专家观点 | 新材料及其在航天的应用——碳纳米管复合材料
作者简介：
付耀耀，博士，中国科学院宁波材料所智库中心主管，江厦智库《中国新基建与5G智慧城市》课题组专家。
碳纳米管复合材料及其在航天器中的应用
（一）概述
传统复合材料由于自身限制无法实现高强度，高刚度和高韧性综合为一体的飞行器要求，科学家开始设想高强轻质，高温稳定性，良好电学性能综合为一体的多功能结构成为新一代飞行器设计理念。在1991年，日本科学家Ijima明确提出碳纳米管的结构、形貌和制备工艺后，科学家不断发现碳纳米管其独特的优异性能，特别是其突出的比强度和比刚度。尤其是良好的径向稳定性，结构的稳定性使碳纳米管表现出良好的抗变形能力。单壁碳纳米管的杨氏模量可达5TPa，其强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。其杨氏模量和剪切模量与金刚石相同，多壁碳纳米管的轴向杨氏模量实验值为200Gpa-4000Gpa。此外，碳纳米管还具有极高的强度和韧性，其一般弹性应变约为5%，最高可达12%，约为钢的60倍左右。多壁碳纳米管的轴向弯曲强度为14GPa，轴向压缩强度为100GPa。碳纳米管典型结构如下图所示。因此，碳纳米管被认为是终极的增强纤维，有望成为高性能复合材料的理想增强体。例如碳纳米管现在已经可以大量生产，作为聚合物的增强材料。碳纳米管已经被成功应用增强纳米复合材料的性能。
比人的头发小几千倍的碳纳米管结构
纳米管装订技术
到目前为止，人类对碳纳米管的认识也是其全部潜力的一小部分。碳纳米管的性能，特别是强度和电学性能，显著区别于石墨纤维，而导致产生新类型的复合材料。例如麻省理工学院的NECST联合体研究的纳米管装订技术，如图5-2所示，其基本原理是通过在复合材料层间放置碳纳米管，将复合材料铺层更加牢固地固定在一起。这种技术可以使材料韧性提高10倍以上，而且还有助于提高结构材料的隐身、防雷击、防静电及防电磁干扰性能。
（二）下一代航天器对材料的基本要求
未来航天飞行器的革命性设计理念将依靠非凡的材料性能，减少航天飞行器组成部分的重量和体积，提高气动效率，最小化能量要求和对环境的危害，同时表达智能，这需要积极脱离现有的飞行器设计概念。这个目标可以通过容纳多功能结构，例如，热分散和环境感知结构件实现。由于具有综合了电性能和力学性能，碳纳米管被期望在设计理念上能实现这个范例转变。
目前航天飞行器结构依靠碳纤维复合材料获得减轻重量，而不牺牲力学性能，然而，石墨纤维复合材料满足了重量减轻要求，但是没有与主要作为承载结构分开。与碳纤维相比，碳纳米管具有不仅具有优越的力学性能和低密度获得必要的减轻重量，而且它们具有卓越的电学和热学性能，可以构造多功能结构。碳纳米管在这方面应用会为未来基于多功能结构材料的飞行器赋予激进的设计理念，然而，在转移碳纳米管的性能到未来一代的飞行器的宏观结构仍面临着许多重大挑战。
（三）碳纳米管复合材料的分类、制备及加工方法
开发常规方法合成碳纳米管引起探讨特殊物理性能的强烈兴趣。加入碳纳米管后，复合材料的导电性、强度、弹性、韧性和耐久性会明显的提高。然而，有效地利用碳纳米管取决于碳纳米管在基体中的均匀分散，而不破坏碳纳米管的整体性。进而，需要好的界面粘结获得界面荷载传递，才能提高复合材料力学性能。高的长细比有利于在复合材料中沿轴向取向，在其它应用方面，高的轴向导电能力利于制备导电聚合物。
目前，碳纳米管复合材料主要分为碳纳米管与有机物、碳纳米管与金属类复合材料，另外还包括碳纳米管与无机材料的复合材料。
1. 碳纳米管/聚合物复合材料
碳纳米管/聚合物复合材料主要应用碳纳米管作为材料增强体，改善材料的导电性和材料的光电子性能方面。例如碳纳米管增强的聚酰亚胺纳米复合材料被认为在许多领域，特别是在航天领域有潜在应用。传统航天飞行器采用碳纤维增强聚酰亚胺复合材料，碳纤维增强聚合物基复合材料技术已经发展到很很成熟，可以通过各种成型工艺，如缠绕，拉挤，铺放实现设计所需要的三维结构。而碳纳米管增强聚合物基复合材料目前还没有达到这种程度。目前主要工作还集中在分散和定向。除了和基体不连接的碳纳米管滑移现象，基体中碳纳米管束团聚会明显降低增强材料的长细比（L/d）。化学气相沉积（CVD）方法制备的碳纳米管，在碳纳米管的生长过程中，团聚现象显著。实现碳纳米管在基体中的均匀分散同时，很关键要控制结构和定向，这样才可以发挥碳纳米管的轴向荷载传递效率。定向碳纳米管系统的表征是理解纳米复合材料的基本增强机理的关键，碳纤维复合材料传统上由预浸布作为前躯体制备而成。和碳纤维相比，碳纳米结构如何跨越到宏观复合材料结构的机理还不是很清楚，部分原因是碳纳米管的独特性，同时碳纳米管彼此有很强的吸引力，形成类似于碳纤维的高刚度和高强度长纤维仍然很模糊。然而，由于有吸引力的力学和电学综合性能，开展利用碳纳米管潜力实现多功能结构的努力依然持续。最佳的结果，在纳米复合材料所具备的性能基础上，利用碳纳米管代替石墨纤维。
碳纳米管在高聚物复合材料中的应用首先要解决的问题是分散性。为了提高分散能力及增加碳纳米管与聚合物界面的结合力，需要对其表面进行改性。主要目的是降低它的表面能态，提高其与有机相的亲和力，使其能比较好地应用到聚合物的复合材料中。
（1）改性方法
常用的改性方法主要有化学法和物理法两种。
1）化学法
利用化学反应或高的外加能量在碳纳米管表面引入特定的官能团，从而达到改变其表面性质的方法。具体包括以下几种方法：
①表面处理改性。利用酸化或磺化反应等化学手段处理碳纳米管，在碳纳米管上获得某些官能团，改变其表面性质以符合某些特定的要求（例如表面亲水性、生物相容性）；
②外膜改性。在碳纳米管表面均匀包覆一层其他物质的膜，使其表面性质发生变化；
③局部活性改性。利用化学反应使碳纳米管表面接枝不同官能团，与聚合物复合后使复合材料具有新功能；
碳纳米管/两亲性聚合物复合材料将拥有更加优异的性能，在信息、生物医学、催化等领域将得到重要应用。
2）物理法
这种方法运用粉碎、摩擦等方法，利用机械应力对碳纳米管表面进行激活以改变其表面物理化学结构而对其进行改性的方案。这种方法使碳纳米管的内能增大，在外力作用下活化的碳纳米管表面与其他物质发生反应、附着，以达到改性的目的。主要通过超声分散或利用很大的剪切力来处理碳纳米管，防止其团聚，达到良好的分散效果。
（2）制备方法
碳纳米管/聚合物复合材料的合成方法一般有两种。一种是在碳纳米管存在下的原位聚合。该方法是利用碳纳米管表面的官能团参与聚合，或利用引发剂打开碳纳米管的π键，使其参与聚合而达到与有机相的良好相容性。另一种方法是物理共混，又分为溶液共混和熔体共混。它是利用碳纳米管上的官能团和有机相的亲和力或空间位阻效应来达到与有机相的良好相容性。目前已用这两种方法制备出了聚丙烯酸甲酯/CNTs（PMMA/CNTs）、尼龙-6（PA6）/CNTs、聚吡咯（PPY）/CNTs、PmPV/CNTs、PPV/CNTs及环氧树脂/CNTs复合材料等多种聚合物/CNTs复合材料。
研究结果显示，几种方法制备的碳纳米管/聚合物复合材料中，原位聚合法制备出的复合材料导电率最低，逾渗值为质量分数的0.06%；溶液共混法获得的逾渗值为质量分数的0.05%~0.1%，熔体共混法制备的碳纳米管/聚合物复合材料逾渗值最高，质量分数为0.1%~0.2%。采用哪一种方法制备该类复合材料需要根据所采用的聚合物种类、碳纳米管的情况、实验条件以及复合材料所能达到的性能等来综合考虑。
2. 碳纳米管/金属/陶瓷复合材料
由于传统金属的性能也不能满足日益发展的技术的实际需求，因而对材料进行改性也成为一种发展趋势。碳纳米管由于其独特的力学和物理特性，以其作为金属基体的增强体也越来越受到关注。将其与金属材料复合后能得到各种高性能的新型复合材料。这已成为研究碳纳米管复合材料的一个极为重要领域。其中纳米管增强铝基复合材料和纳米管增强镁基复合材料是近年研究的热点。
（1）纳米管增强铝基复合材料
由于不连续增强铝基复合材料优异的性能，在航空、航天和汽车等领域中具有广阔的应用前景。对这种材料而言，增强相的合理选择对其性能改善至关重要。传统上，铝基复合材料采用SiC、A12O3等陶瓷粒子作为增强相，近年来纳米尺度的新型增强相——碳纳米管引起人们的极大兴趣。碳纳米管铝基复合材料具有密度低、高强度、抗氧化性好和耐腐蚀等优点，成为尖端技术部门发展高性能结构材料的研究方向。虽然碳纳米管铝基复合材料还处在试验阶段，但取得了很大的进展。
Barrera等应用富勒烯作为铝基增强相使纯铝硬度提高了近80%。吴昊等采用粉末冶金常压烧结与高温模压和热挤压相结合的工艺制备了碳纳米管增强铝基复合材料。结果表明，随着碳纳米管含量的增加（质量分数0~2%），复合材料的硬度逐渐升高，抗拉强度先升高后下降。当碳纳米管含量为1.5%时抗拉强度达370MPa，硬度和抗拉强度分别比纯铝提高了433%和236%。当碳纳米管含量为2%时，复合材料的摩擦因数和磨损量分别比纯铝降低了63%和14%。许世娇等采用高能球磨法制备了不同体积分数的碳纳米管与Al粉的混合粉末，用粉末冶金工艺制备了碳纳米管/铝（CNTs/Al）复合材料。微观结构分析表明，球磨可以分散一定含量的碳纳米管到A1基体中，并与其产生良好结合。在适当的球磨工艺下，球磨不会造成碳纳米管的严重损伤。赵霞等用搅拌摩擦加工法制备碳纳米管增强铝基复合材料，并对不同碳纳米管含量的复合材料的微观结构、拉伸性能及断口形貌进行分析。结果表明：碳纳米管添加到铝基体中，搅拌摩擦中心区晶粒细小，碳纳米管与基体之间结合良好，未发现明显的缺陷；碳纳米管对基材有明显的强化作用，铝基复合材料抗拉强度随着碳纳米管含量的增加而提高；碳纳米管体积分数为7%时，抗拉强度达到201MPa，是基材的2.2倍
碳纳米管作为理想的纳米级纤维增强相。理论上可以极大地提高金属基体的力学性能，但是实际研究中其力学性能远未达到理想值。这主要是由于碳纳米管自身表面能极高而容易发生团聚，且与铝基体润湿性差而导致界面结合很不理想所致。复合材料的界面是影响复合材料综合性能的重要因素之一。所以应加强对CNTs/Al复合材料的界面研究，充分挖掘其潜力以获得性能优良的CNTs/A1复合材料。
（2）纳米管增强镁基复合材料
碳纳米管/镁基复合材料具有碳纳米管和镁基体的综合优点，即高的导热率、高比强度、比刚度、高的尺寸稳定性，还具有优良的电磁屏蔽性能、优良的机械加工性能，可生产各种铸件、锻件等。因而在航空航天、汽车工业、3C产业、运动娱乐以及其他领域都将有可能得到广泛运用。
在镁基体材料中，微小裂纹源的存在造成应力的集中而导致裂纹扩展，致使镁基体材料发生断裂。但当碳纳米管均匀地分布于镁基体材料中时，由于碳纳米管比表面积大、直径小且经表面改性处理后与镁基体间的润湿性比碳纤维好，而且碳纳米管具有很好的热稳定性和耐腐蚀性，所以碳纳米管不易与镁基体反应形成脆性界面，而是与镁基体材料紧密结合形成性能优异的碳纳米管/镁基复合材料。外加的载荷将通过强界面的结合和传递分布到碳纳米管上，因此，镁基复合材料的弹性模量将会大大提高。另外，由于碳纳米管直径为纳米级，其晶格缺陷比碳纤维小得多，所以可显著提高复合材料的强度。
李四年等研究结果表明，采用化学镀镍处理，可在CNTs表面获得均匀且结合力较强的涂覆层，改善其与基体的润湿和结合状况。CNTs对镁基材料具有较好的增强效果，且经过涂覆处理的CNTs，其增强效果更明显。李维学等[21]采用搅拌铸造法制备CNTs和SiCp增强镁材料，研究结果表明随CNTs加入量的增加，复合材料的硬度增大，而抗拉强度则先增大后减小．当CNTs体积分数为1.1%时，复合材料的抗拉强度提高了86%，硬度提高了22.6%。
虽然人们在镁基复合材料的研究上取得了很大进展，但仍存在很多的问题。比如，镁基复合材料的界面强化机理和复合机理等基础研究还不够理想，复合材料的制备工艺还有待改进和完善，还待进一步提高增强相性能等等。塑性好、高强度、储氧性能优良的碳纳米管/镁基复合材料正在引起研究者的关注。
（3）制备方法
目前，碳纳米管增强铝基/镁基复合材料的常用制备方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、原位化学气相沉积法、熔融浸渗法等。
1）粉末冶金法
粉末冶金法是将CNTs与铝粉均匀搅拌混合，然后进行球磨、干燥、压实和烧结等。该方法的优点主要是碳纳米管能在铝基体中分布均匀，而且可准确控制碳纳米管的含量，自由度比较高。CNTs与铝基体不易发生化学反应，工艺过程对设备要求也不高。缺点是混粉时间比较长压力大且球磨过程可能对CNTs原有结构造成损害，制备出的复合材料中一般会有较多的孔隙、气泡、裂纹等，内部缺陷影响了碳纳米管铝基复合材料的性能，工艺复杂且制造成本高，不易制备形状复杂的零件。
2）搅拌铸造法
搅拌铸造法是最常见的方法之一，该方法是在熔融的液态金属中加入碳纳米管，当增强相碳纳米管慢慢加入到液体金属中，机械搅拌器强力搅拌，利用涡流形成的巨大负压迫使碳纳米管分散于金属基体中，从而达到分散的目的，制备出分散均匀的碳纳米管增强金属基复合材料。该工艺优点是工艺简单易于操作，对设备要求性不高、生产效率高等优点。缺点是由于碳纳米管密度相对金属较低，在熔体金属中易上浮．造成增强相的偏析，分散不均匀和较多的气孔空隙，对碳纳米管铝基复合材料的性能有很大影响。
3）熔体浸渍法
熔体浸渍法是一种将熔体金属在一定的工艺条件下渗透到具有一定形状和较高空隙的预制块体中，达到渗透的作用，然后通过自然冷却，凝固达到复合材料的制备。一般来说熔体浸渍法分为压力渗透和无压渗透。压力渗透效果比较明显，制备的复合材料孔隙率相对来说低，目前有报道称这种方法能够制备体积分数高达50%的复合材料。但是制备工艺复杂，设备要求高，易发生化学反应，生成脆性物质，对复合材料性能影响很大。而且一般要在惰性气体保护下才可进行。无压渗透在自然状态下达到一种熔体浸渍平衡的状态。元压渗透制备的复合材料一般体积分数有一定的限制，很难实现高密度的制备。但操作相对简单，制备条件比较容易实现。相对其他复合材料制备工艺来说，无论哪种浸渍方法都有优缺点，目前来看熔体浸渍法由于其预制块制备比较复杂，而且块体中气孔不易排出，造成复合材料疏松，容易变形等，所以熔体浸渍法目前还在不断探讨中。
4）原位合成法
原位复合技术作为一种突破性新的复合技术而受到国内外学者的普遍重视。原位金属基复合材料主要是以金属为基底，采用适当的工艺方法，在金属基底上达到一种化学或者非化学的反应制备出增强相。由于原位复合技术基本上能克服其他工艺通常出现的一系列问题，如增强相与金属界面浸润差，界面反应产生脆性层。增强相分布不均匀，特别是微小的第二相或增强相极难与金属进行复合问题等是接下来研究的热点。
制备方法的单一性、加工工艺的复杂性、生产效率不高等，这些问题还制约着碳纳米管金属基复合材料的发展，碳纳米管在基体中良好的分散和它与基体的界面结合等问题需要进一步地探索研究。
3. 碳纳米管生物复合材料
碳纳米管具有密度低、长径比高，并且可以重复弯曲、扭折而不破坏的结构，因此是制备强度高、质量轻、性能好的复合材料的最佳承荷增强材料。研究表明，向高分子材料中加入碳纳米管可以显著改善原聚合物的传导性、强度、弹性、韧性和耐久性等性质。
对聚氨酯/多壁碳纳米管复合膜和聚苯乙烯/多壁碳纳米管复合膜的机械拉伸实验表明，当碳纳米管与基体间存在良好的界面结合时，聚合物中碳纳米管可以增强聚合物的抗张强度。Webster等发现，多壁碳纳米管和聚氨酯形成的复合材料较传统医用聚氨酯具有更好的导电性和机械强度，适合制造应用于临床的载体设备，如可能作为检查神经组织恢复情况的探针和骨科应用的假体等。
目前，碳纳米管生物复合材料制备过程中最关键的仍然是碳纳米管在基体中的良好分散和其与界面的结合问题。
4. 碳纳米管复合材料加工工艺研究
近年来，由于纳米级复合材料的出现，纳米级复合材料的加工成为制造者关注的一大热点。Ahamed等采用高速钢钻削5%SiCp-5%B4Cp/Al基复合材料，结果表明磨粒磨损和粘结磨损是主要磨损形式，影响刀具磨损的主要因素为切削速度。一些SiC和B4C增强相颗粒被拔出钻削表面，其他颗粒则发生断裂。由于金属基体材料发生塑性变形，在颗粒周围产生空隙和裂纹。Basavarajappa等研究15%SiC-3%石墨混杂Al基复合材料，结果表明表面粗糙度随切削速度和进给量的增加而增加。Altunpak等采用类金刚石碳沉积涂层刀具钻削20%SiC、不同含量的石墨混杂Al基复合材料，结果表明石墨的添加SiCp/Al基复合材料中能够降低切削力。进给量是影响切削力的主要因素。Osada等对加工后的体积分数15%的SiC纳米Al基复合材料进行热处理研究，结果表明裂纹自愈合是降低加工成本和提高加工表面完整性的非常有效的技术。Gopalakannan等采用电火花加工方法加工纳米SiCp增强Al7075基复合材料，结果表明脉冲电流是影响材料去除率、电极磨损率和表面粗糙度的最重要的因素。Rajmohan等采用硬质合金刀具、涂层硬质合金刀具和聚晶金刚石钻头加工混杂金属基复合材料，并建模分析轴向力、表面粗糙度、毛刺高度和刀具磨损等加工相应特性。结果暗示进给量对轴向力、表面粗糙度、刀具磨损和毛刺高度影响最大。从提高表面精度，降低轴向力、刀具磨损和毛刺高度考虑，聚晶金刚石刀具比其他两种刀具性能更加好。钻孔表面存在裂纹、颗粒拔出、颗粒剪断等缺陷。
但与纳米SiCp增强符合材料不同，碳纳米管复合材料的加工具有其独特的加工特性。例如碳纳米管含量、分散程度、取向和界面结合强度等对材料机械加工性能的影响，以及切削加工高应变率条件下的加工响应特性、表面质量等都会与颗粒增强和纤维增强复合材料不同。
Samuel等对比研究了多壁碳纳米管复合材料与传统碳纤维聚碳酸脂复合材料的切削加工性能。与传统碳纤维复合材料相比，碳纳米管复合材料切削力和表面粗糙度最小，且容易形成连续切屑。Jasinevicius等对不同含量的碳纳米管/环氧树脂复合材料进行超精密切削实验，结果显示碳纳米管含量影响复合材料的切削模式（脆性—塑性切削），进一步影响材料的加工特性及表面形成机理。
从上述分析可以看出，碳纳米管复合材料的切削加工仍处在起步阶段。随着碳纳米管复合材料的应用，急需对其切削加工性能进行全面系统的理论与实践研究。
（四）碳纳米管增强复合材料在航天领域应用案例
发展宏观材料结构系统的碳纳米管及纳米复合材料路线图
用于智能机翼结构和多功能航天器的纳米复合材料
以上两图示意了一种方法，即碳纳米管表面功能化（用化学方法使表面形成极性基团）、交联、与树脂复合后制成纤维、做成结构，最后应用到飞行器上。
自下而上的设计方法制造的碳纳米管增强树脂基复合材料能够带来像多功能材料的系统效应。不仅能应用到结构材料中，而且热控或是抗微流星体撞击结构材料中。美国NASA支持了一系列的计划，包括碳纳米管的生产及在航天中的应用，如纳米流体、热塑性纳米复合材料、环氧纳米复合材料纤维体系、聚合物基纳米复合材料。碳纳米管增强的环氧复合材料除了具有轻质、高强、韧性好、耐冲击的特点，并且还具有智能性。
1. 力学性能
用碳纳米管复合材料代替目前的飞行器结构可以大大降低下一代航天飞行器的重量，因此碳纳米增强聚合物复合材料在需要轻质耐用材料的航天非常有前景。
与传统纤维复合材料不同，纳米复合材料只需相对小的分散材料的含量，获得显著的性能提高，这使得它们获得航天应用。碳纳米管增强聚酰亚胺复合材料目前吸引了科学家从实验和理论上进行研究。碳纳米管与聚酰亚胺的组合被期望扮演重要的角色开发新型高性能纳米碳聚合物复合材料。聚酰亚胺在航天应用展示出的独特适应空间环境优势，碳纳米管突出的轻质高强、高刚度和高韧性综合一体的力学优势及导电导热，智能的多功能优势。航天发展迫切需要新一代飞行器，而这种飞行器的设计需要创新，革命性的设计理念。碳纳米管增强聚酰亚胺纳米复合材料被看作可以为先进复合材料带来一次革命，同时为航天飞行器实际注入新的概念。理论分析表明，碳纳米管增强聚酰亚胺纳米复合材料可以实现这种设计理念，国内外在碳纳米管增强聚酰亚胺复合材料理论分析和实验结构取得不断进展，推动碳纳米管复合材料科学技术的发展。
NASA戈达德空间飞行中心针对单壁碳纳米管结构制造工艺难的问题，进行了大量研究，并取得了较大的进展。NASA通过技术授权，并与Nanotailor公司合作，实现了碳纳米管制备技术的产业化。杜邦公司投资的朱诺航天器复合材料公司生产的碳纳米管片状材料（EMSHIWLD），该材料主要用于保护木星探测器免于静电放电。与常规放电保护材料不同，该片状材料就添加进表层中，将其直接整合进飞行器组件的结构中。
2. 光、电、磁学等性能
近年新成立的Nanocomp技术公司目前生产了碳纳米管并用其制造出了具有电和热传导性能的片材和纱材。Nanocomp技术公司生产的碳纳米管纱线，可以取代铜线来制造轻重量的同轴电缆，其导电性能是铜的100倍以上。这种材料具有的导电性对于对减重有着苛刻要求的航天飞机制造商有着巨大的吸引力。NASA准备在计划2012年发射的“守望号”航天飞机就利用了这种碳纳米管片的静电防护作用。达索公司接受了美国空军的一项合同继续研究和发展用于有人和无人驾驶飞机的具有电磁干扰屏蔽功能的碳纳米管材料。军方对碳纳米管能显著减轻结构布线重量也表示了浓厚的兴趣并进行飞行试验。
碳纳米管不仅被作为理想的力学增强材料，而且碳纳米管也被利用增强感知和驱动能力，取得在纳米复合材料的内在的多功能性。自从碳纳米管发现以来，纳米传感器和纳米计算机研究在许多不同的方向蓬勃发展。最近的结果表明，加入少量的单壁碳纳米管（SWNT）可以增加聚合物的电化学反应，提高感知能力。在电场的作用下，提高SWNT的含量可以激活聚合物复合材料、修饰SWNT聚合物复合材料的电学和介电性能，直接提高聚合物的传感和驱动能力。变化SWNT的含量和取向可以在很大范围调整纳米复合材料的力学、电学和介电性能。这种可变的多功能性，结合增强的纳米复合材料结构性能，将可以设计未来航天飞行器的关键智能耐用构件。
利用碳纳米管的导电性能、电磁屏蔽性能和优良的断裂韧性，人们制作出碳纳米管片用于航天器的静电耗损防护。典型的在轨应用例子是美国朱诺号木星探测器，碳纳米管复合材料被用于制作发动机的支撑杆和发动机的覆盖件，如下图所示。
朱诺号探测器上用碳纳米管复合材料的支撑杆
朱诺号探测器上用碳纳米管复合材料制作的发动机覆盖件
碳纳米管可以潜在应用于高应变复合材料体系或在高温保持力学性能，这满足其成功应用于要求多功能先进航天飞行器，如“Gossamer”航天飞行器。
碳纳米管在电子器件中用作量子线非常有前景，但是制作上的挑战将在若干年内限制其实际应用。碳纳米管的原子氧效应可用于制造原子氧探测器，实现空间原子氧的实时探测。
3. 热学和吸波性能
碳纳米管优异的导热性能，将使它有望成为今后超高速运算的计算机芯片导热板，也可应用于发动机和火箭等各种高温部件的防护材料。图5-7为碳纤维及碳纳米管复合材料热传导实验照片，该类复合材料有望应用到空间推进系统的热辐射器中，以提高系统的导热性能，减轻推进系统的重量。碳纳米管优异的吸波性能，研究者开始着手研究其在军事隐形、储能、吸波等方面的应用。美国密执安州立大学的戴维·托姆尼克利用碳纳米管材料，将其固定在一层薄的环氧树脂基体中，制成了有高度导电性和吸收雷达波的复合材料板，并用它制成隐形飞机的蒙皮，用于防止隐形飞机遭遇雷击。
碳纤维、碳纳米管、碳纳米管复合材料热传导实验
（五）小结
过去十几年中，在碳纳米管复合材料的合成和处理方面有了很大的进展。但碳纳米管作为一种新兴材料，由于人们对它的研究还不够彻底，在很多领域的研究还有待深入。例如碳纳米管增强铝基复合材料和碳纳米管增强镁基复合材料方面，在材料的界面强化机理、复合材料的制备工艺、结构件的机械加工工艺等方面还有许多亟待解决的问题。特别在航天领域，碳纳米管复合材料被认为可以为复合材料在航天领域带来一次新的革命，实现新概念的多功能结构复合材料。可以结合最终期望获得的性能，从原材料选择、工艺选择、结构分析设计结构功能一体化的碳纳米管复合材料，实现其在航天领域的广泛应用。
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