高刚度超低热导率钙钛矿薄膜的技术突破与军事应用前景

高刚度超低热导率钙钛矿薄膜的技术突破与军事应用前景

摘要：2026年9月18日，美国北卡罗来纳州立大学联合北卡罗来纳大学教堂山分校、南京师范大学、德克萨斯A&M大学、耶鲁大学、上海第二工业大学和温州大学等机构，在美海军研究局资助下，于《科学·进展》期刊发表研究成果，报道了一种兼具高刚度与超低热导率的二维有机-无机杂化钙钛矿致密薄膜。该材料通过分子工程手段，将含双苯环的偶氮苯乙基铵与碘化铅无机层交替组装，在保持完全致密（非多孔）结构的前提下，实现室温热导率低至0.043 W/(m·K)，弹性模量达7.7 GPa。这一性能组合打破了“高刚度材料通常导热、低热导率材料通常柔软多孔”的传统权衡，为解决军用电子器件、红外探测系统等装备在热管理和机械可靠性方面的矛盾提供了新的材料方案。本文从技术路径、性能突破、军事应用前景与工程化挑战四个维度，分析该材料的技术特征与战略含义。

关键词：二维杂化钙钛矿；超低热导率；高弹性模量；分子工程；热管理

中图分类号：TB34；E962

一、引言

热管理是制约现代军用电子装备性能与可靠性的核心瓶颈之一。随着雷达、电子战、定向能武器等高功率射频器件功率密度的持续攀升，以及红外探测器、高超声速飞行器热防护系统对精密热控制的要求不断提高，能够有效阻断热量传递的隔热材料成为装备性能提升的关键使能要素。然而，传统的低热导率材料——如气凝胶、聚氨酯泡沫等多孔材料——其隔热能力来源于孔隙结构，这使其机械强度极低，难以承受军用平台上的振动、冲击和结构载荷。而高刚度材料（如金属和陶瓷）由于强化学键的存在，通常也是优良的热导体。隔热与刚度之间的这种内在矛盾，长期制约着热管理材料的设计空间。

2026年9月18日，北卡罗来纳州立大学联合北卡罗来纳大学教堂山分校、南京师范大学、德克萨斯A&M大学、耶鲁大学、上海第二工业大学和温州大学等机构，在《科学·进展》期刊上发表题为“Extremely Low Thermal Conductivity in Rigid Layered Hybrid Perovskites”的研究论文。该研究由美海军研究局等机构资助，通讯作者为北卡罗来纳州立大学物理学教授Dali Sun、机械与航空航天工程副教授Jun Liu、北卡罗来纳大学教堂山分校教授Wei You和南京师范大学教授Jun Zhou。其成果被评价为“超越了自然界中任何已知材料的隔热性能”。

二、技术路径：分子工程破解刚度-隔热权衡

（一）二维杂化钙钛矿的结构特征

该研究的基础材料是二维有机-无机杂化钙钛矿。这类材料由刚性、结晶的无机碘化铅层与有机阳离子层交替堆叠而成，形成高度有序的层状晶体结构。无机层提供结构骨架和电荷传输通道，有机层则充当无机层之间的“分子间隔物”。研究团队指出，二维HOIP之所以成为研究焦点，正是因为其有机层为分子工程提供了广阔的调控空间——通过改变有机阳离子的化学组成和分子构型，可以系统性地调节材料的热学和力学性能。

（二）从脂肪链到双苯环的分子设计策略

研究团队的核心策略，是以芳香族双环结构替代传统的脂肪族碳链作为有机间隔层。脂肪族链（如丁基铵）具有丰富的低频振动模式（低于200 cm⁻¹），在室温下被热激发，并与碘化铅晶格的振动模式重叠，形成高效的热传导通道。而芳香环将振动谱移至高频区域（高于800 cm⁻¹），在室温下较少被占据，从而大幅减少了参与热传导的活性振动模式数量，降低了有机-无机和有机-有机界面之间的热耦合。

研究选取了四种有机阳离子进行对比：丁基铵（BA）和苯乙基铵（PEA）作为对照组，二苯乙烯乙基铵（SEA）和偶氮苯乙基铵（AEA）采用双环设计，分别以碳-碳双键和氮-氮双键连接两个苯环。AEA中偶氮苯的氮-氮双键允许两个苯环之间的二面角发生扭转，这种分子构型的灵活性进一步增加了结构的动态无序，强化了对热传输的抑制。

（三）性能验证与数据对比

研究团队采用旋涂法在硅基底上制备了不同有机阳离子的钙钛矿薄膜，并在80摄氏度下退火，随后对薄膜的厚度方向和面内方向热导率进行了系统测量。

在厚度方向，约150纳米厚的薄膜热导率呈现显著的递减趋势：丁基铵基薄膜最高，约0.2 W/(m·K)；苯乙基铵和二苯乙烯乙基铵基薄膜约为其一半，即0.1 W/(m·K)左右；而偶氮苯乙基铵基薄膜最低，约0.04 W/(m·K)。统计平均显示，经80摄氏度退火的150纳米厚偶氮苯乙基铵薄膜的厚度方向热导率为0.043±0.011 W/(m·K)。这一数值仅比环境空气的热导率（约0.026 W/(m·K)）高约60%，代表了室温下完全致密固体材料的创纪录低热导率。

在力学性能方面，偶氮苯乙基铵薄膜的弹性模量达到7.67±2.47 GPa。作为对比，硅酮（常用于隔热手套）的弹性模量仅为约0.0007至0.01 GPa，该薄膜的弹性模量是硅酮的700至10000倍，同时也超过了大多数塑料、泡沫和气凝胶。研究团队指出，这一超低热导率与高刚度的组合，源于有机阳离子层中特别设计的分子结构和由此产生的动态无序。

三、军事应用前景

该材料的性能组合——完全致密、高刚度、超低热导率——对多种军事装备的热管理需求具有直接的潜在应用价值。

（一）高功率电子器件热管理

军用雷达、电子战系统和定向能武器的射频前端和功率放大器在运行中产生大量废热。当前的热管理方案通常依赖金属散热器和导热界面材料，但金属本身是热导体，其作用是将热量从热源传导至散热器，而非阻断热量向敏感组件传递。该钙钛矿薄膜可作为一种刚性隔热层，集成于高功率电子器件与热敏组件之间，在不牺牲结构完整性的前提下，阻断废热向周边电子设备的传导。其完全致密的特性避免了多孔隔热材料在振动和热循环条件下的结构退化问题。

（二）红外探测与传感器件

红外探测器对温度波动极为敏感，微小的热噪声即可显著降低探测信噪比。传统红外焦平面阵列通常需要杜瓦瓶或斯特林制冷机将探测器冷却至低温，以抑制热噪声。该材料的超低热导率可有效降低探测器与外部环境之间的热交换，可能为简化制冷系统或提高非制冷红外探测器的性能提供材料基础。同时，其高刚度特性使其能够作为结构件集成到传感器封装中，而非仅作为填充材料。

（三）高超声速飞行器热防护

高超声速飞行器气动加热产生的热载荷对结构和内部设备构成严峻挑战。热防护系统需要在极端温度梯度下维持结构完整性，同时尽可能减少热量向内部传递。该材料的高刚度特性使其具备作为承力隔热层的潜力，而其完全致密的结构则避免了多孔隔热瓦在气动载荷和热循环下的剥落和退化风险。此外，该材料可通过旋涂、喷涂等方法在较大面积上制备，研究团队明确表示“制造方法可以相对容易地放大规模”，这为其在大型结构上的应用提供了工艺可行性。

（四）高超声速与空间装备

研究团队在成果发布中特别提及了“太空旅行”作为潜在应用场景。空间装备面临极端温差环境（向阳面与背阴面温差可达数百摄氏度），隔热材料需要同时具备低热导率和高尺寸稳定性。该材料的刚性特征使其在温度循环条件下的尺寸变化可控，有利于维持精密光学系统和电子设备的对准精度。

四、工程化挑战与后续方向

尽管该材料在实验室尺度上展示了优异的性能组合，但从原理验证到装备应用仍面临多重工程化挑战。

第一，薄膜的规模化制备与均匀性控制。 当前研究采用旋涂法在硅基底上制备了约150纳米厚的薄膜。旋涂法在实验室中可精确控制厚度和成分，但在大面积、曲面或非平面基底上的均匀性控制是工程化的首要难题。研究团队表示“可以生产相当大尺度的材料”，但尚未披露具体的放大尺寸和均匀性数据。对于军用装备而言，需要在复杂几何形状的部件表面形成无缺陷的隔热涂层，这对涂覆工艺提出了更高要求。

第二，环境稳定性与服役寿命。 有机-无机杂化钙钛矿材料在湿度、温度和光照条件下的长期稳定性是制约其应用的关键瓶颈。尽管该研究采用了全无机碘化铅层与芳香族有机层的组合，但有机组分在潮湿环境中的水解风险以及在持续热载荷下的降解行为，仍需通过系统的加速老化试验加以评估。军用装备通常要求材料在极端环境条件下保持性能稳定十年以上，这一要求远超当前实验室验证的时间尺度。

第三，与现有制造工艺的兼容性。 该材料的制备温度约为80至100摄氏度，与标准半导体制造工艺的后段制程基本兼容。但其对基底表面的清洁度和化学性质有较高要求，在集成到现有军用电子制造流程之前，需要开展系统的工艺兼容性研究。

第四，从薄膜到体材的性能外推。 当前测试均在约150纳米厚的薄膜上进行。当材料厚度增加至微米或毫米量级时，热导率和弹性模量可能因微观结构的变化而发生改变。对于需要较厚隔热层的应用场景，薄膜尺度的优异性能能否在体材尺度上保持，是需要验证的关键问题。

五、结语

北卡罗来纳州立大学团队的这项研究，通过分子工程手段在二维杂化钙钛矿体系中实现了高刚度与超低热导率的协同，打破了传统隔热材料设计中“刚度与隔热不可兼得”的固有认知。其核心科学贡献在于揭示了有机阳离子振动谱设计对热传输的调控机制：以芳香族双环结构替代脂肪族碳链，将振动模式移出热激发的活跃频段，同时利用分子扭转引入动态无序，从分子层面实现了对热传导的有效抑制。

从军事应用的角度看，该材料的完全致密结构、高刚度特征和可溶液加工的制备方式，使其在军用高功率电子热管理、红外探测器件、高超声速飞行器热防护等领域展现出区别于传统多孔隔热材料的独特优势。其后续进展的关键观察节点包括：大面积均匀涂覆工艺的验证、材料在湿热和热循环条件下的长期稳定性数据，以及从薄膜尺度向装备部件尺度过渡的工程验证。

【参考文献】

[1] Wang Z, Negi A, Yan L, et al. Extremely Low Thermal Conductivity in Rigid Layered Hybrid Perovskites[J]. Science Advances, 2026. DOI: 10.1126/sciadv.aee5269.

[2] North Carolina State University. New Material Is an Extreme Thermal Insulator[EB/OL]. (2026-09-18). https://news.ncsu.edu/2026/09/extreme-thermal-insulator/.

[3] EurekAlert. New thermal insulator outperforms any material found in nature[EB/OL]. (2026-09-18). https://www.eurekalert.org/news-releases/1143869.

[4] Perovskite-Info. Layered hybrid perovskite film achieves record-low thermal conductivity without sacrificing rigidity[EB/OL]. (2026-09-22). https://www.perovskite-info.com.

[5] 腾讯网. 新材料，热导率创新低，登上Science子刊！[EB/OL]. (2026-09-20). https://news.qq.com/rain/a/20260920A03O7S00.

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