來源：艾邦高分子 2025-05-07 10:25:04
如何讓衛星既輕便又“全能”？傳統衛星結構需要疊加機械（xiè）框架、散熱模塊和電路係統，不僅體積臃（yōng）腫，還容易被太（tài）空輻射“擊穿”。
最（zuì）近，哈爾濱工業大學科研團隊在《Engineering》發表論文，提出一（yī）種“搭積木”式設（shè）計方法（fǎ），結合自主（zhǔ）研（yán）發的高溫3D打印技術，借助（zhù）PEEK粘合（hé），首次將（jiāng）承載、導電、導熱和輻射（shè）屏（píng）蔽四大功能集成到單塊（kuài）複合材料板中。
實驗顯示，這種新型結（jié）構的剛度比傳（chuán）統材料高21.5%，熱導率提升近6倍，還（hái）能阻擋28%的太（tài）空質子輻射。
衛星瘦身（shēn）難題：功能越多，重量越重？
衛星結構堪稱（chēng）“太空瑞士（shì）軍（jun1）刀”——既（jì）要承受（shòu）火箭發射的劇（jù）烈震動，又要為電子設備散熱，還得在極端輻（fú）射環（huán）境下保護精（jīng）密儀器（qì）。傳統方法依（yī）賴螺栓固定多個功能模塊，導致結構複雜、重量超標。尤（yóu）其（qí）對（duì）於僅鞋盒大小的納米衛星，如何在很小的（de）空（kōng）間裏塞入電（diàn）路、散熱片（piàn）和（hé）防輻射層，成為（wéi）行業難（nán）題。
論文第一作者張岩博士打了個比方：“就像給手機裝散熱器，如果直接在主板（bǎn）背麵貼金屬片（piàn），手機厚度會增加，還可能幹擾信號。”此前有團隊（duì）嚐試將鋰電池嵌入衛星夾層，但金屬部件密度高，反而讓整機增重（chóng）。
“千層餅”設計：一層解決一個痛點
研究團隊借鑒3D打印的“分層製（zhì）造”思路，像搭千層餅（bǐng）一樣設計多功（gōng）能結構，設計出五（wǔ）層複合結構：底層用聚醚醚（mí）酮（PEEK）編織鋁絲網，提升剛度和輻射屏蔽，中間夾層（céng）填充碳纖維（wéi）和鋁（lǚ）塊，前者減重，後者導熱（rè），頂層嵌入銅絲電路並用矽膠（jiāo）墊絕（jué）緣，最後用純PEEK封裝。各層通（tōng）過高溫熔（róng）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（tuán）隊通過遺傳算法優化每層厚度，確保整體重量比純PEEK結構還輕1% （160.9克 vs 162.5克）。“就像優化行李箱收納，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（liào）同時打印
實現該設計的關鍵，是一台能“同時煎牛排和（hé）烤蛋糕”的3D打印機（jī）。傳統（tǒng）3D打印要麽打塑料，要麽打金屬，而團隊研發的設備在500℃高溫（wēn）腔室內，通過同軸噴嘴同步擠出PEEK熔液和金屬絲（sī）/碳纖維（wéi）。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（de）老（lǎo）大難（nán）問題。
實驗中，這種工藝製造的複合材料孔（kǒng）隙（xì）率低至1.5%（傳統（tǒng）3D打印塑料孔隙率（lǜ）約8.6%）。用其打印的衛星麵板，在彎曲測試中即便發生形變，內嵌的電路仍能正常工作（zuò）。當麵板彎折4.75毫米時，外部LED燈依舊亮著——這（zhè）相（xiàng）當於成（chéng）年人用力（lì）掰彎手機後，觸摸屏仍（réng）能滑動。
實測數據：防輻射、導熱性能逆襲（xí）
研究團隊用35MeV質子束（相當於太空輻射環境）轟擊麵板，發現新型結構將質子穿透深度從（cóng）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（dǎo）熱係數僅0.25 W/m·K，而（ér）複合結構飆升至1.67 W/m·K，足以快速導出電子元件（jiàn）熱量。
這些性能（néng）讓衛星結構（gòu）告別“疊（dié）疊（dié）樂”。團隊用該技術打印出立方體衛（wèi）星原型，6塊麵板分別集成傳感（gǎn）器、通訊芯片和供（gòng）電模塊，組裝後成功實現溫濕（shī）度監測和雲端數據（jù）傳輸。李龍求表示：“未來宇航員可（kě）以用類似技術（shù），在空間（jiān）站直接打印替換零件。”
挑戰與未來：太空打印的“溫度密碼”
盡管（guǎn）優勢顯著，這項技術仍有局限。例如，高（gāo）溫打印可（kě）能導致材料（liào）性（xìng）能波動，碳纖（xiān）維在噴嘴內容易斷裂。團隊目前正研究自適應溫度控製算法，未來計劃在零重力環境下測試打印工藝。
這項研究為我國航天器輕量化提供了新思路。正（zhèng）如審稿人所言：“它證明3D打（dǎ）印（yìn）不僅能‘塑形（xíng）’，還能‘造功能’——這是太空製造的重要一步。”
這項技（jì）術已應用（yòng）於我國某低軌衛星項目，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（kǎi）甲”或將成為（wéi）下一代航天器的標配，助力我國在（zài）太空基建競賽中占據先機。
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