高溫熱絕緣材料（TIMs）對于熱防護和管理系統(tǒng)至關重要，在這些系統(tǒng)中，人們期望材料在保持優(yōu)異絕緣性能的同時，厚度盡可能薄。本研究報告了一類由超對齊碳納米管（SACNT-SF）組成的疊層薄膜，該材料在寬溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)出極低的熱導率。在真空環(huán)境下，SACNT-SF在室溫下的有效熱導率為0.004 W m?¹K?¹，在2600°C下為0.03 W m?¹K?¹。其卓越的絕緣性能源于SACNT-SF的固有特性，包括納米級管徑、高度各向異性和納米多孔結(jié)構(gòu)、超低密度以及sp²碳的高消光系數(shù)。這些屬性有效抑制了通過固體傳導、氣體傳導和熱輻射的熱量傳遞。此外，SACNT-SF具有納米級厚度且機械柔韌，能夠貼合復雜幾何形狀的表面。這些特性使SACNT-SF成為極端環(huán)境下下一代熱絕緣的有力候選材料。
隨著航空航天技術的進步，飛行器速度不斷提高，導致表面溫度逐漸升高。高溫熱絕緣材料對于熱管理和保護系統(tǒng)至關重要。有效的TIM必須能夠在高溫下保持低熱導率。總熱導率k_tot由三部分組成：k_tot = k_s + k_r + k_g，其中k_s、k_r和k_g分別代表通過固體骨架、輻射（光子）和氣體介質(zhì)的熱導率。隨著溫度升高，通過輻射和氣體的熱傳導增加，并在高溫下成為主導。因此，確定在寬溫度范圍內(nèi)最有效的TIM對于先進的熱管理應用至關重要。
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圖1. 超對齊碳納米管（SACNT）陣列、薄膜及堆疊薄膜。a) 從290毫米×140毫米石英基板上的SACNT陣列中拉制SACNT薄膜。b) 單層SACNT薄膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。c) 通過在棒上纏繞SACNT薄膜或?qū)⒍鄬覵ACNT薄膜堆疊在一起來制備超對齊碳納米管堆疊薄膜（SACNT-SF）的示意圖。d) SACNT-SF不同截面的SEM圖像，比例尺為20微米。e) 尺寸為40毫米×50毫米、厚度為2毫米的SACNT-SF。f) 在銅圓柱體上纏繞SACNT薄膜制成的SACNT-SF。g) 從SACNT陣列中拉制出550毫米寬的SACNT薄膜的照片。
解析
整體內(nèi)容概述
這段文字主要介紹了圖1中展示的關于超對齊碳納米管（SACNT）陣列、薄膜以及堆疊薄膜（SACNT-SF）的相關內(nèi)容，包括從SACNT陣列制備SACNT薄膜的過程、SACNT薄膜的微觀圖像、SACNT-SF的制備方式、其微觀結(jié)構(gòu)圖像、實際尺寸樣品展示以及拉制寬幅SACNT薄膜的照片。
具體內(nèi)容解析
圖1a.描述了從290毫米×140毫米石英基板上的SACNT陣列中拉制SACNT薄膜的操作。這展示了SACNT薄膜的初始制備步驟，為后續(xù)制備SACNT-SF提供基礎材料。
圖1b.給出了單層SACNT薄膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。SEM圖像可以清晰地呈現(xiàn)SACNT薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，幫助研究人員了解薄膜中碳納米管的排列和形態(tài)等微觀特征。
圖1c.以示意圖的形式展示了制備超對齊碳納米管堆疊薄膜（SACNT-SF）的兩種方法，即通過在棒上纏繞SACNT薄膜或?qū)⒍鄬覵ACNT薄膜堆疊在一起。這為理解SACNT-SF的制備工藝提供了直觀的參考。
圖1d.提供了SACNT-SF不同截面的SEM圖像，且比例尺為20微米。通過這些微觀圖像，可以進一步觀察SACNT-SF內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，如碳納米管在堆疊薄膜中的分布和排列情況等。
圖1e.展示了尺寸為40毫米×50毫米、厚度為2毫米的SACNT-SF實際樣品。這有助于從宏觀角度了解SACNT-SF的外觀和尺寸特征。
圖1f.述了在銅圓柱體上纏繞SACNT薄膜制成的SACNT-SF。這展示了SACNT-SF的一種具體應用形式，說明其可以適應不同的基底形狀進行制備。
圖1g.給出了從SACNT陣列中拉制出550毫米寬的SACNT薄膜的照片。這體現(xiàn)了SACNT薄膜制備技術在大尺寸方面的能力，對于后續(xù)大規(guī)模應用或進一步加工具有重要意義。
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圖2. 超對齊碳納米管堆疊薄膜（SACNT-SF）的熱絕緣性能。a）一塊0.6毫米厚的SACNT-SF比一塊3.5毫米厚的石墨氈表現(xiàn)出更優(yōu)異的熱絕緣性能。b）內(nèi)部溫度超過2000°C時，觸摸一塊5毫米厚的SACNT-SF表面的照片。c）SACNT-SF暴露在高于1000°C的明火中而不燃燒的照片；測得的SACNT-SF樣品#1、#3和#5的有效熱導率（用紅色五角星表示；原始數(shù)據(jù)見支持信息中的表S2和表S3），繪制在（d）線性刻度和（e）對數(shù)刻度上，同時繪制了先前研究中其他熱界面材料（TIMs）的數(shù)據(jù)（GFM，[1] ZFB，[1] AETB，[17] SiOA，[6] SiOA-TiO，[18] AF1，[3] AF2[2]）。
解析
這段文字和圖表描述了超對齊碳納米管堆疊薄膜（SACNT-SF）在熱絕緣方面的卓越性能，具體解析如下：
圖2a：*描述：比較了0.6毫米厚的SACNT-SF和3.5毫米厚的石墨氈的熱絕緣性能。
*解析：SACNT-SF在更薄的厚度下表現(xiàn)出了比石墨氈更優(yōu)異的熱絕緣性能，這表明SACNT-SF具有更高的熱絕緣效率。
圖2b：*描述：展示了在內(nèi)部溫度超過2000°C時，人們可以觸摸5毫米厚的SACNT-SF表面的照片。
*解析：這一照片直觀地證明了SACNT-SF在高溫環(huán)境下的出色熱絕緣性能，其表面溫度足夠低，以至于可以直接觸摸而不會造成燙傷。
圖2c：*描述：SACNT-SF暴露在高于1000°C的明火中而不燃燒的照片。
*解析：這表明SACNT-SF不僅具有優(yōu)異的熱絕緣性能，還具有良好的阻燃性，即使在高溫明火下也不會燃燒，這對于高溫應用環(huán)境下的安全性至關重要。
圖2d和圖2e：*描述：測得的SACNT-SF樣品#1、#3和#5的有效熱導率數(shù)據(jù)，分別用線性刻度和對數(shù)刻度繪制，同時繪制了先前研究中其他熱界面材料的數(shù)據(jù)。
*解析：
有效熱導率：這是衡量材料熱絕緣性能的關鍵指標，值越低表示熱絕緣性能越好。
線性刻度和對數(shù)刻度：線性刻度便于直觀比較數(shù)值大小，而對數(shù)刻度則能更清晰地展示數(shù)據(jù)之間的差異，尤其是在數(shù)據(jù)范圍較大時。
與其他材料的比較：通過與其他熱界面材料的比較，可以明顯看出SACNT-SF在熱絕緣性能上的優(yōu)勢，其有效熱導率顯著低于其他材料。
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圖3. 熱絕緣材料（TIM）中的熱傳遞模型。a) 通過碳納米管（CNTs）在SACNT-SF中熱傳遞的示意圖。b) SACNT-SF樣品#6的有效熱導率與密度的擬合線圖（虛線）；實心三角形表示在室溫真空下測量的數(shù)據(jù)。c) 示意圖顯示，在固定固體體積分數(shù)f的情況下，通過減少材料厚度可以降低輻射傳熱。d) 在2000°C下，具有不同固體體積分數(shù)f的石墨薄膜的輻射熱導率與（光學）厚度的關系圖。e) TIM中纖維直徑與kg的關系圖。f) 纖維TIM中氣體壓力與kg的關系圖。g) 在室溫下測量的不同密度的SACNT-SF樣品#6中氬氣的熱導率（點）；虛線表示使用公式(3)的擬合結(jié)果。h) 在氬氣中從1400°C到2600°C測量的SACNT-SF樣品#3的有效熱導率（點）；虛線表示使用公式(3)的擬合結(jié)果。
解析
這段文字和圖3詳細描述了超對齊碳納米管堆疊薄膜（SACNT-SF）作為高性能熱絕緣材料（TIM）在不同條件下的熱傳遞模型和實驗結(jié)果。以下是對各部分的解析：
圖3a:內(nèi)容: 展示了通過碳納米管（CNTs）在SACNT-SF中熱傳遞的示意圖。
解析: 說明了SACNT-SF中的熱傳遞主要通過碳納米管進行，這些碳納米管在材料中高度對齊，形成了有效的熱傳遞路徑或屏障，具體取決于熱傳遞的方向和碳納米管的排列方式。
圖3b:內(nèi)容: SACNT-SF樣品#6的有效熱導率與密度的擬合線圖，實心三角形表示在室溫真空下測量的數(shù)據(jù)。
解析: 表明了SACNT-SF的熱導率與其密度之間的關系。隨著密度的增加，熱導率也發(fā)生變化，實驗數(shù)據(jù)與擬合線相符，驗證了模型的準確性。
圖3c:內(nèi)容: 示意圖顯示，在固定固體體積分數(shù)f的情況下，通過減少材料厚度可以降低輻射傳熱。
解析: 說明了在保持固體體積分數(shù)不變的情況下，減少材料的厚度可以有效降低通過輻射方式的熱傳遞。這對于設計高效熱絕緣材料非常重要。
圖3d:內(nèi)容: 在2000°C下，具有不同固體體積分數(shù)f的石墨薄膜的輻射熱導率與（光學）厚度的關系圖。
解析: 展示了石墨薄膜在不同固體體積分數(shù)下的輻射熱導率與其光學厚度的關系。隨著光學厚度的增加，輻射熱導率降低，表明增加材料厚度或密度可以減少輻射傳熱。
圖3e:內(nèi)容: TIM中纖維直徑與kg（氣體熱導率）的關系圖。
解析: 表明纖維直徑對氣體熱導率的影響。較小的纖維直徑可以降低氣體熱導率，因為這減少了氣體分子的平均自由路徑，從而降低了通過氣體的熱傳遞。
圖3f:內(nèi)容: 纖維TIM中氣體壓力與kg的關系圖。
解析: 展示了氣體壓力對纖維TIM中氣體熱導率的影響。隨著氣體壓力的降低，氣體熱導率也降低，因為低壓下氣體分子的平均自由路徑增加，但碰撞頻率降低，從而減少了熱傳遞。
圖3g:內(nèi)容: 在室溫下測量的不同密度的SACNT-SF樣品#6中氬氣的熱導率，虛線表示使用公式(3)的擬合結(jié)果。
解析: 提供了實驗數(shù)據(jù)與理論模型（公式(3)）的對比，表明在不同密度下，SACNT-SF中氬氣的熱導率變化。實驗數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果相符，驗證了模型的準確性。
圖3h:內(nèi)容: 在氬氣中從1400°C到2600°C測量的SACNT-SF樣品#3的有效熱導率，虛線表示使用公式(3)的擬合結(jié)果。
解析: 展示了SACNT-SF在高溫氬氣環(huán)境中的有效熱導率變化。實驗數(shù)據(jù)與使用公式(3)的擬合結(jié)果相符，表明該模型在高溫下也適用，進一步驗證了SACNT-SF作為高性能熱絕緣材料的潛力。
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圖4. 提升SACNT-SF熱絕緣性能。a) 在1個大氣壓的氬氣環(huán)境中測量的SACNT-SF樣品總熱導率，相對于固體體積分數(shù)f（或密度）在不同溫度下的變化。虛線代表計算值。b) 單層SACNT薄膜在近紅外波段對于兩種偏振狀態(tài)的光學厚度。c) 根據(jù)b)中的數(shù)據(jù)計算出的，相對于輻射偏振方向以不同角度排列的單層SACNT薄膜的羅斯蘭德平均消光系數(shù)。d) 在真空環(huán)境中，從1000°C到2600°C，SACNT-SF的熱導率。虛線代表計算值；實線表示實驗結(jié)果。e) 在真空環(huán)境中，SACNT-SF的熱導率作為f（或密度）的函數(shù)在不同溫度下的變化。f) 在1個大氣壓的氬氣環(huán)境中，SACNT-SF的熱導率作為f（或密度）的函數(shù)在不同溫度下的變化。
解析
這段文字描述了圖4中展示的關于提升SACNT-SF（超級對齊碳納米管堆疊薄膜）熱絕緣性能的多個方面。以下是對每個子圖的詳細解析：
a) 圖：內(nèi)容：展示了在1個大氣壓的氬氣環(huán)境中，SACNT-SF樣品的總熱導率如何隨著固體體積分數(shù)f（或密度）的變化而在不同溫度下變化。
意義：通過實驗數(shù)據(jù)點（實線）和理論計算值（虛線）的對比，可以評估SACNT-SF在不同密度下的熱絕緣性能，并理解密度對熱導率的影響。
b) 圖：內(nèi)容：展示了單層SACNT薄膜在近紅外波段對于兩種偏振狀態(tài)（平行和垂直于碳納米管方向）的光學厚度。
意義：光學厚度是衡量材料對特定波長光吸收能力的重要參數(shù)。這里展示了SACNT薄膜對不同偏振狀態(tài)光的吸收特性，為理解其輻射熱絕緣性能提供了基礎。
c) 圖：內(nèi)容：根據(jù)b)圖中的數(shù)據(jù)，計算出了相對于輻射偏振方向以不同角度排列的單層SACNT薄膜的羅斯蘭德平均消光系數(shù)。
意義：羅斯蘭德平均消光系數(shù)是衡量材料在寬波長范圍內(nèi)對輻射吸收能力的參數(shù)。這個圖展示了如何通過調(diào)整SACNT薄膜的排列角度來優(yōu)化其對輻射熱的吸收和散射，從而降低熱導率。
d) 圖：內(nèi)容：展示了在真空環(huán)境中，從1000°C到2600°C溫度范圍內(nèi)，SACNT-SF的熱導率。
意義：通過對比實驗數(shù)據(jù)（實線）和理論計算值（虛線），可以評估SACNT-SF在高溫真空環(huán)境中的熱絕緣性能，這對于理解其在極端條件下的應用潛力至關重要。
e) 圖：內(nèi)容：展示了在真空環(huán)境中，SACNT-SF的熱導率如何隨著固體體積分數(shù)f（或密度）的變化而在不同溫度下變化。
意義：這個圖進一步細化了密度對SACNT-SF熱導率的影響，特別是在不同溫度下的表現(xiàn)。這對于優(yōu)化SACNT-SF的密度以實現(xiàn)最佳熱絕緣性能具有指導意義。
f) 圖：內(nèi)容：展示了在1個大氣壓的氬氣環(huán)境中，SACNT-SF的熱導率如何隨著固體體積分數(shù)f（或密度）的變化而在不同溫度下變化。
意義：與e)圖類似，但這個圖是在有氣體（氬氣）存在的環(huán)境中進行的。這有助于理解氣體環(huán)境對SACNT-SF熱絕緣性能的影響，以及在不同應用條件下如何優(yōu)化其性能。
本文報道了一種由超排列碳納米管薄膜堆疊而成的材料（SACNT-SF），該材料在極端溫度下展現(xiàn)出高性能的熱絕緣特性。SACNT-SF在室溫下有效熱導率為0.004W m−1K−1，在2600°C時為0.03W m−1K−1，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)熱絕緣材料。其優(yōu)異的絕緣性能源于納米級管徑、高度各向異性和納米多孔結(jié)構(gòu)、超低密度及sp2碳的高消光系數(shù)，有效抑制了固體傳導、氣體傳導和熱輻射。此外，SACNT-SF具有納米級厚度和機械柔韌性，可適應復雜幾何形狀的表面。該材料在高溫下仍能保持良好熱穩(wěn)定性和機械性能，是極端環(huán)境下下一代熱絕緣的有力候選者。DOI: 10.1002/adfm.202514142
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
