基于石墨烯的自清洁过滤器如何造福航空航天业

航空和航天工业要求极高的精度和严格的安全标准，各种过滤系统在保护乘客和确保飞机最佳性能方面发挥着至关重要的作用。空气过滤器、液压和流体过滤器、环境控制系统 (ECS) 和水循环装置等系统都是安全高效运行所必不可少的。

随着人们对可持续、高性能技术的兴趣与日俱增，基于石墨烯的过滤器正受到越来越多的关注。与传统系统相比，它们不仅在去除杂质方面表现出更高的效率，而且正在成为未来航空航天和太空探索项目下一代技术开发的关键组成部分。

航空航天领域基于石墨烯的空气过滤系统

传统航空过滤器的局限性

高效空气微粒过滤器（HEPA）长期以来一直用于航空航天领域，以保持机舱空气质量。它们能有效捕捉灰尘、花粉和细菌等微粒，帮助保持机舱空气清洁。

然而，HEPA 过滤器也有局限性。它们难以捕获气体、挥发性有机化合物 (VOC) 和 0.3 微米以下的较小病原体。这些过滤器还需要定期更换和维护，既费钱又费时，因此需要高效的新型过滤框架。

AEROGrAFT（石墨烯旗舰计划）

AEROGrAFT 是更广泛的石墨烯旗舰计划的一部分，该计划支持整个欧洲的石墨烯和其他二维材料的开发和商业化。该项目的重点是利用石墨烯材料推进下一代航空过滤系统。

AEROGrAFT 的主要目标是开发高质量、自清洁的航空石墨烯泡沫–一种可重新加热灭菌的多孔轻质石墨烯泡沫。这些过滤器旨在有效捕捉传统系统可能遗漏的污染物，同时减少维护时间，特别是在军用飞机、商业航空和太空应用中。

石墨烯为传统过滤器提供了更多功能，可实现环境监测、自灭菌和自动清洁等特性。

最初，气石墨烯泡沫仅限于实验室规模的小尺寸（约 1 立方厘米）。但在过去三年中，该项目已大幅扩大生产规模，开发出新的几何形状和更大的体积。AEROGrAFT 还建立了大规模测试设施，以复制真实的飞机条件，其材料现已达到 DO-160G 标准，可用于航空航天领域。

AEROGrAFT 工业合作

早期测试发现，由于气相石具有低密度和导电性能，因此是一种很有前途的航空航天应用材料。为提升其潜力，AEROGrAFT 团队与基尔克里斯蒂安-阿尔布雷希茨大学合作开发了多种材料变体。

随后，他们与德累斯顿工业大学合作，开发出一种可扩展的方法，用于生产高多孔、轻质的气凝胶。在项目的第二阶段，这些材料在空气过滤方案中进行了评估，证实了它们在运行条件下的主动自清洁能力。

在环境控制系统中的应用

环境控制系统 (ECS) 可调节客舱压力、空气质量和温度，确保乘客和机组人员的安全舒适。

在这些系统中，轻质石墨烯过滤器具有高导热性和大表面积的优势，可有效去除空气中的病毒和微生物。石墨烯过滤器的自清洁能力还能降低维护需求，因此特别适合应用于人工维护有限的无人机和航天器中。

主要参与者和发展

莱斯大学 LIG 过滤器

一些学术界和商业界正在努力开发适合航空航天使用的石墨烯过滤器。莱斯大学的研究人员利用激光诱导石墨烯（LIG）制造出了柔性自灭菌过滤器，这是一个值得注意的例子。

这些过滤器由多孔导电石墨烯泡沫组成，能有效捕捉污染物、细菌和真菌。这种材料还具有高导电性，可通过焦耳加热将过滤器的温度提高到 300 °C 以上，足以分解有害的副产品。

在使用标准商用真空过滤系统进行测试时，过滤器工作时间超过 100 小时，并能持续中和病原体。4 虽然这些过滤器是为航空航天用途设计的，但它们在医院等临床环境中也显示出强大的应用潜力。

Zentek – ZenGUARD™ 技术

ZenGUARDTM 是一种基于石墨烯的过滤涂层，在暖通空调系统和军用航空领域得到广泛应用。采用 ZenGUARD 技术的过滤器可轻松集成到现代 HVAC 基础设施中，并可减少碳排放。

加拿大国家研究委员会（NRC）对该技术进行了评估，特别是在航空航天研究中心的航空旅行研究中心。在与标准 MERV-8 过滤器进行对比测试时，ZenGUARD 涂层过滤器明显减少了空气中的病原体和病毒，突出显示了其过滤效率的提高和在航空航天领域的应用潜力。

Graphene Composite 空气过滤技术

英国 Graphene Composites 公司（GC）开发出了 GC Halo–一种专门用于空气过滤器的涂层，可在接触时中和病毒和细菌。该涂层由氧化石墨烯和纳米银颗粒组合而成，具有机械过滤和抗菌作用。

测试表明，GC Halo 过滤器对冠状病毒、大肠杆菌和黑霉菌等病原体的有效率高达 99%。6 这种抗病毒能力使其成为集成到商用飞机 ECS 中的有力候选产品，因为在商用飞机中，保持机舱空气清洁至关重要。

液体过滤应用

喷气燃料过滤

航空燃料（包括喷气推进燃料和其他碳氢化合物燃料）极易受到微生物污染。燃料中微生物的生长会导致军用和商用飞机出现严重问题，如储油罐腐蚀、燃油泵故障、发动机性能下降和硬件损坏。

氧化石墨烯（GO）作为喷气燃料的过滤和杀菌介质已显示出巨大的潜力。

空军研究实验室和代顿研究所的研究人员测试了作为过滤介质的 GO 纳米材料。他们发现，GO 柱可截留 95% 以上的细菌污染物，且不会阻碍燃料流动。扫描电子显微镜（SEM）证实，细菌牢固地附着在 GO 表面，防止再次进入燃料系统。

进一步的研究涉及银装饰的 GO 涂层，结果表明其抗菌性能得到了增强，尤其是针对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌。

液压油和润滑系统

液压油和润滑油对飞机机械的运行至关重要。没有它们，军用飞机、商用飞机和航天器的发动机和机械系统就会失灵。石墨烯基润滑油已显示出巨大的前景，尤其是在汽车领域和高性能发动机测试中。

研究表明，与传统润滑油相比，石墨烯强化润滑油可将摩擦系数最多降低 40%。这些配方还能提高抗腐蚀和耐磨损性能。

在一项研究中，根据 ASTM G181 标准测试的纳米石墨烯润滑油显示，摩擦学性能和抗磨损特性分别提高了约 29% 至 35% 和 22% 至 29%。

用于清除液压油中污染物的石墨烯膜仍处于早期研究阶段，尚未有明确的公开结果证实其有效性。8 虽然石墨烯膜用于清除液压油中的污染物仍处于早期研究阶段，尚未有明确的公开结果证实其有效性。不过，正在进行的开发表明，其未来可能应用于航空航天系统的维护和可靠性。

水循环

石墨烯在现代航天器的水循环系统中也显示出强大的潜力。美国国家航空航天局（NASA）的研究人员已经对石墨烯基材料作为生命支持系统（LSS）中再生水和循环水的过滤介质进行了研究。

石墨烯基材料（GBMs）具有优异的吸附性能和抗菌活性，因此人们对其在航天器生命支持系统（LSS）中的应用越来越感兴趣。在国际空间站（ISS）上，水处理器组件（WPA）通过多级过滤处理废水。

现有的石墨烯技术已证明可高效去除有机和无机污染物，其性能可与当前的 WPA 介质（如 AmberSorb 4652 和 AmberLite 树脂（IRN-150、IRN-77、IRA67）9）媲美。

专家指出，将石墨烯纳米颗粒固定在支撑材料上有助于防止吸附过程中纳米颗粒聚集的问题。因此，基于石墨烯的过滤器正在开创下一代超大容量过滤系统，用于太空应用中的水循环。

探索更多

基于石墨烯的航空航天和国防应用过滤系统已不再是一个概念–它们正在迅速成熟，经过实际测试，行业和政府组织对其的兴趣与日俱增。

随着 DARPA 等机构探索纳米材料在关键任务环境中的应用潜力，石墨烯将在下一代空气过滤、液压流体净化和环境控制系统中发挥关键作用。

参考文献和进一步阅读

1. Chase Filters & Components, (2024). Guide to Aerospace Filters. [Online]. Available at: https://chasefiltercompany.com/blog/guide-to-aerospace-filters/#:~:text=Aerospace%20filters%20ensure%20that%20clean,is%20safer%2C%20convenient%20and%20reliable. [Accessed on: April 02, 2025].
2. FACC. (2020). Air quality in aircraft cabins. [Online]. Available at: https://www.facc.com/en/BEyond-Blog/Air-quality-in-aircraft-cabins [Accessed on: April 03, 2025].
3. Graphene Flagship Annual Report 2022. (2023). [Online]. Available at: https://780207571.flowpaper.com/GrapheneFlagshipAR2022SinglepagesWEB/#page=4 [Accessed on: April 03, 2025].
4. Stanford, M. et. al. (2019). Self-sterilizing laser-induced graphene bacterial air filter. ACS nano, 13(10), 11912-11920. Available at: https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05983
5. Zentek. (2024). ZenGUARD™ Enhanced Air Filters. [Online]. Available at: https://www.zentek.com/zenguard-overview/zenguard-hvac/ [Accessed on: April 04, 2025].
6. Graphene Composites (2022). GC HALO™ air filtration: unique trap-and-kill protection against covid, flu and bacteria. Company, News. [Online]. Available at: https://graphenecomposites.com/gc-halo-air-filtration-unique-trap-and-kill-protection-against-covid-flu-and-bacteria/ [Accessed on: April 04, 2025].
7. Ruiz, O. et. al. (2015). Graphene oxide-based nanofilters efficiently remove bacteria from fuel. International Biodeterioration & Biodegradation, 97, 168-178. Available at: https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2014.10.008
8. Kuang, X. et al. (2024). Effect of nano-graphene lubricating oil on particulate matter of a diesel engine. Sci Rep 14, 10797. Available at: https://doi.org/10.1038/s41598-024-61694-z
9. Fernandez et. al. (2024). Graphene-based Filtration Media for Spacecraft Potable Water Systems: An Early Investigation. 53rd International Conference on Environmental Systems. Kentucky. Available at: https://ttu-ir.tdl.org/server/api/core/bitstreams/4ad2e172-9349-450d-9723-4a2861ab7c3a/content