Graphene/epoxy coating with radiation heat dissipation properties for spacecraft thermal management

石墨烯/环氧涂层具有辐射散热特性用于航天器热管理

第一作者: Ning Li (李宁)

通讯作者: Yawei Xu (徐亚威), Jing Li (李静)

华南理工大学化学与化学工程学院，广州 510641

北京空间飞行器总体设计部航天器热控技术重点实验室，北京 100086

DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165105

PDF原文

期刊名称: Chemical Engineering Journal

发表年份: 2025年

论文亮点

            使用焦耳加热方法在100秒内快速还原氧化石墨烯，获得低缺陷还原氧化石墨烯
制备的石墨烯/环氧复合涂层实现了高达0.93的红外发射率，显著提高了散热效率

研究背景

在空间环境中，航天器散热主要依赖热辐射，但传统铝散热器发射率较低(0.1-0.2)，限制了散热性能
为提高散热效率，需要增强铝散热器的表面发射率，同时确保涂层在热循环条件下的附着力
现有研究多关注发射率提升，但忽视了涂层在热循环下的附着力问题，限制了其实际应用

研究方法

1. 材料制备

使用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯(GO)，通过焦耳加热在2400°C下快速还原100秒获得还原氧化石墨烯(RGO)

2. 非共价修饰

使用1-苯基癸酸(PBA)和辛基酚聚氧乙烯醚(POPE)对RGO进行非共价修饰，获得改性还原氧化石墨烯(mRGO)，提高其在水性环氧树脂中的分散性

3. 涂层制备

以mRGO为主要填料，水性环氧树脂乳液为基体，添加3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)增强涂层与铝基板的附着力，制备石墨烯/环氧复合辐射散热涂层(GERC)

4. 表征方法

使用扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等技术对材料进行表征，测量涂层发射率、附着力强度和散热性能

主要结论

成功开发了石墨烯/环氧复合辐射散热涂层(GERC)，在4wt% mRGO填料含量下表现出优异的散热性能，散热效率达24.15%
涂层实现了高达0.93的红外发射率和10.6MPa的附着力强度，显著提高了铝基板的散热能力
该研究为航天器热管理提供了新材料选择和技术解决方案，具有广阔的应用潜力

GERC制备工艺示意图

图1: GERC制备工艺示意图，展示了从GO到mRGO的制备过程以及涂层形成机制

该示意图详细展示了石墨烯/环氧复合涂层(GERC)的制备流程。首先通过焦耳加热方法快速还原氧化石墨烯(GO)获得低缺陷还原氧化石墨烯(RGO)，然后通过非共价修饰改善其分散性，最后与水性环氧树脂混合制备复合涂层。

GO、RGO和mRGO的形貌与结构分析

图2: (a)-(c) GO、RGO和mRGO的宏观照片；(d)-(f) SEM图像；(g)拉曼光谱；(h)XRD图谱；(i)FTIR光谱

结果表明，GO粉末呈深黑色，微观上呈块状聚集；经过焦耳加热还原后，RGO呈灰黑色，呈现蓬松结构且有多层片状堆叠；非共价修饰后的mRGO保持了片状尺寸(5-10μm)，多层堆叠现象显著减少。拉曼光谱显示RGO的ID/IG比为0.124，表明缺陷密度降低，结晶度提高。

APTES处理对涂层附着力的影响

图3: (a)GERC与APTES反应示意图；(b)APTES在铝板上的SEM图像；(c)不同浓度APTES溶液水解电导率随时间变化；(d)水解1小时后不同APTES浓度的FTIR光谱；(e)不同APTES浓度的GERC附着力测试

使用APTES硅烷偶联剂处理铝基板表面，形成厚度约3-5μm的致密均匀硅烷处理层。附着力测试表明，经过硅烷表面处理后，涂层在铝板上的附着力显著提高了273%，最大附着力达到10.2MPa，是未处理铝板的3.4倍。最佳硅烷含量为10%，此时保持了高Si-OH含量同时有适量Si-O-Si基团参与硅烷层形成。

GERC涂层结构与性能分析

图4: (a)GERC表面SEM图像和C、O、N、Si元素EDS分析；(b)GERC截面SEM图像和C、O、N、Si元素EDS分析；(c)GERC截面SEM图像和界面结合机制；(d)GERC及其组成材料的XRD图谱；(e)GERC的TG和DTG曲线；(f)不同mRGO填料含量GERC的温度升高曲线；(g)不同mRGO填料含量GERC的热梯度和热效率；(h)GERC表面形貌；(i)GERC附着力测试网格法示意图

SEM和Mapping结果显示，碳(C)、氮(N)、氧(O)和硅(Si)元素在涂层表面均匀分布，无聚集现象，表明mRGO填料和二氧化硅在涂层中分散良好。截面SEM图像清晰显示了铝板、硅烷处理层和石墨烯辐射散热涂层的分层结构。热重分析表明涂层具有优异的热稳定性。当mRGO填料含量达到4wt%时，平衡温度最低(68.6°C)，散热效率最高(24.15%)。

GERC热管理机制示意图

图5: (a)GERC内部结构示意图；(b)GERC红外辐射吸收示意图；(c)GERC红外辐射发射示意图

GERC内部石墨烯片的随机分布形成了复杂的热传导网络，由于石墨烯固有的优异面内热导率，这种随机排列增强了环氧树脂在各个方向的热导率。GERC的高表面粗糙度归因于其众多的微观突起和凹陷，这些微结构使入射热辐射在表面经历多次吸收和反射事件，降低了反射辐射的能量，从而提高了GERC的吸收率。此外，由于石墨烯在GERC中的随机分布，热辐射还在石墨烯片之间经历多次反射和吸收，形成"微型黑体"结构，赋予GERC卓越的红外吸收特性。