高溫?zé)峤^緣材料（TIMs）對(duì)于熱防護(hù)和管理系統(tǒng)至關(guān)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(shí)，厚度盡可能薄。本研究報(bào)告了一類(lèi)由超對(duì)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(dǎo)率。在真空環(huán)境下，SACNT-SF在室溫下的有效熱導(dǎo)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(jí)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(guò)固體傳導(dǎo)、氣體傳導(dǎo)和熱輻射的熱量傳遞。此外，SACNT-SF具有納米級(jí)厚度且機(jī)械柔韌，能夠貼合復(fù)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(shù)的進(jìn)步，飛行器速度不斷提高，導(dǎo)致表面溫度逐漸升高。高溫?zé)峤^緣材料對(duì)于熱管理和保護(hù)系統(tǒng)至關(guān)重要。有效的TIM必須能夠在高溫下保持低熱導(dǎo)率。總熱導(dǎo)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(guò)固體骨架、輻射（光子）和氣體介質(zhì)的熱導(dǎo)率。隨著溫度升高，通過(guò)輻射和氣體的熱傳導(dǎo)增加，并在高溫下成為主導(dǎo)。因此，確定在寬溫度范圍內(nèi)最有效的TIM對(duì)于先進(jìn)的熱管理應(yīng)用至關(guān)重要。
.png)
圖1. 超對(duì)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(guò)在棒上纏繞SACNT薄膜或?qū)⒍鄬覵ACNT薄膜堆疊在一起來(lái)制備超對(duì)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(guān)于超對(duì)齊碳納米管（SACNT）陣列、薄膜以及堆疊薄膜（SACNT-SF）的相關(guān)內(nèi)容，包括從SACNT陣列制備SACNT薄膜的過(guò)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(shí)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(chǔ)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(duì)齊碳納米管堆疊薄膜（SACNT-SF）的兩種方法，即通過(guò)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(guò)這些微觀圖像，可以進(jìn)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(shí)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(yīng)用形式，說(shuō)明其可以適應(yīng)不同的基底形狀進(jìn)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(shù)在大尺寸方面的能力，對(duì)于后續(xù)大規(guī)模應(yīng)用或進(jìn)一步加工具有重要意義。
.png)
圖2. 超對(duì)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(guò)2000°C時(shí)，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(cè)得的SACNT-SF樣品#1、#3和#5的有效熱導(dǎo)率（用紅色五角星表示；原始數(shù)據(jù)見(jiàn)支持信息中的表S2和表S3），繪制在（d）線性刻度和（e）對(duì)數(shù)刻度上，同時(shí)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(duì)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(guò)2000°C時(shí)，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(huì)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(huì)燃燒，這對(duì)于高溫應(yīng)用環(huán)境下的安全性至關(guān)重要。
圖2d和圖2e：*描述：測(cè)得的SACNT-SF樣品#1、#3和#5的有效熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，分別用線性刻度和對(duì)數(shù)刻度繪制，同時(shí)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(dǎo)率：這是衡量材料熱絕緣性能的關(guān)鍵指標(biāo)，值越低表示熱絕緣性能越好。
線性刻度和對(duì)數(shù)刻度：線性刻度便于直觀比較數(shù)值大小，而對(duì)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(shí)。
與其他材料的比較：通過(guò)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(shì)，其有效熱導(dǎo)率顯著低于其他材料。
.png)
圖3. 熱絕緣材料（TIM）中的熱傳遞模型。a) 通過(guò)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(dǎo)率與密度的擬合線圖（虛線）；實(shí)心三角形表示在室溫真空下測(cè)量的數(shù)據(jù)。c) 示意圖顯示，在固定固體體積分?jǐn)?shù)f的情況下，通過(guò)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?jǐn)?shù)f的石墨薄膜的輻射熱導(dǎo)率與（光學(xué)）厚度的關(guān)系圖。e) TIM中纖維直徑與kg的關(guān)系圖。f) 纖維TIM中氣體壓力與kg的關(guān)系圖。g) 在室溫下測(cè)量的不同密度的SACNT-SF樣品#6中氬氣的熱導(dǎo)率（點(diǎn)）；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(cè)量的SACNT-SF樣品#3的有效熱導(dǎo)率（點(diǎn)）；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(xì)描述了超對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。以下是對(duì)各部分的解析：
圖3a:內(nèi)容: 展示了通過(guò)碳納米管（CNTs）在SACNT-SF中熱傳遞的示意圖。
解析: 說(shuō)明了SACNT-SF中的熱傳遞主要通過(guò)碳納米管進(jìn)行，這些碳納米管在材料中高度對(duì)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(dǎo)率與密度的擬合線圖，實(shí)心三角形表示在室溫真空下測(cè)量的數(shù)據(jù)。
解析: 表明了SACNT-SF的熱導(dǎo)率與其密度之間的關(guān)系。隨著密度的增加，熱導(dǎo)率也發(fā)生變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合線相符，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。
圖3c:內(nèi)容: 示意圖顯示，在固定固體體積分?jǐn)?shù)f的情況下，通過(guò)減少材料厚度可以降低輻射傳熱。
解析: 說(shuō)明了在保持固體體積分?jǐn)?shù)不變的情況下，減少材料的厚度可以有效降低通過(guò)輻射方式的熱傳遞。這對(duì)于設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)f的石墨薄膜的輻射熱導(dǎo)率與（光學(xué)）厚度的關(guān)系圖。
解析: 展示了石墨薄膜在不同固體體積分?jǐn)?shù)下的輻射熱導(dǎo)率與其光學(xué)厚度的關(guān)系。隨著光學(xué)厚度的增加，輻射熱導(dǎo)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(dǎo)率）的關(guān)系圖。
解析: 表明纖維直徑對(duì)氣體熱導(dǎo)率的影響。較小的纖維直徑可以降低氣體熱導(dǎo)率，因?yàn)檫@減少了氣體分子的平均自由路徑，從而降低了通過(guò)氣體的熱傳遞。
圖3f:內(nèi)容: 纖維TIM中氣體壓力與kg的關(guān)系圖。
解析: 展示了氣體壓力對(duì)纖維TIM中氣體熱導(dǎo)率的影響。隨著氣體壓力的降低，氣體熱導(dǎo)率也降低，因?yàn)榈蛪合職怏w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(cè)量的不同密度的SACNT-SF樣品#6中氬氣的熱導(dǎo)率，虛線表示使用公式(3)的擬合結(jié)果。
解析: 提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型（公式(3)）的對(duì)比，表明在不同密度下，SACNT-SF中氬氣的熱導(dǎo)率變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果相符，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。
圖3h:內(nèi)容: 在氬氣中從1400°C到2600°C測(cè)量的SACNT-SF樣品#3的有效熱導(dǎo)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(dǎo)率變化。實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步驗(yàn)證了SACNT-SF作為高性能熱絕緣材料的潛力。
.png)
圖4. 提升SACNT-SF熱絕緣性能。a) 在1個(gè)大氣壓的氬氣環(huán)境中測(cè)量的SACNT-SF樣品總熱導(dǎo)率，相對(duì)于固體體積分?jǐn)?shù)f（或密度）在不同溫度下的變化。虛線代表計(jì)算值。b) 單層SACNT薄膜在近紅外波段對(duì)于兩種偏振狀態(tài)的光學(xué)厚度。c) 根據(jù)b)中的數(shù)據(jù)計(jì)算出的，相對(duì)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(dǎo)率。虛線代表計(jì)算值；實(shí)線表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。e) 在真空環(huán)境中，SACNT-SF的熱導(dǎo)率作為f（或密度）的函數(shù)在不同溫度下的變化。f) 在1個(gè)大氣壓的氬氣環(huán)境中，SACNT-SF的熱導(dǎo)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(guān)于提升SACNT-SF（超級(jí)對(duì)齊碳納米管堆疊薄膜）熱絕緣性能的多個(gè)方面。以下是對(duì)每個(gè)子圖的詳細(xì)解析：
a) 圖：內(nèi)容：展示了在1個(gè)大氣壓的氬氣環(huán)境中，SACNT-SF樣品的總熱導(dǎo)率如何隨著固體體積分?jǐn)?shù)f（或密度）的變化而在不同溫度下變化。
意義：通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)（實(shí)線）和理論計(jì)算值（虛線）的對(duì)比，可以評(píng)估SACNT-SF在不同密度下的熱絕緣性能，并理解密度對(duì)熱導(dǎo)率的影響。
b) 圖：內(nèi)容：展示了單層SACNT薄膜在近紅外波段對(duì)于兩種偏振狀態(tài)（平行和垂直于碳納米管方向）的光學(xué)厚度。
意義：光學(xué)厚度是衡量材料對(duì)特定波長(zhǎng)光吸收能力的重要參數(shù)。這里展示了SACNT薄膜對(duì)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(chǔ)。
c) 圖：內(nèi)容：根據(jù)b)圖中的數(shù)據(jù)，計(jì)算出了相對(duì)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(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)輻射吸收能力的參數(shù)。這個(gè)圖展示了如何通過(guò)調(diào)整SACNT薄膜的排列角度來(lái)優(yōu)化其對(duì)輻射熱的吸收和散射，從而降低熱導(dǎo)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(dǎo)率。
意義：通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（實(shí)線）和理論計(jì)算值（虛線），可以評(píng)估SACNT-SF在高溫真空環(huán)境中的熱絕緣性能，這對(duì)于理解其在極端條件下的應(yīng)用潛力至關(guān)重要。
e) 圖：內(nèi)容：展示了在真空環(huán)境中，SACNT-SF的熱導(dǎo)率如何隨著固體體積分?jǐn)?shù)f（或密度）的變化而在不同溫度下變化。
意義：這個(gè)圖進(jìn)一步細(xì)化了密度對(duì)SACNT-SF熱導(dǎo)率的影響，特別是在不同溫度下的表現(xiàn)。這對(duì)于優(yōu)化SACNT-SF的密度以實(shí)現(xiàn)最佳熱絕緣性能具有指導(dǎo)意義。
f) 圖：內(nèi)容：展示了在1個(gè)大氣壓的氬氣環(huán)境中，SACNT-SF的熱導(dǎo)率如何隨著固體體積分?jǐn)?shù)f（或密度）的變化而在不同溫度下變化。
意義：與e)圖類(lèi)似，但這個(gè)圖是在有氣體（氬氣）存在的環(huán)境中進(jìn)行的。這有助于理解氣體環(huán)境對(duì)SACNT-SF熱絕緣性能的影響，以及在不同應(yīng)用條件下如何優(yōu)化其性能。
本文報(bào)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(dǎo)率為0.004W m−1K−1，在2600°C時(shí)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(jí)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(dǎo)、氣體傳導(dǎo)和熱輻射。此外，SACNT-SF具有納米級(jí)厚度和機(jī)械柔韌性，可適應(yīng)復(fù)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(jī)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(hào)
