來源：艾邦高分子（zǐ） 2025-05-07 10:25:04
如何讓（ràng）衛星既（jì）輕便又“全能”？傳統衛星結（jié）構（gòu）需要疊加機械框架、散熱模塊和電路係統，不僅體積臃腫，還（hái）容易被太空輻射“擊（jī）穿”。
最近，哈爾濱工業大學（xué）科研團隊在《Engineering》發表論文，提出一種“搭積木”式設（shè）計方法，結合自主研發的高溫3D打印技術，借助（zhù）PEEK粘合，首次將承載、導電、導熱和（hé）輻射屏蔽四大功能集（jí）成到單塊複合材料板中。
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（tài）空（kōng）質子輻射。
衛星瘦身難題：功能越多，重量越重（chóng）？
衛星結構堪稱“太空瑞士軍刀”——既要承受火箭發射的劇烈震動，又要為電子設備散熱，還得在極端輻（fú）射環境下保護精密儀器。傳（chuán）統方法依賴螺栓固定多個功能模塊（kuài），導致結構複雜、重量（liàng）超標。尤其對於僅鞋盒大小的納米衛星，如何在（zài）很小的空（kōng）間裏塞入（rù）電路、散熱片和（hé）防輻射層，成為（wéi）行（háng）業難題。
論文第一作（zuò）者張岩博士（shì）打了個比（bǐ）方：“就像給手機裝散熱器，如（rú）果（guǒ）直接在（zài）主板背（bèi）麵貼金屬片，手機厚度會增加，還可能幹擾信號。”此前有團隊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（jī）增重。
“千層餅”設（shè）計：一（yī）層解決（jué）一個痛點
研究團（tuán）隊借鑒3D打印的“分層製造”思路（lù），像搭千層餅一樣（yàng）設計多功能結（jié）構，設計出五層複合結構：底層（céng）用聚醚（mí）醚酮（PEEK）編織鋁絲（sī）網，提升（shēng）剛度和輻射屏蔽，中間夾層（céng）填充碳纖維和鋁塊，前者減重，後者導熱，頂層嵌（qiàn）入銅絲電路（lù）並用矽膠墊絕緣，最後用（yòng）純PEEK封裝。各層通（tōng）過高溫熔融的聚醚（mí）醚酮（PEEK）無縫粘合。
這種“一層一功能（néng）”的設計（jì）並非簡單（dān）堆砌（qì）。團隊通過遺（yí）傳算（suàn）法優化（huà）每層（céng）厚度，確保整體重（chóng）量比純PEEK結構還輕1% （160.9克（kè） 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”：金屬和塑料同時打印
實現該設計的關鍵，是一台能“同時煎（jiān）牛排和烤蛋（dàn）糕”的（de）3D打印機。傳統3D打（dǎ）印要麽打塑料，要麽打（dǎ）金屬，而團隊研發的設備在500℃高溫腔室（shì）內，通過同軸噴嘴同步擠（jǐ）出PEEK熔液和（hé）金（jīn）屬絲/碳纖維。鋁絲在高溫下變（biàn）軟，與塑料緊密結合，解決了金屬-塑（sù）料分層脫落的老大難問題。
實驗中，這種工藝製造的複合材料孔隙率低至1.5%（傳統3D打印塑料孔隙率約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。當麵板彎折4.75毫米時，外部LED燈依舊亮著——這（zhè）相當於成年人用力掰（bāi）彎手機後，觸（chù）摸屏仍能（néng）滑動。
實測數據：防輻射、導熱性能（néng）逆襲
研究（jiū）團隊用35MeV質子束（相當於太空（kōng）輻射環境）轟擊麵板，發現新型結構將質子穿透深度從9.35毫米降至6.74毫米（mǐ），屏蔽效率提升27.9%。導熱測試更驚（jīng）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，足以快速導出電子元件熱量。
這些性能讓衛星結構告別“疊疊樂”。團隊用該技術打印（yìn）出立方（fāng）體衛星原型，6塊麵板分別集成傳感（gǎn）器、通訊芯（xīn）片和供電（diàn）模（mó）塊，組裝後成功實現溫濕度監（jiān）測和雲端數據傳輸。李龍求表示：“未來宇航員可以用（yòng）類似（sì）技術，在空間站直接打印替換零件。”
挑戰與未來：太（tài）空打印的“溫度密（mì）碼”
盡管優勢顯著，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製算法，未來計劃在零重力（lì）環境下測試打印工藝。
這項研究為我國航天器輕量化（huà）提供了新思路。正如審稿人所言：“它證明（míng）3D打印不僅能‘塑形’，還能‘造功能’——這（zhè）是太空製造的重要一（yī）步。”
這項技術（shù）已應用於我國某低軌衛星項目，預計2025年完成在軌驗（yàn）證。隨著深空探測任務增多，此類“全能鎧甲”或（huò）將成為下一代航天器的標配，助力我國在太空基建（jiàn）競賽中占據先機。
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