光子辅助定向冷冻干燥后的对称石墨烯气凝胶的位移

《Materials & Design》：Photon-assisted displacement of directionally freeze-dried symmetric graphene aerogels

光辅助位移石墨烯气凝胶真空环境下优化密度与冷冻工艺（液氮）显著提升推力至36.6 μN，验证Knudsen热泵主导机制，层间距4.6 μm与孔隙率72%协同增效。

　　在当前的航天技术发展背景下，探索新型推进系统成为研究的重点。传统的化学推进系统虽然在短期内具有较高的推力，但其依赖于携带燃料，这不仅增加了发射成本，还限制了航天器的运行时间和任务范围。相比之下，光子推进技术提供了一种无需携带燃料的替代方案，通过利用光子的动量传递机制来产生推力。这一技术尤其适用于低质量平台，如微型卫星和立方星，其中即使微小的光力也能带来可观的加速度。本文研究了石墨烯及其相关材料（GRMs）在光子辅助位移中的表现，重点探讨了不同微观结构对位移性能的影响，特别是通过定向冷冻技术优化的石墨烯气凝胶。

石墨烯气凝胶作为一种轻质、高孔隙率的三维结构材料，其独特的物理和化学性质使其在光子推进领域展现出巨大潜力。通过定向冷冻技术，可以实现气凝胶内部结构的有序排列，从而形成具有方向性层状结构的材料。这种结构不仅影响了气凝胶的机械性能，还显著提升了其在光子辅助位移中的表现。研究发现，在较高真空条件下，石墨烯气凝胶表现出更优的位移性能。这可能是由于真空环境减少了空气分子对气凝胶内部分子运动的阻碍，从而提高了能量传递效率。此外，通过调整气凝胶的密度和冷冻技术，可以进一步优化其位移性能。

实验中使用的石墨烯气凝胶具有不同的密度，从0.16 mg/cm3到100 g/cm3不等。研究发现，较高密度的气凝胶在光子辅助位移中表现出更优的性能。例如，一个密度为16.3 mg/cm3的气凝胶，在3.5 W的激光照射下，其推力达到了36 μN，这是目前文献中记录的最高推力值。这一结果表明，通过优化材料的密度和结构，可以显著提升光子辅助位移的效率。此外，研究还发现，气凝胶的微观结构特征，如孔隙率、孔径分布、层间距和各向异性，对光子辅助位移的性能具有重要影响。

在材料合成方面，研究使用了石墨烯水基墨水，并通过添加羟乙基纤维素（HEC）作为粘合剂，调整墨水浓度以获得不同密度的气凝胶。通过定向冷冻技术，研究人员能够控制气凝胶内部的孔隙结构，使其呈现出更有序的层状排列。这种结构的优化不仅提高了气凝胶的机械强度，还增强了其在光子辅助位移中的响应能力。实验中还采用了扫描电子显微镜（SEM）对气凝胶的微观结构进行详细分析，以评估不同冷冻技术对材料性能的影响。

为了验证光子辅助位移的效果，研究构建了一个先进的实验平台，包括真空热真空舱（TVAC）和高精度激光测试系统。该平台能够提供稳定的真空环境，并精确控制激光功率和光束对准。实验结果显示，在不同真空条件下，气凝胶的位移和推力表现存在显著差异。特别是在高真空环境中，气凝胶的运动更加顺畅，推力也相应提高。这表明，真空水平是影响光子辅助位移性能的关键因素之一。

此外，研究还探讨了不同激光功率对气凝胶性能的影响。实验表明，随着激光功率的增加，气凝胶的位移、速度和推力均有所提升。然而，较高的激光功率也可能导致气凝胶结构的快速变化，从而影响其长期性能。因此，需要在激光功率和材料稳定性之间找到一个平衡点，以确保光子辅助位移的可持续性和可靠性。

研究还发现，定向冷冻技术在提升气凝胶的性能方面具有显著优势。通过使用液氮（LN）进行定向冷冻，可以实现更紧凑的层状结构，从而提高气凝胶的各向异性。这种结构优化使得气凝胶在光子辅助位移过程中表现出更强的方向性和更高效的能量传递。相比之下，传统的等向冷冻方法虽然也能生成气凝胶，但其结构较为松散，导致气凝胶在位移过程中表现出较低的效率。

为了进一步分析气凝胶的性能，研究采用了定量评估方法，包括对气凝胶微观结构特征的提取和与位移性能的统计相关性分析。这些结构特征包括孔隙率、孔径分布、层间距和各向异性。通过这些参数的分析，研究人员能够更全面地理解光子辅助位移的机制，并为未来的材料优化提供理论依据。实验结果表明，孔隙率的降低和层间距的减小有助于提高气凝胶的位移性能，而各向异性的增强则进一步提升了其在特定方向上的运动效率。

综上所述，本文的研究为光子辅助位移技术在航天领域的应用提供了重要的理论基础和实验支持。通过优化材料的微观结构和环境条件，研究人员成功实现了较高推力的光子辅助位移，这为未来的微型航天器设计和推进系统开发提供了新的思路。尽管目前的推力水平尚不足以支持传统的航天任务，但在微尺度应用中，如立方星姿态控制和轨道调整，这一技术具有显著的潜力。未来的研究可以进一步探索如何在不同材料和结构设计下提升光子辅助位移的效率，从而拓展其在航天技术中的应用范围。