高溫熱絕緣材料（TIMs）對于熱防護和管理系統至關重要，在這些系統中，人們期望材料在保持優異絕緣性能的同時，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展現出極低的熱導率。在真空環境下，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構、超低密度以及sp²碳的高消光系數。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薄膜或將多層SACNT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、其微觀結構圖像、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SACNT薄膜的微觀結構，幫助研究人員了解薄膜中碳納米管的排列和形態等微觀特征。
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薄膜或將多層SACNT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內部的微觀結構，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。這體現了SACNT薄膜制備技術在大尺寸方面的能力，對于后續大規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出更優異的熱絕緣性能。b）內部溫度超過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；原始數據見支持信息中的表S2和表S3），繪制在（d）線性刻度和（e）對數刻度上，同時繪制了先前研究中其他熱界面材料（TIMs）的數據（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出了比石墨氈更優異的熱絕緣性能，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的有效熱導率數據，分別用線性刻度和對數刻度繪制，同時繪制了先前研究中其他熱界面材料的數據。
*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。
線性刻度和對數刻度：線性刻度便于直觀比較數值大小，而對數刻度則能更清晰地展示數據之間的差異，尤其是在數據范圍較大時。
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據。c) 示意圖顯示，在固定固體體積分數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果。以下是對各部分的解析：
圖3a:內容: 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據。
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，熱導率也發生變化，實驗數據與擬合線相符，驗證了模型的準確性。
圖3c:內容: 示意圖顯示，在固定固體體積分數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:內容: 在2000°C下，具有不同固體體積分數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)的擬合結果。
解析: 提供了實驗數據與理論模型（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。實驗數據與擬合結果相符，驗證了模型的準確性。
圖3h:內容: 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)的擬合結果。
解析: 展示了SACNT-SF在高溫氬氣環境中的有效熱導率變化。實驗數據與使用公式(3)的擬合結果相符，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個大氣壓的氬氣環境中測量的SACNT-SF樣品總熱導率，相對于固體體積分數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的光學厚度。c) 根據b)中的數據計算出的，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。d) 在真空環境中，從1000°C到2600°C，SACNT-SF的熱導率。虛線代表計算值；實線表示實驗結果。e) 在真空環境中，SACNT-SF的熱導率作為f（或密度）的函數在不同溫度下的變化。f) 在1個大氣壓的氬氣環境中，SACNT-SF的熱導率作為f（或密度）的函數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：內容：展示了在1個大氣壓的氬氣環境中，SACNT-SF樣品的總熱導率如何隨著固體體積分數f（或密度）的變化而在不同溫度下變化。
意義：通過實驗數據點（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：內容：展示了單層SACNT薄膜在近紅外波段對于兩種偏振狀態（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。這里展示了SACNT薄膜對不同偏振狀態光的吸收特性，為理解其輻射熱絕緣性能提供了基礎。
c) 圖：內容：根據b)圖中的數據，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。
意義：羅斯蘭德平均消光系數是衡量材料在寬波長范圍內對輻射吸收能力的參數。這個圖展示了如何通過調整SACNT薄膜的排列角度來優化其對輻射熱的吸收和散射，從而降低熱導率。
d) 圖：內容：展示了在真空環境中，從1000°C到2600°C溫度范圍內，SACNT-SF的熱導率。
意義：通過對比實驗數據（實線）和理論計算值（虛線），可以評估SACNT-SF在高溫真空環境中的熱絕緣性能，這對于理解其在極端條件下的應用潛力至關重要。
e) 圖：內容：展示了在真空環境中，SACNT-SF的熱導率如何隨著固體體積分數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。這對于優化SACNT-SF的密度以實現最佳熱絕緣性能具有指導意義。
f) 圖：內容：展示了在1個大氣壓的氬氣環境中，SACNT-SF的熱導率如何隨著固體體積分數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）存在的環境中進行的。這有助于理解氣體環境對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，顯著優于傳統熱絕緣材料。其優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構、超低密度及sp2碳的高消光系數，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定性和機械性能，是極端環境下下一代熱絕緣的有力候選者。DOI: 10.1002/adfm.202514142
轉自《石墨烯研究》公眾號
