科技 | 可耐受2600℃高溫，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)新型碳納米管薄膜材料

一支中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種基于碳納米管的新型薄膜材料，其耐高溫極限可達(dá) 4712 華氏度（即 2600 攝氏度）。這種新材料具備規(guī)模化應(yīng)用潛力，未來(lái)有望成為航空航天、能源及其他高溫工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵隔熱材料。

據(jù)了解，在航天器重返地球大氣層、高超音速飛行器飛行，或是反應(yīng)堆高溫運(yùn)行等場(chǎng)景中，設(shè)備往往要承受遠(yuǎn)超熔巖溫度的極端熱量。而現(xiàn)有隔熱材料大多在 2732 華氏度（即 1500 攝氏度）以上就會(huì)失效，如何解決這一隔熱難題一直是行業(yè)挑戰(zhàn)。

盡管部分材料能在高溫環(huán)境下勉強(qiáng)使用，但普遍存在導(dǎo)熱率過(guò)高的問(wèn)題。尤其在超高溫條件下，以光（光子）為載體的熱輻射會(huì)成為熱量傳遞的主要形式，而這也是最難阻隔的傳熱途徑。

因此，多年來(lái)科研人員始終致力于研發(fā)一種“理想隔熱材料”：既要能同時(shí)阻斷固體傳導(dǎo)、氣體傳導(dǎo)和熱輻射三種傳熱方式，又需具備耐極端高溫、輕量化、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特性。

如今，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)據(jù)稱(chēng)已實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo) —— 他們利用超定向碳納米管薄膜（SACNT-SF）制備出了這種新型隔熱材料。團(tuán)隊(duì)介紹，該材料的制備首先要培育垂直排列的碳納米管陣列。

獲得碳納米管陣列后，研究人員像“抽絲”一樣從中拉取出薄片，再通過(guò)堆疊或纏繞的方式將這些薄片制成多層結(jié)構(gòu)，最終形成一種超輕、多孔的碳納米管復(fù)合材料。

團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)巧妙的材料能有效削弱所有形式的熱傳遞：

• 固體傳導(dǎo)方面：雖然碳納米管本身導(dǎo)熱性能優(yōu)異，但在該材料中，熱量需垂直穿過(guò)多層結(jié)構(gòu)而非沿碳納米管方向傳遞。由于單根碳納米管直徑僅 10-20 納米，且材料內(nèi)部存在大量空隙，熱量傳遞的載體 —— 聲子（振動(dòng)能量粒子）可傳播的路徑極少，從而大幅降低固體導(dǎo)熱率。

• 氣體傳導(dǎo)方面：材料內(nèi)部的孔隙尺寸極小，氣體分子難以在其中自由移動(dòng)或發(fā)生碰撞（即“克努森效應(yīng)”）。分子只能在孔隙內(nèi)不斷反彈并消耗能量，使得氣體傳熱作用大幅減弱。

• 熱輻射方面：碳納米管本身具備出色的紅外光吸收與散射能力，其內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)（范霍夫奇點(diǎn)）能與熱光子產(chǎn)生強(qiáng)烈相互作用。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)調(diào)整各層薄膜的堆疊角度，使熱輻射的阻隔效果更優(yōu)。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，這種新型材料在室溫下的熱導(dǎo)率僅為 0.004 瓦 /（米?開(kāi)爾文），即便在 2600 攝氏度的超高溫下，熱導(dǎo)率也僅為 0.03 瓦 /（米?開(kāi)爾文）。

對(duì)比來(lái)看，常用的高溫隔熱材料石墨氈在相同高溫下的熱導(dǎo)率高達(dá) 1.6 瓦 /（米?開(kāi)爾文），由此可見(jiàn)新型碳納米管材料的隔熱性能顯著更優(yōu)。

此外，該材料還具備出色的穩(wěn)定性：在室溫與 3632 華氏度（即 2000 攝氏度）之間反復(fù)循環(huán) 310 次后，其性能僅下降 5%。同時(shí)，材料密度僅為 5-100 千克 / 立方米，輕量化優(yōu)勢(shì)明顯。

值得一提的是，這種碳納米管材料還具有良好的柔韌性，可貼合不規(guī)則形狀物體表面。目前團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)寬度達(dá) 550 毫米的薄膜規(guī)模化生產(chǎn)，未來(lái)有望進(jìn)一步制備出數(shù)百米長(zhǎng)的卷材。

該材料或?qū)⒊蔀槎鄠€(gè)高溫行業(yè)的“變革者”。在航空航天領(lǐng)域，它可用于航天器、高超音速飛行器及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱；在能源領(lǐng)域，核聚變反應(yīng)堆、核電站也能借助其提升安全性能；此外，它還可應(yīng)用于窯爐、熔爐等極端制造場(chǎng)景，以及對(duì)體積和重量要求嚴(yán)苛的電子設(shè)備中。

研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步計(jì)劃為材料添加防護(hù)涂層，使其能在開(kāi)放空氣環(huán)境中使用而不發(fā)生氧化，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍。

來(lái)源：IT之家

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