三维网络结构石墨烯在真空日光照射下产生推力的试验研究

赵 阔，李潭秋，徐 亭，谢广辉，孙常鹤，闫立群，卫 强，张光群，张同林，邢 飞

（1.北京碳世纪科技有限公司，北京100070；2.中国航天员科研训练中心，北京100094）

1 引言

空间推进技术通常可分为常规化学推进、电推进、微推进和新型推进4类［1］。常规化学推进是目前航天器的主要推进方式，性能继续提升。电推进已成功证明其优势和可靠性，在各种卫星和深空探测器上大量应用，且朝更大功率的方向发展，代表性技术有霍尔电推进、离子电推进、电弧推进等。蓬勃发展的微小卫星对微小推力、小质量、低功耗的微推进提出了迫切需求。无毒化学推进、太阳帆推进［2］、核推进等新型推进技术正在加紧研制或进行空间飞行试验。

南开大学陈永胜教授科研团队研究出一种特殊的石墨烯材料，将该材料放置于真空管中，在不同光源的照射下，“推动”石墨烯可以发生最大距离达40 cm的水平或竖直方向的位移［3］。但该团队没有在模拟太空条件下进行试验，也没有给出石墨烯产生推力的具体数值。

本文首先进行三维网络石墨烯的制备，在模拟太空条件的真空舱中进行试验，利用改装的物理天平测量模拟日光照射石墨烯产生的推力，并分析产生的推力与石墨烯质量和表面积的关系。

2 试验设计

2.1 试剂及试验装置

试剂有天然石墨、浓硫酸（H2SO4，98%）、浓盐酸（HCl，35%）、高锰酸钾（KMnO4）、硝酸钠（NaNO3）、过氧化氢（H2O2，30%）等分析纯试剂。

试验装置有真空舱、物理天平（改装）、电子分析天平、亚克力保护罩、视频检测器及USB延长线、称量纸、笔记本电脑。

其中，真空舱由中国航天员科研训练中心提供，体积为1 m3，舱内的光辐射强度为一个标准太阳光。

改装物理天平，利用其感量（分度）来估算被测物体质量（受到的力）。如图1所示，L表示天平的臂长，M表示横梁及指针的重量（感量砣），G表示横梁及指针的质心，ΔM表示被测物体的质量［4］。调节感量砣会改变G的位置，使得分度值与被测物体质量形成合理的对应关系，这样通过对比舱内外的物理天平分度值就可以测量被测物体的质量变化即受力大小。

图1 物理天平原理示意图Fig．1 Schematic diagram of the principle of physical balance

2.2 三维网络状石墨烯的制备

以天然石墨为原料，采用修正的Hummers［5］法将石墨通过充分插层、深度氧化及水解先制备成氧化石墨，过程如下：

1）在500 mL的烧杯中加入少量质量分数为98%的浓H2SO4，用冰水浴冷却至0℃，边搅拌边加入10 g天然石墨、5 g NaNO3和30 g KMnO4粉末，控制反应液温度在10～15℃，搅拌反应12 h左右；

2）进而升高温度，使反应液温度控制在35℃左右，继续搅拌30 min；

3）升高温度至100℃，加入400 mL去离子水，再继续搅拌30 min；

4）移去温水浴和搅拌器，将反应液稀释后加入一定量的H2O2趁热过滤，用预先配制好的5%HCl和去离子水充分洗涤直至滤液中无SO42－；

5）将所得氧化石墨置于50℃的烘箱中干燥48 h；

6）将干燥后的氧化石墨通过搅拌、超声等处理手段，均匀地分散在醇酮有机溶剂中，再将分散液转移到高压反应釜中；

7）将反应釜密封放入预热烘箱，在180℃的温度下反应12～15 h；

8）待反应釜冷却至室温后，将石墨烯的溶剂置换为去离子水，并在－60℃ ～－40℃进行冷冻干燥处理；

9）最后将冷冻干燥处理的材料放在惰性气氛或不高于10 Pa的环境中于800℃～1200℃下高温焙烧1 h，制得三维网络结构石墨烯材料［6］。

2.3 测试三维网络结构石墨烯在模拟日光照射下所受的推力

在真空舱中放置一水平台面，将改装后的物理天平放置于平台上，在天平两侧加上相同规格的称量纸。测试装置如图2所示。

图2 测试装置示意图Fig．2 Schematic diagram of the test device

1）用电子分析天平称量适量的三维结构石墨烯材料（可通过标压下激光切割的方式获取所需的材料），将其放置于天平右侧的称量纸上；

2）校正物理天平（使平衡指针刚好处于刻度盘居中位置）；

3）用亚克力保护罩将物理天平罩住（避免抽真空过程中空气流动，导致石墨烯从托盘上掉落）；

4）固定摄像头，使摄像头对准刻度盘中心，便于从电脑上直接观测指针的偏转、记录数据；

5）关闭舱门抽真空；

6）在真空度达到一定条件后，开启日光模拟器，使其照射石墨烯材料；

7）观察平衡指针的摆动，截取图片，记录指针的偏转角度；

8）释放空气，打开舱门，取出石墨烯，在天平左右两侧重新放上称量纸，并调平衡，在天平右端添加适当的配重，使得指针偏转角度与石墨烯被日光照射后产生的偏转角度相同，即可间接求得石墨烯在日光照射时产生的推力；

9）重复以上步骤，分别测试不同质量和不同受日光照射面积下，三维结构石墨烯产生的推力大小。

3 三维网络结构石墨烯的性能表征

3.1 三维网络结构石墨烯的宏观状态

采用冷冻干燥法可以得到大小形状不同的三维网络结构石墨烯，呈黑色、密度低、弹性好，如图3所示。图中材料的直径是90 mm，厚度是5 mm。这种石墨烯片可以经过加工组合成不同面积、不同质量的被测物。

图3 三维网络结构石墨烯宏观照片Fig．3 Macro photograph of graphene 3⁃D network structure

3.2 三维网络结构石墨烯的微观结构

图4 为三维网络结构石墨烯扫描电镜图片，可以看出，三维网络结构石墨烯是由大量的石墨烯片层相互搭接在一起，自组装而成。材料含有大量的孔隙，其中单个孔的直径从几纳米到数微米不等。由于在微观上具有三维网络状结构，从而反映到宏观上使材料表现出良好的结构稳定性。

图4 三维网络结构石墨烯扫描电镜图片Fig．4 Scanning electron microscope of graphene 3⁃D network structure

4 原理分析

光子可以将电子从价带激发到导带，实现了粒子的反转状态。石墨烯片层由于其狄拉克锥和无禁带结构而具有独特的光电子性质，使其可以有效地吸收所有波长的光。石墨烯微片吸收光子能量，并转化为喷射电子的动能。而在宏观上产生推力的现象，可以认为是这种独特的石墨烯三维结构中许多石墨烯微片宏观叠加的结果［3］。图5所示为三维网络结构石墨烯所受推力示意图。

图5 三维网络结构石墨烯所受推力示意图Fig．5 The driving forces diagram of graphene 3⁃D network structure

5 数据分析

5.1 日光照射下石墨烯产生的推力和质量的关系

不同质量的石墨烯产生的推力如表1，数据显示：保证真空度大小、模拟日光照射面积一定时，空白对照试验称量纸上不添加石墨烯，没有检测到推力的产生；而添加石墨烯后，可检测到4.9×10－6N的力，可知石墨烯在日光照射条件下产生的推力并非普通光压所产生的力。保证真空度大小和光照面积一定时，增加石墨烯的质量（石墨烯材料放置如图6），石墨烯受到的光推力并没有增加，可知石墨烯受到的光推力与石墨烯的质量无关。此外在模拟日光持续照射的30 min内，石墨烯所受到的光推力大小没有发生变化。

表1 不同质量的石墨烯产生的推力Table 1 Comparison of driving forces generated by dif⁃ferent mass of graphene

图6 不同质量的石墨烯放置示意图Fig．6 Schematic diagram of different quality of gra⁃phene

5.2 日光照射下石墨烯产生的推力和光照面积的关系

不同光照面积的石墨烯产生的推力值如表2所示，数据显示，当保证真空度大小以及石墨烯材料的质量一定时，增加石墨烯受日光照射的有效表面积（石墨烯材料放置见图7），石墨烯受到的推力随之增加，且该推力大小与有效表面积成正比，即有效表面积越大，产生的推力也越大。

表2 不同光照面积的石墨烯产生的推力Table 2 Comparison of driving forces generated by dif⁃ferent illuminated surfaces of graphene

图7 不同光照面积的石墨烯放置示意图Fig．7 Schematic diagram of graphene with different illuminated areas

6 结论

模拟日光照射三维网络结构石墨烯所产生的推力不是传统光压所产生的力；产生的推力大小与模拟日光照射的石墨烯质量无关；与模拟日光照射的有效光照面积成正比；在30 min内没有发生变化。

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［1］ 杭观荣，洪鑫，康小录.国外空间推进技术现状和发展趋势［J］. 火箭推进， 2013， 39（5）： 7⁃15.Hang G R，Hong X，Kang X L.The current situation and de⁃velopment trend of foreign space propulsion technology ［J］.Rocket Propulsion， 2013， 39（5）： 7⁃15.（in Chinese）

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［3］ Zhang T， Chang H， Wu Y， et al.Macroscopic and direct light propulsion of bulk graphene material［J］.Nature Pho⁃tonics， 2015， 9（7）：471⁃476.

［4］ 贺恒武.物理天平上的感量砣的作用及调节［J］.物理实验， 1990（4）：40.He H W.The effect and regulation of the balance weight on physical balance［J］.Physical Experiment，1990（4）：40.（in Chinese）

［5］ Hummers W S，Offeman R E.Preparation of graphite oxide［J］.Am Chem Soc，1958，80（6）： 1339.

［6］ Wu Y， Yi N， Huang L， et al.Three⁃dimensionally bonded spongy graphene material with super compressive elasticity and near⁃zero Poisson’ s ratio［J］.Nature Commun， 2015，6：6141.