來源（yuán）：艾邦高分子 2025-05-07 10:25:04
如何讓衛星既輕便又“全能”？傳統（tǒng）衛星結構需要疊加機械框架、散熱模塊和電路係統，不僅體積臃腫，還容易被太空輻射（shè）“擊穿”。
最近，哈爾濱工業（yè）大學科研團隊在《Engineering》發表論文，提出一種“搭積木”式設計方法，結合自（zì）主研發的高溫3D打印技術，借助PEEK粘合，首次將承載、導電、導熱和輻射屏蔽四大功能集成到單塊複合材料板中。
實（shí）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（néng）阻擋28%的（de）太空質子輻射。
衛星瘦身難（nán）題：功能越多，重量越重？
衛星（xīng）結構堪稱“太空瑞（ruì）士軍刀”——既要承（chéng）受火箭發射的劇烈震動，又（yòu）要為電子設備散熱，還得（dé）在極端輻射環（huán）境下保護精（jīng）密（mì）儀器。傳統方法依賴螺（luó）栓固定多（duō）個功能模塊，導致（zhì）結構複雜、重量超（chāo）標。尤其對於僅鞋盒大小的納米（mǐ）衛星，如何在很小的空（kōng）間裏塞入電（diàn）路、散熱（rè）片和（hé）防（fáng）輻射層，成為行業難題。
論文第一作者張岩博士打了個比方：“就像給手機裝散熱器，如果直接（jiē）在主板背麵貼金屬片，手機厚度會增加，還可能（néng）幹（gàn）擾信號。”此（cǐ）前有團隊嚐（cháng）試將鋰電池嵌入（rù）衛星夾層，但金屬部件密（mì）度高，反而讓整機（jī）增重。
“千層餅（bǐng）”設（shè）計：一層（céng）解決一個痛點
研究團隊借鑒3D打印的“分層製造（zào）”思路，像搭千層餅一樣設（shè）計多功能結構，設計出五層複合結構（gòu）：底層用聚醚醚酮（PEEK）編織鋁絲網，提升剛度和輻射屏蔽，中間夾層填充碳纖維和鋁塊（kuài），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（hòu）用純PEEK封裝。各層通過（guò）高溫熔融（róng）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（huà）每層厚度，確保整體重量比純PEEK結（jié）構還輕（qīng）1% （160.9克 vs 162.5克（kè））。“就像優化行（háng）李箱（xiāng）收納，既要多裝（zhuāng）物品，又（yòu）不能超（chāo）重。”論文（wén）通訊作（zuò）者李龍求教授解釋。
高溫（wēn）“烹飪術”：金屬和塑料同時打印
實現該設計的關鍵，是一台能“同時煎牛排和烤蛋糕”的3D打印機。傳統3D打印要（yào）麽打塑料，要麽打金（jīn）屬，而團隊研發的設備在500℃高溫腔室內，通過同軸噴嘴同步擠出PEEK熔液和（hé）金屬絲/碳纖維。鋁絲在高溫下變軟，與塑料緊密結（jié）合，解決了（le）金屬-塑料分層脫落的老大（dà）難問（wèn）題。
實驗中，這種工藝製造的複合材料（liào）孔隙率低（dī）至1.5%（傳統3D打印塑料孔隙率約8.6%）。用（yòng）其打印的（de）衛（wèi）星麵板，在彎（wān）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——這相當於成（chéng）年人用力掰彎手機後，觸摸屏仍能滑動。
實測數據：防（fáng）輻射、導熱性能逆襲
研究團隊用35MeV質子束（相（xiàng）當於太空（kōng）輻射環境）轟擊麵板，發現（xiàn）新型結構將質子穿（chuān）透深度從9.35毫（háo）米降至6.74毫米（mǐ），屏蔽效率提升27.9%。導熱測試更驚人：在200℃熱源下（xià），PEEK材料的導（dǎo）熱（rè）係數僅0.25 W/m·K，而複合結構（gòu）飆升至1.67 W/m·K，足以快速導出電子元件熱量。
這些（xiē）性能讓衛星（xīng）結構告別“疊疊樂（lè）”。團隊用該技術打印出立方體衛星原型，6塊麵板分別集成（chéng）傳感（gǎn）器、通訊芯片和供電模塊，組裝後成功（gōng）實現溫濕度監測和雲端數據傳輸。李龍求表示：“未來宇航員可（kě）以（yǐ）用類（lèi）似技術（shù），在空間（jiān）站直接打印替換零（líng）件。”
挑戰（zhàn）與未來：太空打印的“溫度密碼”
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（duì）目前正研究自適應溫度控製算法，未來計（jì）劃在（zài）零重力環（huán）境下測試打印工藝。
這（zhè）項研究為我國航天器（qì）輕量化提供了新思路。正如審稿人所言：“它證（zhèng）明3D打印不僅能‘塑形’，還能‘造功能’——這是太空製造的重要（yào）一（yī）步。”
這項技術已應用於我國某低軌衛星項目，預計2025年完成在軌驗證。隨著深空（kōng）探測任務增（zēng）多，此類“全能鎧（kǎi）甲”或將成為下一代（dài）航天器的標配，助力我國（guó）在太空基建競賽中占據先機。
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