用中的重要作用；然后，综述了石墨烯纳米材料在航空航天领域的各方面（复合固体推进剂、热管理和智能光帆等）前沿领域的应用现状。石墨烯及其复合材料的制备已得到较快发展。其中，石墨烯在复合固体推进剂中的应用目前主要集中在提高推进剂含能组分的热分解和燃烧性能方面，而在导热和力学性能方面的研究则相对较少，且制备方法单一，以简单的共混为主，缺乏针对性的设计和性能的控制。而且对石墨烯的性能增强机理缺乏深入的分析。在热管理方面，导热系数、产炭性能和纳米颗粒分散对聚合物纳米复合材料的烧蚀性能和绝缘性能都有影响。酚醛树脂仍然是这一应用中被广泛研究的聚合物，纳米陶瓷颗粒与碳基的复合纳米填料的结合似乎是下一个热管理趋势。此外，在太空电力推进领域，新型石墨烯基纳米材料和微电子机械系统支持的离子液体推进器解决方案，这是为微加工和纳米结构推进器阵列的实现提出了方案。另外，一种可能的低成本，高时效的纳米制造工艺，用于飞机储能和生命支持设备。与传统解决方案相比，这些纳米复合材料应用了纳米材料的整合，并与太空任务和探索计划相结合，可以节省成本和时间。石墨烯在很多领域的研究仍处于探索阶段，石墨烯材料在极端环境中的行为将扩大我们的基本理解和潜在应用，将促进人类在太空的探索。石墨烯基纳米材料未来的研究重点需要着眼于以下几个方向：

（1）一种降低开发成本的潜在解决方案是创新材料-建模和模拟与实验测试和表征方法相结合，可以降低开发和鉴定成本。将有助于跨越纳米工程材料的性能转化为宏观尺度上的现实。

（2）大规模构造石墨烯材料的集成方法，以保持在石墨烯纳米尺度上注意到的性能和批量实现。它们占地面积小，功耗低，耐辐射，非常适合太空应用。

（3）将纳米石墨烯材料集成到最先进类型的电力推进装置中，利用纳米材料的独特特性，提高其效率和使用寿命。另外，进一步创造出一个自适应（自清洁表面，自愈合修复机制，自我愈合）推进器。