清华大学姜开利教授、柳鹏副研究员AFM：碳纳米结构实现极端高温下的高性能隔热突破

随着航空航天技术的飞速发展，飞行器速度不断提升，表面温度急剧升高，对高温隔热材料（TIMs）提出了更高要求。理想的隔热材料需在极薄的同时具备优异的隔热性能，并能承受极端温度环境。然而，传统多孔隔热材料如陶瓷基复合材料、气凝胶和石墨毡等，虽在低温下表现良好，但在超过2000°C的高温下往往无法维持低热导率，且成本高昂、适应性有限，亟需新一代材料突破现有技术瓶颈。

近日，清华大学姜开利教授、柳鹏副研究员开发出一种基于超排列碳纳米管堆叠薄膜（SACNT-SF）的高性能隔热材料，其在真空环境下室温热导率低至0.004 W m⁻¹ K⁻¹，在2600°C高温下也仅为0.03 W m⁻¹ K⁻¹，显著优于多数传统隔热材料。该材料具备纳米级管径、高各向异性、纳米多孔结构、超低密度和高消光系数等特点，能有效抑制固体导热、气体导热和辐射传热，同时兼具柔性和可贴合复杂曲面的优势，适用于极端环境下的热防护系统。相关论文以“Carbon Nanostructure–Enabled High-Performance Thermal Insulation for Extreme-Temperature Application”为题，发表在

Advanced Functional Materials

研究团队通过从SACNT阵列中直接拉出连续薄膜（图1a），并将其堆叠或缠绕成SACNT-SF（图1c）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示其具有明显的纳米多孔结构（图1d），密度可低至2 kg m⁻³，并可通过压缩调节。目前单层薄膜宽度已达550毫米，长度可达300米（图1g），展现出良好的可扩展性。

图1. SACNT阵列、薄膜及其堆叠薄膜。 a) 从290 mm × 140 mm石英衬底上的SACNT阵列中拉出SACNT薄膜； b) 单层SACNT薄膜的SEM图像； c) 通过将SACNT薄膜缠绕在棒上或堆叠多层薄膜制备SACNT-SF的示意图； d) SACNT-SF不同截面的SEM图像，比例尺为20 μm； e) 尺寸为40 mm × 50 mm、厚度为2 mm的SACNT-SF； f) 将SACNT薄膜缠绕在铜柱上制成的SACNT-SF； g) 从SACNT阵列中拉出550 mm宽SACNT薄膜的照片。

在隔热性能方面，仅0.6毫米厚的SACNT-SF即可优于3.5毫米厚的石墨毡（图2a）。即使在内部温度超过2000°C时，5毫米厚的SACNT-SF外表面仍可徒手触摸（图2b）。该材料在空气中500°C以上会氧化，但在真空或氩气环境中可稳定工作至2600°C甚至3000°C，且不燃不烟，具有良好的安全性能（图2c）。热导率测试结果表明，SACNT-SF在宽温区内均优于其他已知隔热材料（图2d,e）。

图2. SACNT-SF的隔热性能。 a) 0.6 mm厚的SACNT-SF比3.5 mm厚的石墨毡具有更好的隔热效果； b) 内部温度超过2000°C时徒手触摸5 mm厚SACNT-SF表面的照片； c) SACNT-SF在1000°C以上明火中不燃烧的照片； d) 线性坐标下SACNT-SF样品、、#5的有效热导率（红星）与其他TIMs的对比； e) 对数坐标下相同数据的对比。

进一步的热传递机制分析揭示（图3），其低热导率源于三大因素：固体骨架中纳米管之间的接触热阻、高消光系数对辐射的有效抑制，以及纳米级孔径对气体导热的限制。尤其是碳纳米管中的van Hove奇异点增强了红外辐射吸收，覆盖了从室温至2800°C的热辐射波段。气体导热模型也表明，纳米级纤维直径显著降低了气体分子的平均自由程，从而抑制了气体导热（图3e–h）。

图3. TIM中的热传递模型。 a) SACNT-SF中通过CNTs的热传递示意图； b) SACNT-SF样品； c) 固定固体体积分数 f并减小材料厚度以降低辐射传热的示意图； d) 2000°C下不同 f值的石墨薄膜辐射热导率随（光学）厚度的变化； e) TIM中气体热导率与纤维直径的关系； f) 不同纤维直径下气体热导率随压力的变化； g) 不同密度下SACNT-SF样品（点：实验数据；虚线：拟合结果）； h) 样品（点：实验数据；虚线：拟合结果）。

SACNT-SF还表现出良好的机械性能与热稳定性。其单层薄膜拉伸强度约为13 N m⁻¹，比强度高达640 MPa/(g cm⁻³)，在2000°C下仍保持一半强度。经310次热循环后，热阻下降不足5%，显示出优异的耐久性。

通过调整材料密度和层间取向（图4），可进一步优化其隔热性能。例如，将相邻层间夹角调整为90°可显著降低辐射传热。在真空或氩气环境中，适当提高密度可同时抑制气体和辐射导热，从而在高温下实现更低的总热导率（图4e,f）。

图4. 提升SACNT-SF隔热性能的方法。 a) 不同温度下SACNT-SF在1 atm氩气中总热导率随固体体积分数f（或密度）的变化（点：实验数据；虚线：计算值）； b) 单层SACNT薄膜在近红外波段两种偏振下的光学厚度； c) 根据(b)数据计算的不同角度下单层SACNT薄膜的Rosseland平均消光系数； d) 真空中1000–2600°C下SACNT-SF的热导率（虚线：计算值；实线：实验结果）； e) 真空中不同温度下热导率随 f（或密度）的变化； f) 1 atm氩气中热导率随 f（或密度）的变化。

综上所述，SACNT-SF凭借其纳米结构所带来的多重热传递抑制机制，在极端高温环境下展现出卓越的隔热性能、柔性和稳定性，为下一代热防护系统提供了强有力的材料候选。未来，通过表面沉积氧化物、碳化物或氮化物等保护层，有望进一步拓展其在富氧环境中的应用前景。

来源：高分子科学前沿

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