Les réacteurs à haute performance, les avions hypersoniques et les engins spatiaux sont tous exposés à une chaleur intense, bien plus élevée que celle de la lave en fusion, lors de leur rentrée dans l'atmosphère terrestre. Les chercheurs recherchent depuis des décennies l'« isolant idéal » : un isolant capable de résister à des températures extrêmement élevées, de bloquer tout type de transmission de chaleur, d'être léger et adaptable à une utilisation industrielle. Selon certaines sources, une équipe de recherche de l'Université Tsinghua en Chine a créé un nouvel isolant en nanotubes de carbone capable de résister à des températures extrêmes allant jusqu'à 4,712 2,600 °C (XNUMX XNUMX °F) tout en empêchant le rayonnement, le transfert de gaz et la conduction thermique.

Au-dessus de 2,732 1,500 °C (XNUMX XNUMX °F), les matériaux isolants conventionnels commencent à se dégrader ou à transmettre une chaleur excessiveAvec des applications dans la fabrication de pointe, l’énergie et l’aérospatiale, cette découverte a le potentiel de transformer la façon dont les industries gèrent les conditions de chaleur extrême.

Qu’est-ce qui rend cet isolant en nanotubes de carbone différent des matériaux existants ?

Le nouvel isolant en nanotubes de carbone superalignés résiste à une chaleur extrême et est utilisé pour créer cet isolant innovant. Tels des fils de soie, les chercheurs cultivent des réseaux verticaux de nanotubes avant de les « étirer » en fines feuilles. Les qualités remarquables de ce matériau proviennent de la façon dont ces feuilles sont enroulées ou empilées pour créer des structures multicouches et poreuses.

Comme le nouvel isolant en nanotubes de carbone résiste à une chaleur extrême, les caractéristiques essentielles suivantes distinguent ce matériau :

Conductivité thermique extrêmement faible :

• À température ambiante, 0.004 W/mK.
• À 2,600 0.03 °C, XNUMX W/mK est significativement inférieur à celui de la moyenne isolateurs, comme le feutre graphite.

Densité légère :

• Gammes de 5 à 100 kg/m³, ce qui le rend simple à intégrer dans l'industrie aéronautique et d'autres secteurs où le poids est essentiel.

Résistance à la chaleur:

• Capable de résister à des centaines de cycles de chauffage/refroidissement et des températures extrêmement élevées.

Blocage des radiations :

• La lumière infrarouge est absorbée et dispersée par des nanotubes, qui piègent photons thermiques.

Évolutivité:

• Il est possible de créer des feuilles allant jusqu'à 550 mm de large et pouvant atteindre des centaines de mètres de long.

Le nouveau matériau a le potentiel d’être révolutionnaire en raison de sa stabilité, de ses performances et de son évolutivité.

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Comment bloque-t-il si efficacement le transfert de chaleur ?

Analyse des trois principales méthodes de transfert de chaleur : le rayonnement, convection (conduction gazeuse), et conduction—aide à expliquer la découverte.

Conduction à travers les solides :

• La chaleur doit passer à travers plusieurs couches en raison de la disposition des nanotubes plutôt que le long des tubes.
• Vibrations de chauffage, ou phonons, ont du mal à traverser chaque tube car ils ne mesurent que 10 à 20 nanomètres de diamètre et sont séparés par un espace.

Conduction gazeuse :

• Les molécules de gaz ne peuvent pas se déplacer facilement à travers les petits trous.
• Au lieu de cela, ils perdent de l'énergie et rebondissent à l'intérieur (le effet Knudsen), ce qui diminue la conduction.

Radiation:

• À des températures élevées, le rayonnement prédomine car les photons transportent de la chaleur.
• En raison de leur structure électronique (singularités de van Hove), les nanotubes présentent une absorption et une diffusion importantes du rayonnement infrarouge.
• Les couches empilées à différents angles piègent le rayonnement, ce qui réduit considérablement le transfert de chaleur.

Dit, cet isolant est nettement plus efficace que les matériaux conventionnels puisqu'il arrête la chaleur dans toutes les directions.

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Où ce matériau peut-il être appliqué dans le monde réel ?

De nombreuses industries qui travaillent dans des conditions extrêmement chaudes ou froides pourraient profiter de cette idée.

Espace aérien:

• Blindage pour la rentrée des engins spatiaux.
• Protection des avions opérant à des vitesses hypersoniques.
• Barrières thermiques dans les moteurs à réaction.

Énergie:

• Réacteurs utilisant la fusion.
• Centrales nucléaires.
• Turbines à gaz avec des températures élevées.

Fabrication industrielle :

• Fonderies, fours et fours.
• Isolation légère pour les procédures industrielles impliquant des températures élevées.

Electronique:

• Le contrôle thermique est crucial dans les situations où la résistance à la chaleur et l’espace sont essentiels.
• La capacité du matériau à s'enrouler autour de surfaces inégales et sa flexibilité améliorent son utilisation pratique.

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Comment se compare-t-il aux isolants haute température actuels ?

Le nouvel isolant en nanotubes de carbone résiste à une chaleur extrême, contrairement au feutre de graphite, un matériau fréquemment utilisé, comme le montre le tableau suivant :

Cette comparaison illustre comment le matériau nanotube peut surpasser l’isolation actuelle dans divers secteurs.

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Quels défis restent à relever ?

Malgré le potentiel, plusieurs obstacles doivent être surmontés avant que l’isolation soit largement utilisée :

• Résistance à l'oxydation : À haute température, les nanotubes de carbone peuvent se décomposer en présence d'oxygène. Pour garantir la résistance du matériau en extérieur, les chercheurs prévoient d'appliquer des revêtements protecteurs.
• Coût et évolutivité : Même si de grandes quantités de feuilles peuvent être fabriquées, une qualité constante et une réduction des coûts de production sont nécessaires pour une adoption industrielle généralisée.
• Durabilité sous contrainte : Les matériaux utilisés dans les secteurs de l'énergie et de l'aérospatiale doivent résister aux contraintes mécaniques, à l'exposition aux produits chimiques et aux températures élevées. Des recherches à long terme seront nécessaires.

L’isolation en nanotubes a le potentiel de devenir l’un des matériaux les plus importants de la prochaine génération si ces problèmes sont résolus.

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Foire Aux Questions (FAQ)

Q1 : Quelle est la température de 2,600 4,712 °C (XNUMX XNUMX °F) par rapport aux températures normales ?

Cette température est plus élevée que celle de la surface de Vénus (475 °C) et plus élevée que celle de la lave en fusion (1,000 1,200 à 1,455 1,538 °C). Elle est proche de celle de nombreux métaux, dont le nickel (XNUMX XNUMX °C) et le fer (XNUMX XNUMX °C).

Q2 : Est-il possible que les biens de consommation utilisent cette isolation ?

Pas tout de suite. Pour l'instant, ce matériau est destiné à l'aéronautique et aux environnements industriels difficiles. Cependant, il pourrait à terme avoir un impact sur l'électronique et les gadgets grand public spécialisés, avec la baisse des prix de production.

Q3 : Qu’est-ce qui rend les nanotubes de carbone si efficaces pour empêcher le transfert de chaleur ?

Leur nanostructure leur permet d'absorber efficacement les radiations, tandis que leurs minuscules pores limitent la conduction gazeuse et que leur architecture en couches réduit la conduction solide. Ils couvrent pratiquement tous les aspects du transport thermique.

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