來源：艾邦高分子 2025-05-07 10:25:04
如何讓衛(wèi)星既輕便又“全能”？傳統(tǒng)衛(wèi)星結構需要疊加機械框架、散熱模塊和電路系統(tǒng)，不僅體積臃腫，還容易被太空輻射“擊穿”。
最近，哈爾濱工業(yè)大學科研團隊在《Engineering》發(fā)表論文，提出一種“搭積木”式設計方法，結合自主研發(fā)的高溫3D打印技術，借助PEEK粘合，首次將承載、導電、導熱和輻射屏蔽四大功能集成到單塊復合材料板中。
實驗顯示，這種新型結構的剛度比傳統(tǒng)材料高21.5%，熱導率提升近6倍，還能阻擋28%的太空質子輻射。
衛(wèi)星瘦身難題：功能越多，重量越重？
衛(wèi)星結構堪稱“太空瑞士軍刀”——既要承受火箭發(fā)射的劇烈震動，又要為電子設備散熱，還得在極端輻射環(huán)境下保護精密儀器。傳統(tǒng)方法依賴螺栓固定多個功能模塊，導致結構復雜、重量超標。尤其對于僅鞋盒大小的納米衛(wèi)星，如何在很小的空間里塞入電路、散熱片和防輻射層，成為行業(yè)難題。
論文第一作者張巖博士打了個比方：“就像給手機裝散熱器，如果直接在主板背面貼金屬片，手機厚度會增加，還可能干擾信號。”此前有團隊嘗試將鋰電池嵌入衛(wèi)星夾層，但金屬部件密度高，反而讓整機增重。
“千層餅”設計：一層解決一個痛點
研究團隊借鑒3D打印的“分層制造”思路，像搭千層餅一樣設計多功能結構，設計出五層復合結構：底層用聚醚醚酮（PEEK）編織鋁絲網(wǎng)，提升剛度和輻射屏蔽，中間夾層填充碳纖維和鋁塊，前者減重，后者導熱，頂層嵌入銅絲電路并用硅膠墊絕緣，最后用純PEEK封裝。各層通過高溫熔融的聚醚醚酮（PEEK）無縫粘合。
這種“一層一功能”的設計并非簡單堆砌。團隊通過遺傳算法優(yōu)化每層厚度，確保整體重量比純PEEK結構還輕1% （160.9克 vs 162.5克）。“就像優(yōu)化行李箱收納，既要多裝物品，又不能超重。”論文通訊作者李龍求教授解釋。
高溫“烹飪術”：金屬和塑料同時打印
實現(xiàn)該設計的關鍵，是一臺能“同時煎牛排和烤蛋糕”的3D打印機。傳統(tǒng)3D打印要么打塑料，要么打金屬，而團隊研發(fā)的設備在500℃高溫腔室內，通過同軸噴嘴同步擠出PEEK熔液和金屬絲/碳纖維。鋁絲在高溫下變軟，與塑料緊密結合，解決了金屬-塑料分層脫落的老大難問題。
實驗中，這種工藝制造的復合材料孔隙率低至1.5%（傳統(tǒng)3D打印塑料孔隙率約8.6%）。用其打印的衛(wèi)星面板，在彎曲測試中即便發(fā)生形變，內嵌的電路仍能正常工作。當面板彎折4.75毫米時，外部LED燈依舊亮著——這相當于成年人用力掰彎手機后，觸摸屏仍能滑動。
實測數(shù)據(jù)：防輻射、導熱性能逆襲
研究團隊用35MeV質子束（相當于太空輻射環(huán)境）轟擊面板，發(fā)現(xiàn)新型結構將質子穿透深度從9.35毫米降至6.74毫米，屏蔽效率提升27.9%。導熱測試更驚人：在200℃熱源下，PEEK材料的導熱系數(shù)僅0.25 W/m·K，而復合結構飆升至1.67 W/m·K，足以快速導出電子元件熱量。
這些性能讓衛(wèi)星結構告別“疊疊樂”。團隊用該技術打印出立方體衛(wèi)星原型，6塊面板分別集成傳感器、通訊芯片和供電模塊，組裝后成功實現(xiàn)溫濕度監(jiān)測和云端數(shù)據(jù)傳輸。李龍求表示：“未來宇航員可以用類似技術，在空間站直接打印替換零件。”
挑戰(zhàn)與未來：太空打印的“溫度密碼”
盡管優(yōu)勢顯著，這項技術仍有局限。例如，高溫打印可能導致材料性能波動，碳纖維在噴嘴內容易斷裂。團隊目前正研究自適應溫度控制算法，未來計劃在零重力環(huán)境下測試打印工藝。
這項研究為我國航天器輕量化提供了新思路。正如審稿人所言：“它證明3D打印不僅能‘塑形’，還能‘造功能’——這是太空制造的重要一步。”
這項技術已應用于我國某低軌衛(wèi)星項目，預計2025年完成在軌驗證。隨著深空探測任務增多，此類“全能鎧甲”或將成為下一代航天器的標配，助力我國在太空基建競賽中占據(jù)先機。
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