IT之家8月31日消息，一支中國科研團隊成功研發(fā)出一種基于碳納米管的新型薄膜材料，它能耐受4712華氏度（即2600攝氏度）的高溫。這種新材料有規(guī)模化應(yīng)用的潛力，未來很可能成為航空航天、能源以及其他高溫工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵隔熱材料。

據(jù)IT之家了解，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)堆高溫運行等情況下，設(shè)備要承受遠超熔巖溫度的極端熱量。而現(xiàn)有的隔熱材料大多在2732華氏度（即1500攝氏度）以上就會失效，解決這一隔熱難題一直是行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。

雖然有些材料能在高溫環(huán)境下使用，但普遍存在導(dǎo)熱率過高的問題。特別是在超高溫條件下，以光（光子）為載體的熱輻射會成為熱量傳遞的主要形式，這也是最難阻隔的傳熱途徑。

因此，多年來科研人員一直致力于研發(fā)一種“理想隔熱材料”，它要能同時阻斷固體傳導(dǎo)、氣體傳導(dǎo)和熱輻射這三種傳熱方式，還要具備耐極端高溫、輕量化、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點。

如今，清華大學(xué)的研究團隊宣稱已達成這一目標(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。團隊介紹，制備該材料首先要培育垂直排列的碳納米管陣列。

得到碳納米管陣列后，研究人員像“抽絲”一樣從中拉取出薄片，再通過堆疊或纏繞的方式把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。

團隊研究發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計巧妙的材料能有效削弱各種形式的熱傳遞：

在固體傳導(dǎo)方面，雖然碳納米管本身導(dǎo)熱性能良好，但在該材料中，熱量需垂直穿過多層結(jié)構(gòu)，而非沿碳納米管方向傳遞。因為單根碳納米管直徑僅10 - 20納米，且材料內(nèi)部有大量空隙，熱量傳遞的載體——聲子（振動能量粒子）可傳播的路徑極少，從而大大降低了固體導(dǎo)熱率。

在氣體傳導(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或碰撞（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。

在熱輻射方面，碳納米管本身有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）能與熱光子產(chǎn)生強烈相互作用。研究團隊還通過調(diào)整各層薄膜的堆疊角度，讓熱輻射的阻隔效果更好。

測試數(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·開爾文），即便在2600攝氏度的超高溫下，熱導(dǎo)率也只有0.03瓦/（米·開爾文）。

對比來看，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1.6瓦/（米·開爾文），可見新型碳納米管材料的隔熱性能明顯更優(yōu)。

此外，該材料穩(wěn)定性出色：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，材料密度僅為5 - 100千克/立方米，輕量化優(yōu)勢顯著。

值得一提的是，這種碳納米管材料柔韌性良好，可貼合不規(guī)則形狀物體表面。目前團隊已實現(xiàn)寬度達550毫米的薄膜規(guī)?；a(chǎn)，未來有望進一步制備出數(shù)百米長的卷材。

該材料可能會成為多個高溫行業(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)動機的隔熱；在能源領(lǐng)域，核聚變反應(yīng)堆、核電站能借助它提升安全性能；此外，它還能應(yīng)用于窯爐、熔爐等極端制造場景，以及對體積和重量要求嚴(yán)苛的電子設(shè)備中。

研究團隊表示，下一步計劃為材料添加防護涂層，使其能在開放空氣環(huán)境中使用而不發(fā)生氧化，進一步拓展其應(yīng)用范圍。

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