Laser-Induced Graphene Smart Textiles for Future Space Suits and Telescopes

激光诱导石墨烯智能纺织品用于未来太空服和望远镜

第一作者: Dongwook Yang (韩国科学技术院, KAIST)
通讯作者: Young-Jin Kim (韩国科学技术院, KAIST)
其他作者: Han Ku Nam, Younggeun Lee, Soongeun Kwon, Joohyung Lee, Hyosang Yoon

论文亮点

研究背景

• 太空任务中，宇航员即使在舱内活动（IVA）中也面临挑战性环境，需要连续监测生理参数（如体温、脉搏、呼吸率等）以确保健康。
• 现有传感器存在体积大、集成复杂等问题，限制了在太空日常活动中的便利性和有效性。
• 空间望远镜需要抑制杂散光以提高测量灵敏度，传统材料涂层在红外波长吸收弱、易剥离，性能有限。

研究方法

本研究采用飞秒激光直接写入技术制备激光诱导石墨烯（LIG）纺织品：

• 使用掺镱光纤飞秒激光系统（波长1040 nm，脉冲持续时间255 fs，重复频率200 kHz），通过Galvano扫描仪和f-theta透镜将激光束聚焦到Kevlar纺织品上，光斑直径为70 μm。
• 优化激光功率（0.5-2.0 W）和扫描速度（10-100 mm s⁻¹）以获得最佳LIG电导率。
• 对LIG进行表征：扫描电子显微镜（SEM）观察形貌，拉曼光谱和X射线衍射（XRD）分析化学结构，UV-VIS/NIR光谱仪测量光学吸收，激光闪光分析仪（LFA）测量热扩散率。
• 制备LIG基温度传感器和应变传感器，并测试其性能（温度范围-20°C至60°C，应变范围0%-5.4%）。
• 进行热真空测试（真空度≈10⁻³ Torr，温度循环-20°C至60°C，持续时间约40小时）以验证空间适用性。

主要结论

• LIG纺织品在单一平台上实现了多功能集成：可用于宇航员健康监测（温度/应变传感）、空间望远镜杂散光抑制和热管理。
• LIG表现出卓越的性能参数，包括高温度敏感性、高应变因子、宽带光学吸收和优异的热扩散性。
• 热真空测试证实LIG基传感器和光学吸收器在极端空间条件下保持功能性和耐久性，适用于下一代太空服和望远镜。

图1: 制备过程和应用示意图

内容描述: 该图展示了激光诱导石墨烯（LIG）的制备过程和空间应用。(a) LIG的直接激光写入过程。(b) LIG基智能太空服支持宇航员体温监测、运动检测和热管理。(c) LIG空间望远镜实现强杂散光抑制、结构温度传感和导热控制。

分析结果: 该示意图突出了LIG的多功能性和集成性，表明单一材料平台可同时解决太空服和望远镜的关键需求，简化了太空系统的设计。

图2: LIG表征

内容描述: 该图展示了LIG和Kevlar的表征结果。(a) SEM图像显示LIG和原始Kevlar的交叉处。(b) LIG和Kevlar的拉曼光谱。(c) LIG和原始Kevlar的XRD图案。(d) 电阻随激光功率（0.5-2.0 W）的变化。(e) 电阻随扫描速度（10-100 mm s⁻¹）的变化。

分析结果: SEM图像显示LIG具有3D多孔结构，有助于光吸收。拉曼光谱确认了LIG的石墨烯特征峰（D、G和2D峰），XRD图案表明石墨化结构形成。电导率优化表明，适当的热输入（功率和速度）可提高导电性，但过量会导致烧蚀。

图3: LIG基温度传感器和应变传感器

内容描述: 该图展示了LIG基传感器的性能。(a) LIG温度传感器的温度-电阻关系。(b,c) LIG温度传感器的时间响应。(d) LIG应变传感器的应变-电阻变化关系。(e,f) LIG应变传感器在1.0%应变下100次循环的时间响应和可靠性测试结果。

分析结果: 温度传感器显示负温度系数（TCR为-0.068% °C⁻¹），响应时间快。应变传感器具有高应变因子（GF高达454），并在循环测试中表现出良好的耐久性和灵活性，适用于宇航员运动监测。

图4: 光吸收和热扩散性

内容描述: 该图展示了LIG的光吸收和热性能。(a,b) LIG和原始Kevlar的光吸收。(c) LIG S75的SEM图像。(d) LIG和Kevlar的热扩散性。(e-g) LIG和原始Kevlar在深度方向的热扩散演示。

分析结果: LIG的光学吸收高达97.57%（波长190-2500 nm），得益于多孔结构。热扩散率测量显示LIG在厚度方向为6.376 mm² s⁻¹，显著高于Kevlar（0.258 mm² s⁻¹）。热传导实验证实L能快速散热，减少望远镜的热畸变。

图5: 热真空测试和性能保持

内容描述: 该图展示了热真空测试结果。(a) 重复热真空测试的环境条件。(b) LIG基温度和应变传感器在热真空测试中的实时电阻变化。(c-e) 热真空测试后，LIG温度传感器、应变传感器和光吸收器的重新评估结果。

分析结果: 在真空（≈10⁻³ Torr）和温度循环（-20°C至60°C）条件下，传感器保持功能，光学吸收略有改善（97.7%）。测试证实了LIG在空间环境中的可靠性和耐久性，适合实际应用。