基于石墨烯工程木材的超低强度连续波激光烧蚀推进

《Advanced Science》：Ultra-Low Intensity Continuous Wave Laser Ablation Propulsion With Graphene-Engineered Wood

　　

摘要： 传统的推进剂材料，包括聚合物、金属和掺杂聚合物，长期以来一直被研究用于激光烧蚀推进，但在低强度连续波激光照射下实现理想的比冲值仍然是一个挑战。本研究提出了低密度石墨烯脱木质素木材复合材料，作为一种新颖、可持续的连续波激光烧蚀推进剂。实验结果表明，天然木材实现了5043.0 ± 188 s g-1cm3的密度比冲，超过了所有先前报道的传统推进剂的性能。石墨烯脱木质素木材将天然木材的激光能量吸收提高了98.61%，从而实现了0.54 MW m-2的超低烧蚀阈值强度，这是迄今为止达到的最低强度，以及1569.60 ± 57.40 s g-1cm3的优异密度比冲。天然木材和石墨烯脱木质素木材的绝对比冲值分别为907.74秒和800.49秒，而在连续波激光照射下，没有其他材料能达到大于100秒的值。此外，石墨烯脱木质素木材的拉伸强度为273.1 MPa，是天然木材的约10倍，比拉伸强度为533 MPa g-1cm3，在强度重量比上超过了常见的航空航天结构材料。这些发现揭示了轻质且可持续的石墨烯脱木质素木材在各种光和空间应用中的潜力。

一、 研究背景、问题与动机

随着空间探索需求的不断增长，微纳卫星因其平台小巧、重量轻、发射机会灵活等优势，应用日益广泛。这类卫星需要推力在微牛到毫牛量级的微推进系统来进行轨道机动和姿态调整。激光烧蚀推进（Laser Ablation Propulsion, LAP）是一种有前景的微推进技术，它通过将激光束射向目标材料，使其吸收能量、快速加热、蒸发/电离，喷出烧蚀物质产生反冲推力，从而消除了对传统高压推进剂储罐和阀门的需求，非常适合微纳卫星任务。

然而，现有的LAP推进剂材料面临诸多挑战，难以在低强度连续波激光照射下同时实现高性能。金属材料具有高比冲（I_sp），但其高热导率和高沸点导致烧蚀阈值强度极高，冲量耦合系数（C_m）较低，且其产生的溅射颗粒在近地轨道有催化臭氧消耗的风险。聚合物材料烧蚀阈值和C_m表现较好，但能量吸收效率低、质量消耗率高，导致I_sp较低。通过使用含能聚合物或掺杂碳/金属来增强性能的方法，又会带来释放有害气体、填料分散不均等问题。实现上述材料烧蚀通常需要高功率连续波激光或超短脉冲激光，这与当前微纳卫星平台的承载能力不兼容。

因此，理想的LAP推进剂需要结合聚合物的低密度、低烧蚀阈值，以及碳材料和金属的高强度重量比、高I_sp特性，同时确保环境安全。基于此，研究人员开展了本研究，旨在探索将石墨烯脱木质素木材作为低强度连续波激光烧蚀推进的候选材料。木材的低密度、可持续性、低热导率以及其固有的多尺度孔隙和各向异性分层聚合物结构，使其成为有吸引力的候选材料。通过脱木质素和石墨烯功能化，可以调控其化学组成、微观结构和LAP性能。石墨烯因其宽光谱吸收、高热导率等特性，被选为添加剂以增强光吸收效率。本研究的目标是探究木材改性分级结构和石墨烯的添加如何影响激光烧蚀和推进行为，相关成果发表在《Advanced Science》期刊上。

二、 主要技术方法概述

本研究采用了材料制备、表征、性能测试相结合的方法。首先，通过微波辅助膨胀插层石墨制备膨胀石墨，再经高压均质机剥离得到石墨烯。其次，将天然木材在一定浓度的NaOH/Na₂SO₃溶液中处理不同时间以脱除部分木质素和半纤维素，得到脱木质素木材。接着，通过“浸渍-冲击”法将石墨烯分散液浸渍到收缩的木材中，再经热压干燥致密化，制备出石墨烯脱木质素木材复合材料。材料表征方面，使用了扫描电子显微镜分析微观结构、孔隙率和细胞壁厚度；通过拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱分析石墨烯的形成及木材组分变化；利用紫外-可见光谱测量材料的光反射和透射特性以计算吸收率。性能测试方面，在真空环境中采用悬摆法，使用连续波激光照射样品，通过追踪摆锤运动来测量推力、C_m和I_sp等推进参数；同时进行了力学拉伸测试以评估材料的机械性能。

三、 研究结果与发现

1. 材料制备、LAP应用及与常见材料的比较

研究人员成功制备了GDW复合材料。性能对比雷达图显示，天然木材和GDW-25在多项关键性能指标上优于传统的铝和聚四氟乙烯材料，展现了其作为下一代空间材料的潜力。

2. SEM图像及NW、DW和GDW的孔隙率和细胞壁厚度分析

SEM分析表明，脱木质素和石墨烯增强改变了木材的微观结构。脱木质素使得木材纤维排列更紧密，细胞壁出现“褶皱”结构，增加了材料的柔韧性。与天然木材相比，DW-25和GDW-25的孔隙率降低，细胞壁厚度变薄。GDW-25表面可观察到均匀的石墨烯涂层。

3. NW、DW-x和GDW-x的表征

4 ions and grey mesh represents carbon sheets. (B) Raman spectra of graphene and GDW-25. (C) FTIR spectra of NW and DW-x. (D) FTIR spectra of DW-x and GDW-x. (E) Volume reduction with delignification time. (F) Tensile strengths parallel to the fiber direction of NW, DW-x, and GDW-x composites.">

表征结果确认了石墨烯的成功制备与负载。FTIR分析证实脱木质素去除了木质素和半纤维素，且脱木质素时间增加，去除程度增大，导致样品体积收缩。石墨烯与木材之间存在相互作用。力学测试显示，脱木质素和致密化处理显著提高了材料的拉伸强度，GDW-25的拉伸强度达到273.13 MPa，是天然木材的十倍以上。

4. GDW-x的LAP实验装置、结果和表征

C_m, and (D) I_spof the samples. UV–vis spectra of the (E) reflection and (F) transmission of the samples, showing the effect of delignification time and graphene enhancement. (G) Comparison showing a positive correlation between the porosity and C_m. (H) Comparison showing a positive correlation between the cell wall thickness and I_sp.">

LAP性能测试表明，脱木质素时间是调控性能的关键参数。随着时间增加至20小时，推力和C_m达到峰值，这与孔隙率的变化趋势一致，表明适度的孔隙率有利于烧蚀产物的轴向喷射和动量传递。而I_sp则随脱木质素时间持续增加，在GDW-25时达到最大值800.49 ± 28.51秒，这与细胞壁厚度变薄、光吸收增强的趋势相符。GDW-25实现了0.54 MW m^-2的超低烧蚀阈值。

5. 不同强度下NW、DW-25和GDW-25的LAP结果及与先前工作的比较

C_m, (B) Thrust, and (C) I_spof the samples at different laser intensities. (D) Comparison of specific I_{sp and intensity with other material types.">}

在不同激光强度下的测试显示，C_m、推力和Isp均随强度增加先升后降，存在最佳值。与文献中其他LAP推进剂材料相比，本研究开发的天然木材和GDW-25在比冲和烧蚀强度方面表现出色，开辟了连续波激光烧蚀推进的全新性能区间，其推力水平也远高于之前报道的石墨烯帆和石墨烯气凝胶系统。

6. 激光照射后NW、DW-25和GDW-25的表面形貌比较及LAP机制

激光照射后的表面形貌分析揭示了不同材料的光-物质相互作用机制。天然木材烧蚀坑较深，边缘较粗糙，表明其光热转换和烧蚀过程。脱木质素木材因细胞壁变薄、光限制增强，烧蚀坑面积和深度减小，但边缘更粗糙，可能喷出更大颗粒。石墨烯脱木质素木材因石墨烯层的高效吸热和热扩散，烧蚀坑最浅但面积最大，边缘光滑，表现出横向烧蚀扩展的特点。这表明石墨烯增强了热传导，木材结构则增强了光限制，共同优化了烧蚀过程。

四、 讨论与结论总结

讨论部分总结：

研究人员深入探讨了微观结构（孔隙率、细胞壁厚度）对LAP性能的影响机理。孔隙率通过影响烧蚀产物的轴向约束来主导冲量耦合系数，而细胞壁厚度通过影响光吸收和限制来主导比冲。脱木质素时间可作为细胞壁工程策略，用于在机械反冲主导的推进模式和高比冲推进模式之间进行权衡优化。此外，研究还对比了GDW与基于石墨烯的其他光推进系统（如光帆）的差异，指出GDW的推力机制源于烧蚀物质喷射的直接动量反冲，因此能产生更大的推力。研究也指出，样品整体厚度对推进参数无直接影响，并提及未来需研究GDW在空间环境长期暴露下的性能稳定性。

研究结论翻译：

本文提出了一种利用天然木材和石墨烯脱木质素木材复合材料作为下一代空间应用推进剂的连续波激光烧蚀推进概念。木材的低热导率与石墨烯的高能量吸收的协同组合，产生了高性能的GDW-25，其具有0.54 MW m^-2的超低烧蚀阈值强度和1569.60 ± 57.40 s g^-1cm³的密度比冲，超过了文献中的报道值。这些结果表明，对于给定的体积，所开发的GDW推进剂能够以更少的质量提供相同的总冲量。这种高能量密度特性对重量受限的微纳卫星任务尤其具有吸引力。研究也首次展示了在连续波激光照射模式下可获得的最大绝对比冲值为800.49 ± 28.51秒，而在此之前即使要获得高于100秒的比冲也被证明是一个重大挑战。通过微调木材的细胞结构并优化光-材料相互作用，可以预期获得更高的激光烧蚀推进性能，从而为激光推进应用的未来研究开辟新途径。这些发现概括了石墨烯脱木质素木材和木质复合材料作为潜在下一代空间材料的重要性，使得以前微纳卫星无法实现的低质量、超低功率和可持续的空间任务设计成为可能。