南航00后科研新突破：碳纤维结构电容器助无人机减重增能

南京航空航天大学00后硕士生周恒，在国际顶级学术期刊《Advanced Materials》上发表了一项突破性成果——他带领团队研发的新型碳纤维结构超级电容器，有望让无人机实现“机身即电池”的设想，为解决无人机续航与载重难以兼顾的难题提供了全新思路。

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周恒回忆起初次接触这一课题的契机。2024年，他跟随导师朱孔军教授走访物流企业时，看到操作员因无人机电量不足频繁调整飞行路线，企业负责人也为载重受限而发愁。这让他萌生了攻关的念头。当时，主流无人机机身采用航空级碳纤维复合材料，密度仅为钢材的四分之一，强度却是钢材的七倍，这种材料的应用让机身重量大幅减轻。然而，传统电池系统却成为制约无人机性能的瓶颈。以一架载重5公斤的物流无人机为例，电池重量可达3公斤，还需额外增加0.5公斤配重以保持平衡。朱孔军教授指出，这种“背着电池跑步”的设计，使得无人机在载重和续航之间不得不做出妥协。

全球科研团队都在探索突破这一困境的方法。朱孔军教授在一次国际学术会议上接触到“结构储能一体化”概念后，提出一个大胆设想：能否让机身结构本身具备储能功能？这一思路得到了团队成员的积极响应，周恒随即加入研发队伍，开始尝试将碳纤维电极与环氧化树脂基固体电解质结合，打造既能承重又能储能的新型器件。

研发过程充满挑战。周恒在查阅大量文献后，提出将钽氧化物与还原氧化石墨烯结合的方案。钽氧化物具有反复储能的特性，而还原氧化石墨烯则能快速传导电流，二者结合或许能显著提升碳纤维的储能能力。这一想法得到导师的支持后，团队立即展开实验。然而，电解质配比问题很快成为关键障碍。这种特殊材料既要保证导电性能，又要具备足够的机械强度。周恒回忆，有一次因实验室湿度控制不当，导致样品储能电容量下降了30%。经过近40次配方调整和近百次工艺优化，团队最终确定最优方案：采用一步高温混合水热法制备关键材料，并严格控制电解质配比与制作环境湿度。

测试结果显示，这种新型超级电容器性能远超预期。朱孔军教授解释，还原氧化石墨烯构建了高效的电荷传输通道，而钽氧化物则提供了充足的储能空间，二者协同作用使碳纤维的储电量提升数倍。更令人惊喜的是，该材料展现出优异的抗压性能。在模拟无人机机翼受力测试中，当压力达到常规承受范围的1.5倍时，储能电量仍能保持在基准的85%以上。周恒解释，材料受压后内部结构反而更加紧密，电荷传输效率得到提升。该材料还具备出色的抗损伤能力，即使被刀片划伤或钻孔后仍能正常工作，避免了因碰撞导致的短路风险。

该技术的模块化设计也为其应用拓展提供了可能。周恒演示了如何通过串联提升电压、通过并联扩大容量，这种“积木式”组合方式能满足不同场景的定制化需求。根据模拟数据，应用这项技术后，一款现装载重5公斤、续航20公里的无人机，可将电池重量从3公斤减至2公斤，同时将载重提升至7公斤，续航延长至30公里。这意味着单架无人机即可完成原本需要两架协同的任务，作业效率实现倍增。

目前，团队正探索该技术在航空航天领域的潜在应用。周恒介绍，这种材料在极端环境下仍能保持稳定性，例如在零下三十多度的低温条件下，储能效率仍能维持在80%以上。他设想，未来卫星的太阳能电池板支架、飞机的机舱壁等部件若采用这种材料，既能减轻重量又能提供电力支持，为绿色航空与航天工程开辟新的可能性。