三維網絡結構石墨烯在真空日光照射下產生推力的試驗研究

趙 闊，李潭秋，徐 亭，謝廣輝，孫常鶴，閆立群，衛(wèi) 強，張光群，張同林，邢 飛

（1.北京碳世紀科技有限公司，北京100070；2.中國航天員科研訓練中心，北京100094）

1 引言

空間推進技術通?？煞譃槌Ｒ?guī)化學推進、電推進、微推進和新型推進4類［1］。常規(guī)化學推進是目前航天器的主要推進方式，性能繼續(xù)提升。電推進已成功證明其優(yōu)勢和可靠性，在各種衛(wèi)星和深空探測器上大量應用，且朝更大功率的方向發(fā)展，代表性技術有霍爾電推進、離子電推進、電弧推進等。蓬勃發(fā)展的微小衛(wèi)星對微小推力、小質量、低功耗的微推進提出了迫切需求。無毒化學推進、太陽帆推進［2］、核推進等新型推進技術正在加緊研制或進行空間飛行試驗。

南開大學陳永勝教授科研團隊研究出一種特殊的石墨烯材料，將該材料放置于真空管中，在不同光源的照射下，“推動”石墨烯可以發(fā)生最大距離達40 cm的水平或豎直方向的位移［3］。但該團隊沒有在模擬太空條件下進行試驗，也沒有給出石墨烯產生推力的具體數值。

本文首先進行三維網絡石墨烯的制備，在模擬太空條件的真空艙中進行試驗，利用改裝的物理天平測量模擬日光照射石墨烯產生的推力，并分析產生的推力與石墨烯質量和表面積的關系。

2 試驗設計

2.1 試劑及試驗裝置

試劑有天然石墨、濃硫酸（H2SO4，98%）、濃鹽酸（HCl，35%）、高錳酸鉀（KMnO4）、硝酸鈉（NaNO3）、過氧化氫（H2O2，30%）等分析純試劑。

試驗裝置有真空艙、物理天平（改裝）、電子分析天平、亞克力保護罩、視頻檢測器及USB延長線、稱量紙、筆記本電腦。

其中，真空艙由中國航天員科研訓練中心提供，體積為1 m3，艙內的光輻射強度為一個標準太陽光。

改裝物理天平，利用其感量（分度）來估算被測物體質量（受到的力）。如圖1所示，L表示天平的臂長，M表示橫梁及指針的重量（感量砣），G表示橫梁及指針的質心，ΔM表示被測物體的質量［4］。調節(jié)感量砣會改變G的位置，使得分度值與被測物體質量形成合理的對應關系，這樣通過對比艙內外的物理天平分度值就可以測量被測物體的質量變化即受力大小。

圖1 物理天平原理示意圖Fig．1 Schematic diagram of the principle of physical balance

2.2 三維網絡狀石墨烯的制備

以天然石墨為原料，采用修正的Hummers［5］法將石墨通過充分插層、深度氧化及水解先制備成氧化石墨，過程如下：

1）在500 mL的燒杯中加入少量質量分數為98%的濃H2SO4，用冰水浴冷卻至0℃，邊攪拌邊加入10 g天然石墨、5 g NaNO3和30 g KMnO4粉末，控制反應液溫度在10～15℃，攪拌反應12 h左右；

2）進而升高溫度，使反應液溫度控制在35℃左右，繼續(xù)攪拌30 min；

3）升高溫度至100℃，加入400 mL去離子水，再繼續(xù)攪拌30 min；

4）移去溫水浴和攪拌器，將反應液稀釋后加入一定量的H2O2趁熱過濾，用預先配制好的5%HCl和去離子水充分洗滌直至濾液中無SO42－；

5）將所得氧化石墨置于50℃的烘箱中干燥48 h；

6）將干燥后的氧化石墨通過攪拌、超聲等處理手段，均勻地分散在醇酮有機溶劑中，再將分散液轉移到高壓反應釜中；

7）將反應釜密封放入預熱烘箱，在180℃的溫度下反應12～15 h；

8）待反應釜冷卻至室溫后，將石墨烯的溶劑置換為去離子水，并在－60℃ ～－40℃進行冷凍干燥處理；

9）最后將冷凍干燥處理的材料放在惰性氣氛或不高于10 Pa的環(huán)境中于800℃～1200℃下高溫焙燒1 h，制得三維網絡結構石墨烯材料［6］。

2.3 測試三維網絡結構石墨烯在模擬日光照射下所受的推力

在真空艙中放置一水平臺面，將改裝后的物理天平放置于平臺上，在天平兩側加上相同規(guī)格的稱量紙。測試裝置如圖2所示。

圖2 測試裝置示意圖Fig．2 Schematic diagram of the test device

1）用電子分析天平稱量適量的三維結構石墨烯材料（可通過標壓下激光切割的方式獲取所需的材料），將其放置于天平右側的稱量紙上；

2）校正物理天平（使平衡指針剛好處于刻度盤居中位置）；

3）用亞克力保護罩將物理天平罩?。ū苊獬檎婵者^程中空氣流動，導致石墨烯從托盤上掉落）；

4）固定攝像頭，使攝像頭對準刻度盤中心，便于從電腦上直接觀測指針的偏轉、記錄數據；

5）關閉艙門抽真空；

6）在真空度達到一定條件后，開啟日光模擬器，使其照射石墨烯材料；

7）觀察平衡指針的擺動，截取圖片，記錄指針的偏轉角度；

8）釋放空氣，打開艙門，取出石墨烯，在天平左右兩側重新放上稱量紙，并調平衡，在天平右端添加適當的配重，使得指針偏轉角度與石墨烯被日光照射后產生的偏轉角度相同，即可間接求得石墨烯在日光照射時產生的推力；

9）重復以上步驟，分別測試不同質量和不同受日光照射面積下，三維結構石墨烯產生的推力大小。

3 三維網絡結構石墨烯的性能表征

3.1 三維網絡結構石墨烯的宏觀狀態(tài)

采用冷凍干燥法可以得到大小形狀不同的三維網絡結構石墨烯，呈黑色、密度低、彈性好，如圖3所示。圖中材料的直徑是90 mm，厚度是5 mm。這種石墨烯片可以經過加工組合成不同面積、不同質量的被測物。

圖3 三維網絡結構石墨烯宏觀照片Fig．3 Macro photograph of graphene 3?D network structure

3.2 三維網絡結構石墨烯的微觀結構

圖4 為三維網絡結構石墨烯掃描電鏡圖片，可以看出，三維網絡結構石墨烯是由大量的石墨烯片層相互搭接在一起，自組裝而成。材料含有大量的孔隙，其中單個孔的直徑從幾納米到數微米不等。由于在微觀上具有三維網絡狀結構，從而反映到宏觀上使材料表現出良好的結構穩(wěn)定性。

圖4 三維網絡結構石墨烯掃描電鏡圖片Fig．4 Scanning electron microscope of graphene 3?D network structure

4 原理分析

光子可以將電子從價帶激發(fā)到導帶，實現了粒子的反轉狀態(tài)。石墨烯片層由于其狄拉克錐和無禁帶結構而具有獨特的光電子性質，使其可以有效地吸收所有波長的光。石墨烯微片吸收光子能量，并轉化為噴射電子的動能。而在宏觀上產生推力的現象，可以認為是這種獨特的石墨烯三維結構中許多石墨烯微片宏觀疊加的結果［3］。圖5所示為三維網絡結構石墨烯所受推力示意圖。

圖5 三維網絡結構石墨烯所受推力示意圖Fig．5 The driving forces diagram of graphene 3?D network structure

5 數據分析

5.1 日光照射下石墨烯產生的推力和質量的關系

不同質量的石墨烯產生的推力如表1，數據顯示：保證真空度大小、模擬日光照射面積一定時，空白對照試驗稱量紙上不添加石墨烯，沒有檢測到推力的產生；而添加石墨烯后，可檢測到4.9×10－6N的力，可知石墨烯在日光照射條件下產生的推力并非普通光壓所產生的力。保證真空度大小和光照面積一定時，增加石墨烯的質量（石墨烯材料放置如圖6），石墨烯受到的光推力并沒有增加，可知石墨烯受到的光推力與石墨烯的質量無關。此外在模擬日光持續(xù)照射的30 min內，石墨烯所受到的光推力大小沒有發(fā)生變化。

表1 不同質量的石墨烯產生的推力Table 1 Comparison of driving forces generated by dif?ferent mass of graphene

圖6 不同質量的石墨烯放置示意圖Fig．6 Schematic diagram of different quality of gra?phene

5.2 日光照射下石墨烯產生的推力和光照面積的關系

不同光照面積的石墨烯產生的推力值如表2所示，數據顯示，當保證真空度大小以及石墨烯材料的質量一定時，增加石墨烯受日光照射的有效表面積（石墨烯材料放置見圖7），石墨烯受到的推力隨之增加，且該推力大小與有效表面積成正比，即有效表面積越大，產生的推力也越大。

表2 不同光照面積的石墨烯產生的推力Table 2 Comparison of driving forces generated by dif?ferent illuminated surfaces of graphene

圖7 不同光照面積的石墨烯放置示意圖Fig．7 Schematic diagram of graphene with different illuminated areas

6 結論

模擬日光照射三維網絡結構石墨烯所產生的推力不是傳統(tǒng)光壓所產生的力；產生的推力大小與模擬日光照射的石墨烯質量無關；與模擬日光照射的有效光照面積成正比；在30 min內沒有發(fā)生變化。

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［1］ 杭觀榮，洪鑫，康小錄.國外空間推進技術現狀和發(fā)展趨勢［J］. 火箭推進， 2013， 39（5）： 7?15.Hang G R，Hong X，Kang X L.The current situation and de?velopment trend of foreign space propulsion technology ［J］.Rocket Propulsion， 2013， 39（5）： 7?15.（in Chinese）

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［4］ 賀恒武.物理天平上的感量砣的作用及調節(jié)［J］.物理實驗， 1990（4）：40.He H W.The effect and regulation of the balance weight on physical balance［J］.Physical Experiment，1990（4）：40.（in Chinese）

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