來源：艾邦高分子 2025-05-07 10:25:04
如何讓衛（wèi）星既輕便（biàn）又“全能”？傳統衛星結構需要疊加機械框架（jià）、散熱模塊和電路係統，不僅（jǐn）體積臃腫，還容易被太空輻射“擊穿”。
最（zuì）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（dā）積木”式（shì）設計方法，結（jié）合自主研發的高溫3D打印技術，借助PEEK粘合（hé），首（shǒu）次將承（chéng）載、導電、導熱和輻射屏蔽四大功（gōng）能集成到單塊複合材料板（bǎn）中。
實驗顯示，這種新型結構的剛度比傳統材料高21.5%，熱導率提升近6倍，還能阻擋28%的太空質子輻射。
衛星瘦身難題：功能越多，重量越（yuè）重？
衛星結構（gòu）堪稱“太空瑞士軍刀”——既要承受（shòu）火箭發射的劇烈震動，又要為（wéi）電子設備（bèi）散熱（rè），還得（dé）在極端輻射環（huán）境下保護（hù）精密儀器。傳統方法依賴螺栓固定多個功能模塊，導致結構複雜（zá）、重量超標。尤其對於僅鞋盒大小的納米衛星，如何在很小（xiǎo）的空（kōng）間裏塞入電路、散熱片和防輻射層，成為行業難題。
論文第一作者張岩博士打了個比方：“就像給（gěi）手機裝散熱器，如果直接在主板背麵貼（tiē）金屬片，手機厚度會增（zēng）加，還（hái）可能幹擾（rǎo）信號。”此前有團隊嚐試將（jiāng）鋰電池嵌入衛星夾層，但金屬部件密度高，反而讓整（zhěng）機增重。
“千層餅”設計（jì）：一（yī）層解決一個痛點
研究團隊借鑒3D打印的“分層製（zhì）造”思路，像搭千層餅一樣設計多功能結構，設計出五層複合結構：底層用聚醚醚酮（tóng）（PEEK）編織鋁絲網，提（tí）升剛（gāng）度和輻（fú）射屏蔽，中間夾層（céng）填充碳纖維和鋁塊，前者減重，後者導熱，頂層嵌入銅絲電路並用矽膠墊絕緣，最後用純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”的設計並非簡單堆砌。團隊通過遺傳算法優化每層厚度，確保整體重量比純PEEK結構還（hái）輕（qīng）1% （160.9克 vs 162.5克）。“就像優化行李（lǐ）箱收納，既要多（duō）裝物品，又不能超重。”論文通訊作者李龍求教授解釋。
高溫（wēn）“烹飪術”：金屬和（hé）塑（sù）料同時打印
實現該設計的（de）關鍵，是一台能“同時煎牛排和烤蛋糕”的3D打印機（jī）。傳（chuán）統3D打印要麽打塑料，要麽打金屬，而團（tuán）隊研發的設備在500℃高溫腔室內，通過同軸噴嘴同（tóng）步擠出PEEK熔液和金屬絲（sī）/碳纖維。鋁絲（sī）在高（gāo）溫下（xià）變軟，與塑料緊密結合，解決了金屬-塑料分層脫落（luò）的老大難問（wèn）題。
實驗中，這（zhè）種工（gōng）藝製造的複合材料孔隙率低至1.5%（傳統（tǒng）3D打印塑料孔隙率約8.6%）。用其（qí）打印的衛星麵板，在彎曲測試（shì）中即便發生形變，內嵌的電路仍能正常工作（zuò）。當麵板彎折4.75毫米時，外（wài）部LED燈依舊亮著——這相當於成年人用力掰彎手機後，觸摸屏仍能滑動。
實測（cè）數據：防輻射、導（dǎo）熱性（xìng）能逆襲
研究（jiū）團隊（duì）用35MeV質子束（相當於太（tài）空輻射環境）轟擊麵板，發現新型結構將質子穿透深度（dù）從9.35毫（háo）米降至6.74毫米，屏蔽效率提升（shēng）27.9%。導熱測試更驚人：在200℃熱源下，PEEK材料的導熱係數僅0.25 W/m·K，而複合結構飆升至1.67 W/m·K，足以快速導出電（diàn）子元件熱量。
這些性能讓（ràng）衛星結（jié）構告別“疊疊（dié）樂”。團隊用該技（jì）術打印（yìn）出立方體衛星（xīng）原（yuán）型（xíng），6塊麵板分別集成傳（chuán）感器、通訊芯片和供電模塊，組裝後成功實現溫濕度監測和雲端數（shù）據傳（chuán）輸。李龍求表示：“未來宇航員可以用類似技術（shù），在空間站直接（jiē）打印替（tì）換零件。”
挑戰與未來：太空打印的“溫度密碼”
盡管（guǎn）優勢顯著，這項（xiàng）技術仍有局限。例如，高溫打印可能導致材料（liào）性（xìng）能波動，碳（tàn）纖維在噴嘴內容易斷裂。團隊目前正研究自適（shì）應溫度控製算法，未來計劃在零重力環境下測（cè）試打印（yìn）工藝。
這項研究為我國航天器（qì）輕量化提供了新思路。正如審（shěn）稿人所言：“它（tā）證明3D打印不僅能‘塑形’，還能‘造功能’——這是太空製造的重要一步。”
這項（xiàng）技術已應用於我國某低軌衛星項目，預計2025年完成在（zài）軌驗證。隨著深空探測任務增多，此（cǐ）類“全能鎧（kǎi）甲”或將成為下一代航天器（qì）的標配，助力我國在太空基建競賽中占據先機。
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