中国科研团队突破2600℃耐高温碳纳米管薄膜材料

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，其耐高温极限可达 4712 华氏度（即 2600 摄氏度）。这种新材料具备规模化应用潜力，未来有望成为航空航天、能源及其他高温工业领域的关键隔热材料。

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据了解，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场景中，设备往往要承受远超熔岩温度的极端热量。而现有隔热材料大多在 2732 华氏度（即 1500 摄氏度）以上就会失效，如何解决这一隔热难题一直是行业挑战。

尽管部分材料能在高温环境下勉强使用，但普遍存在导热率过高的问题。尤其在超高温条件下，以光（光子）为载体的热辐射会成为热量传递的主要形式，而这也是最难阻隔的传热途径。

因此，多年来科研人员始终致力于研发一种“理想隔热材料”：既要能同时阻断固体传导、气体传导和热辐射三种传热方式，又需具备耐极端高温、轻量化、结构稳定等特性。

如今，清华大学的研究团队据称已实现这一目标 —— 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，该材料的制备首先要培育垂直排列的碳纳米管阵列。

获得碳纳米管阵列后，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将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所有形式的热传递：

• 固体传导方面：虽然碳纳米管本身导热性能优异，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。由于单根碳纳米管直径仅 10-20 纳米，且材料内部存在大量空隙，热量传递的载体 —— 声子（振动能量粒子）可传播的路径极少，从而大幅降低固体导热率。

• 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发生碰撞（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。

• 热辐射方面：碳纳米管本身具备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。研究团队进一步通过调整各层薄膜的堆叠角度，使热辐射的阻隔效果更优。

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，热导率也仅为 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），由此可见新型碳纳米管材料的隔热性能显著更优。

此外，该材料还具备出色的稳定性：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，轻量化优势明显。

值得一提的是，这种碳纳米管材料还具有良好的柔韧性，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。

该材料或将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、核电站也能借助其提升安全性能；此外，它还可应用于窑炉、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。