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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

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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
上,论文第一作者为Yuan Zi。

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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