可承受2600℃高温！中国科研团队研制新型碳纳米管薄膜材料

IT之家8月31日消息，一支中国科研团队成功研发出一种基于碳纳米管的新型薄膜材料，它能耐受4712华氏度（即2600摄氏度）的高温。这种新材料有规模化应用的潜力，未来很可能成为航空航天、能源以及其他高温工业领域的关键隔热材料。

据IT之家了解，在航天器重返地球大气层、高超音速飞行器飞行，或是反应堆高温运行等情况下，设备要承受远超熔岩温度的极端热量。而现有的隔热材料大多在2732华氏度（即1500摄氏度）以上就会失效，解决这一隔热难题一直是行业面临的挑战。

虽然有些材料能在高温环境下使用，但普遍存在导热率过高的问题。特别是在超高温条件下，以光（光子）为载体的热辐射会成为热量传递的主要形式，这也是最难阻隔的传热途径。

因此，多年来科研人员一直致力于研发一种“理想隔热材料”，它要能同时阻断固体传导、气体传导和热辐射这三种传热方式，还要具备耐极端高温、轻量化、结构稳定等特点。

如今，清华大学的研究团队宣称已达成这一目标。他们利用超定向碳纳米管薄膜（SACNT - SF）制备出了这种新型隔热材料。团队介绍，制备该材料首先要培育垂直排列的碳纳米管阵列。

得到碳纳米管阵列后，研究人员像“抽丝”一样从中拉取出薄片，再通过堆叠或缠绕的方式把这些薄片制成多层结构，最终形成一种超轻、多孔的碳纳米管复合材料。

团队研究发现，这种设计巧妙的材料能有效削弱各种形式的热传递：

在固体传导方面，虽然碳纳米管本身导热性能良好，但在该材料中，热量需垂直穿过多层结构，而非沿碳纳米管方向传递。因为单根碳纳米管直径仅10 - 20纳米，且材料内部有大量空隙，热量传递的载体——声子（振动能量粒子）可传播的路径极少，从而大大降低了固体导热率。

在气体传导方面，材料内部的孔隙尺寸极小，气体分子难以在其中自由移动或碰撞（即“克努森效应”）。分子只能在孔隙内不断反弹并消耗能量，使得气体传热作用大幅减弱。

在热辐射方面，碳纳米管本身有出色的红外光吸收与散射能力，其内部电子结构（范霍夫奇点）能与热光子产生强烈相互作用。研究团队还通过调整各层薄膜的堆叠角度，让热辐射的阻隔效果更好。

测试数据显示，这种新型材料在室温下的热导率仅为0.004瓦/（米·开尔文），即便在2600摄氏度的超高温下，热导率也只有0.03瓦/（米·开尔文）。

对比来看，常用的高温隔热材料石墨毡在相同高温下的热导率高达1.6瓦/（米·开尔文），可见新型碳纳米管材料的隔热性能明显更优。

此外，该材料稳定性出色：在室温与3632华氏度（即2000摄氏度）之间反复循环310次后，其性能仅下降5%。同时，材料密度仅为5 - 100千克/立方米，轻量化优势显著。

值得一提的是，这种碳纳米管材料柔韧性良好，可贴合不规则形状物体表面。目前团队已实现宽度达550毫米的薄膜规模化生产，未来有望进一步制备出数百米长的卷材。

该材料可能会成为多个高温行业的“变革者”。在航空航天领域，它可用于航天器、高超音速飞行器及喷气发动机的隔热；在能源领域，核聚变反应堆、核电站能借助它提升安全性能；此外，它还能应用于窑炉、熔炉等极端制造场景，以及对体积和重量要求严苛的电子设备中。

研究团队表示，下一步计划为材料添加防护涂层，使其能在开放空气环境中使用而不发生氧化，进一步拓展其应用范围。

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