来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202514142

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背景介绍

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。

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成果掠影

近日，清华大学姜开利教授、柳鹏副研究员团队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0.004W/m.K在2600°C高温下也仅为0.03W/m.K，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，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。研究成果以“Carbon Nanostructure–Enabled High-Performance Thermal Insulation for Extreme-Temperature Application”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

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图文导读

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。 

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#1、#3、#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。

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#6在真空室温下热导率随密度的拟合曲线； 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#6在氩气中室温热导率随压力的变化（点：实验数据；虚线：拟合结果）； h) 样品#3在1400–2600°C氩气中的有效热导率（点：实验数据；虚线：拟合结果）。 

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。