【研究背景】

航天器在太空极端环境中面临严峻的热管理挑战：有限的空间与能源约束使传统主动散热方式（如液冷）难以奏效，而轻量化的铝制散热器虽能减轻载荷，但其天然低表面发射率（仅0.1–0.2）严重制约辐射散热效率——这恰恰是太空环境中唯一可行的散热途径。随着航天器功率密度持续攀升，现有散热方案已无法平衡轻量化与高效散热的需求。尽管学界尝试通过石墨烯、碳纳米管等涂层提升铝材表面发射率，却普遍忽视了一个关键工程瓶颈：热循环工况下涂层与基体的界面剥离问题。这种因材料热膨胀差异导致的失效风险，成为制约航天热控涂层实际应用的"阿喀琉斯之踵"。

【文章概述】

近日，华南理工大学李静教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Graphene/epoxy coating with radiation heat dissipation properties for spacecraft thermal management”的论文。本研究提出一种革新性涂层解决方案：通过焦耳热技术（2400°C/100秒）快速制备低缺陷石墨烯，结合双组分非共价修饰技术突破其在水性环氧树脂中的分散瓶颈，开发出石墨烯/环氧复合辐射散热涂层（GERC）。创新性地采用硅烷偶联剂APTES在铝基表面构筑强粘接界面，使涂层在保持0.93超高红外发射率的同时，实现10.6 MPa的界面结合强度（较未处理基体提升273%）。实验表明，当改性石墨烯添加量为4 wt%时，涂层使铝散热器平衡温度降低14.2°C，散热效率提升至24.15%，且经得起剧烈温差冲击。这项工作首次在分子尺度协同优化了辐射性能与界面可靠性，为下一代航天热管理系统提供了兼具轻量化、高散热与长寿命的涂层技术。

【图文导读】

图1：GERC制备工艺示意图

该示意图系统展示了石墨烯/环氧复合散热涂层（GERC）的制备全流程：首先通过焦耳热还原技术（2400°C/100 s）将氧化石墨烯（GO）高效转化为低缺陷还原氧化石墨烯（RGO），此过程通过瞬时高温消除含氧官能团并修复sp²碳骨架；随后采用双组分非共价修饰策略，利用苯基癸酸（PBA）的π-π堆叠作用与辛基酚聚氧乙烯醚（POPE）的表面活性剂功能协同改善RGO在水性环氧树脂中的分散性；最终在APTES硅烷处理的铝基表面构建“填料-基体-界面”三重优化结构。该工艺设计创新性地整合了快速还原、分散调控与界面强化三大核心技术环节，为高性能航天热控涂层提供了可扩展的制备路径。

图2：石墨烯填料的跨尺度结构表征

系列表征揭示了石墨烯材料在改性过程中的结构演变：（a-c）宏观形貌显示GO→RGO→mRGO颜色从深黑渐变为灰黑，反映含氧量降低；（d-f）SEM微观形貌证实GO呈块状团聚（数十微米），而RGO呈现蓬松多层堆叠（5-10 μm片径），mRGO则因非共价修饰减弱范德华力实现单层分散；（g）拉曼光谱定量分析表明RGO的ID/IG值（0.124）较GO（1.495）显著降低，对应晶畴尺寸从12.86 nm增至155.037 nm，证实高温还原有效修复晶格缺陷；（h）XRD显示RGO层间距（0.338 nm）接近天然石墨（0.336 nm），而mRGO（0.336 nm）维持了石墨化结构；（i）FTIR谱图验证mRGO在1352 cm⁻¹（羟基）、1433 cm⁻¹（羧基）等位置出现新特征峰，说明PBA/POPE成功引入亲水基团而不破坏sp²碳骨架。这些数据从宏观到分子尺度阐明了材料改性的科学机制。

图3：硅烷界面工程的作用机制

APTES硅烷界面层的构建机理与性能通过多维度实验解析：（a）示意图揭示硅烷水解形成Si-OH，并与铝基表面羟基缩合形成Al-O-Si共价键；（b）SEM截面显示硅烷层（3-5 μm）在铝基表面形成连续致密膜；（c）水解动力学曲线显示溶液电导率随Si-OH生成先升后降，表明水解（Si-OR→Si-OH）与缩聚（Si-OH→Si-O-Si）的动态平衡；（d）FTIR光谱证实10 wt% APTES浓度时3420 cm⁻¹处Si-OH特征峰强度最优，过高的浓度（>20 wt%）因加速缩聚反而不利；（e）附着力测试数据表明，经10 wt% APTES处理后涂层结合强度达10.6 MPa（较未处理基体提升273%），归因于硅烷末端氨基与环氧树脂的开环反应形成强界面交联网络。该界面工程成功解决了热循环工况下的涂层剥离风险。

图4：复合涂层的结构与性能关联性

GERC涂层的多级结构与其散热性能的构效关系通过综合表征建立：（a-b）SEM-mapping显示C、O、Si元素均匀分布，证实mRGO与气相SiO₂在环氧基体中无团聚；（c）截面形貌清晰呈现“铝基-硅烷层-功能涂层”三明治结构，界面无缝衔接；（d）XRD谱中26.5°（石墨烯）、19°（环氧树脂）等特征峰共存，验证复合结构完整性；（e）热重曲线显示涂层在200°C前质量损失<5%，400°C后环氧分解，满足航天热稳定性需求；（f）温升曲线表明4 wt% mRGO涂层平衡温度最低（68.6°C）；（g）数据量化显示该组分下散热效率达24.15%（∆T=14.2°C），发射率峰值0.93；（h）表面形貌呈哑光黑色，微观粗糙度增强光陷阱效应；（i）划格法附着力测试显示无剥落。这些数据协同证明4 wt%为填料最优阈值。

图5：GERC散热机理示意图

涂层的高效散热机制通过物理模型阐明：（a）随机分布的石墨烯片层在环氧基体中形成三维导热网络，利用其超高面内热导率（~5300 W/mK）加速热量纵向传递至涂层表面；（b）表面微纳结构与内部石墨烯片层构成多重反射腔体，使入射红外光在“微黑体”结构中经历多次吸收（吸收率>94%）；（c）高度晶化石墨烯通过晶格振动（尤以拉曼G峰对应的sp²碳振动为主）将热能高效转化为8-14 μm波段红外光子辐射，其发射率（0.93）接近黑体理论极限。这种“导热-吸热-辐射”的三级协同机制，使GERC在航天极端环境中实现轻量化高效热管理。

【结论】

总之，本研究通过焦耳热快速还原技术（2400°C/100 s）成功制备低缺陷石墨烯，并创新性地采用双组分非共价修饰策略（苯基癸酸/辛基酚聚氧乙烯醚协同作用）实现其在水性环氧树脂中的稳定分散，最终开发出具有里程碑意义的石墨烯/环氧复合辐射散热涂层（GERC）。核心突破在于：当改性石墨烯（mRGO）填料含量为4 wt%时，涂层同时达成0.93超高红外发射率（接近黑体辐射极限）与10.6 MPa界面结合强度（较未处理基体提升273%），通过协同增强铝基材表面辐射效率与热导率，使航天器散热器平衡温度显著降低14.2℃、热管理效率提升至24.15%。该成果不仅破解了航天热控领域轻量化（铝代铜）与高效散热的长期矛盾，更开创了"结构完整性-分散稳定性-界面可靠性"三重优化的材料设计范式，为极端环境热管理系统提供了新思路。

【论文信息】

Ning Li, Zhang Yibo, Yawei Xu, Jing Li. Graphene/epoxy coating with radiation heat dissipation properties for spacecraft thermal management. Chemical Engineering Journal, 2025, 165105, ISSN 1385-8947. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165105.

信息来源：能源学人