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来源：艾邦高分子 2025-05-07 10:25:04
如何让卫星既轻便又“全能”？传统卫星结构需要叠加机械框架、散热模块和电路系统，不仅体积臃肿，还容易被太空辐射“击穿”。
最近，哈尔滨工业大学科研团队在《Engineering》发表论文，提出一种“搭积木”式设计方法，结合自主研发的高温3D打印技术，借助PEEK粘合，首次将承载、导电、导热和辐射屏蔽四大功能集成到单块复合材料板中。
实验显示，这种新型结构的刚度比传统材料高21.5%，热导率提升近6倍，还能阻挡28%的太空质子辐射。
卫星瘦身难题：功能越多，重量越重？
卫星结构堪称“太空瑞士军刀”——既要承受火箭发射的剧烈震动，又要为电子设备散热，还得在极端辐射环境下保护精密仪器。传统方法依赖螺栓固定多个功能模块，导致结构复杂、重量超标。尤其对于仅鞋盒大小的纳米卫星，如何在很小的空间里塞入电路、散热片和防辐射层，成为行业难题。
论文第一作者张岩博士打了个比方：“就像给手机装散热器，如果直接在主板背面贴金属片，手机厚度会增加，还可能干扰信号。”此前有团队尝试将锂电池嵌入卫星夹层，但金属部件密度高，反而让整机增重。
“千层饼”设计：一层解决一个痛点
研究团队借鉴3D打印的“分层制造”思路，像搭千层饼一样设计多功能结构，设计出五层复合结构：底层用聚醚醚酮（PEEK）编织铝丝网，提升刚度和辐射屏蔽，中间夹层填充碳纤维和铝块，前者减重，后者导热，顶层嵌入铜丝电路并用硅胶垫绝缘，最后用纯PEEK封装。各层通过高温熔融的聚醚醚酮（PEEK）无缝粘合。
这种“一层一功能”的设计并非简单堆砌。团队通过遗传算法优化每层厚度，确保整体重量比纯PEEK结构还轻1% （160.9克 vs 162.5克）。“就像优化行李箱收纳，既要多装物品，又不能超重。”论文通讯作者李龙求教授解释。
高温“烹饪术”：金属和塑料同时打印
实现该设计的关键，是一台能“同时煎牛排和烤蛋糕”的3D打印机。传统3D打印要么打塑料，要么打金属，而团队研发的设备在500℃高温腔室内，通过同轴喷嘴同步挤出PEEK熔液和金属丝/碳纤维。铝丝在高温下变软，与塑料紧密结合，解决了金属-塑料分层脱落的老大难问题。
实验中，这种工艺制造的复合材料孔隙率低至1.5%（传统3D打印塑料孔隙率约8.6%）。用其打印的卫星面板，在弯曲测试中即便发生形变，内嵌的电路仍能正常工作。当面板弯折4.75毫米时，外部LED灯依旧亮着——这相当于成年人用力掰弯手机后，触摸屏仍能滑动。
实测数据：防辐射、导热性能逆袭
研究团队用35MeV质子束（相当于太空辐射环境）轰击面板，发现新型结构将质子穿透深度从9.35毫米降至6.74毫米，屏蔽效率提升27.9%。导热测试更惊人：在200℃热源下，PEEK材料的导热系数仅0.25 W/m·K，而复合结构飙升至1.67 W/m·K，足以快速导出电子元件热量。
这些性能让卫星结构告别“叠叠乐”。团队用该技术打印出立方体卫星原型，6块面板分别集成传感器、通讯芯片和供电模块，组装后成功实现温湿度监测和云端数据传输。李龙求表示：“未来宇航员可以用类似技术，在空间站直接打印替换零件。”
挑战与未来：太空打印的“温度密码”
尽管优势显著，这项技术仍有局限。例如，高温打印可能导致材料性能波动，碳纤维在喷嘴内容易断裂。团队目前正研究自适应温度控制算法，未来计划在零重力环境下测试打印工艺。
这项研究为我国航天器轻量化提供了新思路。正如审稿人所言：“它证明3D打印不仅能‘塑形’，还能‘造功能’——这是太空制造的重要一步。”
这项技术已应用于我国某低轨卫星项目，预计2025年完成在轨验证。随着深空探测任务增多，此类“全能铠甲”或将成为下一代航天器的标配，助力我国在太空基建竞赛中占据先机。
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