高性能反应堆、高超音速飞机和航天器在重返地球大气层时都会遭遇比熔岩温度高得多的高温。几十年来，研究人员一直在寻找“理想绝缘体”：一种能够承受极高温度、阻断所有类型热量传递、重量轻且可大规模用于工业用途的材料。据报道，中国清华大学的一个研究小组研制出了一种新型碳纳米管绝缘体，可承受高达 4,712°F（2,600°C）的极端高温，同时还能防止辐射、气体交换和热传导。

超过 2,732°F (1,500°C) 时，传统绝缘材料会开始降解或传递过多的热量。通过在先进制造、能源和航空航天领域的应用，这一发现有可能改变各行业应对极端高温条件的方式。

这种碳纳米管绝缘材料与现有材料有何不同？

这种超定向的新型碳纳米管隔热材料能够承受极高的温度，并被用于制造这种新颖设计的隔热材料。就像拔丝线一样，研究人员培育了垂直排列的碳纳米管 纳米管 然后将它们“拉伸”成薄片。这种材料的卓越品质源于这些薄片被卷绕或堆叠的方式，从而形成多层多孔结构。

由于新型碳纳米管绝缘材料能够承受极端高温，因此该材料具有以下独特基本特性：

极低的热导率：

• 在室温下， 0.004 瓦/米开尔。
• 2,600°C 时，0.03 W/mK 明显低于典型值 绝缘体，例如石墨毡。

轻质密度：

• 范围从 5 至 100 kg/m³，使其能够轻松地融入航空工业和其他对重量要求严格的行业。

耐热性：

• 能够 可承受数百次加热/冷却循环 以及极高的温度。

阻隔辐射：

• 红外光被纳米管吸收和散射，纳米管可以捕获 热光子.

可扩展性：

• 可以制造宽度达 550 毫米、长度达数百米的板材。

这种新材料因其稳定性、性能和可扩展性而具有革命性的潜力。

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它是如何如此有效地阻止热传递的？

剖析热传递的三种主要方式——辐射、 对流 （气体传导） 传导—有助于解释这一发现。

通过固体传导：

• 由于纳米管的排列方式，热量必须穿过几层，而不是沿着纳米管传递。
• 加热振动，或 声子，很难穿过每个管子，因为它们的直径只有 10 到 20 纳米，并且被空间隔开。

气体传导：

• 气体分子无法轻易穿过这些小孔。
• 相反，它们会失去能量并在内部反弹（ 努森效应)，从而降低传导率。

辐射：

• 在高温下，辐射占主导地位，因为光子携带热量。
• 由于它们的电子结构（范霍夫奇点)，纳米管对红外辐射有明显的吸收和散射作用。
• 以不同角度堆叠的层可以捕获辐射，从而显著降低热传递。

据说，这种隔热材料比传统隔热材料更有效，因为它可以阻挡各个方向的热量。

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这种材料在现实世界中可以应用在哪里？

许多在极热或极冷条件下工作的行业可能会从这个想法中受益。

空域：

• 航天器再入的屏蔽。
• 对高超音速飞行的飞机的保护。
• 喷气发动机中的热障。

能源：

• 使用聚变的反应堆。
• 核电厂.
• 燃气轮机 高温。

工业制造：

• 冶炼厂、熔炉和 窑炉.
• 轻质绝缘材料，适用于涉及高温的工业程序。

电子产品：

• 在耐热性和空间至关重要的情况下，热控制至关重要。
• 该材料能够包裹不平坦的表面，并且具有柔韧性，增强了其实际用途。

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它与当前的高温绝缘体相比如何？

与常用的材料石墨毡相比，新型碳纳米管绝缘材料能够承受极热，如下表所示：

这种比较说明了纳米管材料在各个领域的绝缘性能如何优于电流绝缘材料。

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还有哪些挑战需要解决？

尽管具有潜力，但在广泛使用绝缘材料之前必须克服几个障碍：

• 抗氧化性： 在高温下，碳纳米管会在氧气中分解。为了确保这种材料在户外环境下的耐用性，研究人员打算为其添加保护涂层。
• 成本和可扩展性： 虽然可以生产出大尺寸的板材，但稳定的质量和降低的生产成本对于广泛的工业应用来说是必不可少的。
• 压力下的耐久性： 能源和航空航天领域使用的材料必须能够承受机械应力、化学腐蚀和高温。这需要长期研究。

如果这些问题得到解决，纳米管绝缘材料有可能成为下一代最重要的材料之一。

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常见问题解答 (FAQs)

问题 1：2,600°C (4,712°F) 相对于正常温度来说有多热？

这一温度比金星表面（475摄氏度）还要高，也比熔岩（1,000-1,200摄氏度）还要高，接近多种金属的熔点，包括镍（1,455摄氏度）和铁（1,538摄氏度）。

问题2：消费品可以使用这种绝缘材料吗？

不会马上。目前，这种材料主要用于航空航天和严苛的工业环境。然而，随着生产成本的下降，它最终可能会对电子产品和专用消费电子产品产生影响。

Q3：碳纳米管为何具有如此出色的阻止热传递性能？

纳米结构使其能够有效吸收辐射，微小孔隙限制气体传导，层状结构则降低固体传导。它们基本上涵盖了热传输的各个方面。

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