Новый материал из углеродных нанотрубок установил рекорд тепловой изоляции

Массив SACNT, пленка и сложенная пленка. Автор: Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202514142

Китайские исследователи разработали новый изолятор из углеродных нанотрубок, способный выдерживать температуры до 2600°C, превосходя все другие материалы, используемые для экстремальных температурных применений. Этот прорыв может быть использован для тепловых экранов гиперзвуковых аппаратов и космических кораблей при повторном входе в атмосферу, а также в других высокотемпературных средах.

Космическим кораблям, реактивным двигателям и промышленным печам необходимы материалы, которые могут справляться с жарой, не плавясь, не трескаясь и не выпуская тепло. Однако высокотемпературные теплоизоляционные материалы (ТИМ) имеют серьезные недостатки. Они либо выходят из строя при температурах выше 1500°C, либо не очень эффективно препятствуют прохождению тепла. Это означает, что для достижения достойного уровня изоляции приходится использовать больше материала, что увеличивает объем и вес.

Именно поэтому ученые ищут новые, передовые материалы, которые могут эффективно блокировать тепло, оставаясь при этом тонкими и легкими. В статье, опубликованной в Advanced Functional Materials, исследователи из Университета Цинхуа описали, как они складывали и наматывали очень тонкие, гибкие пленки из углеродных нанотрубок, чтобы создать новый изоляционный материал под названием супервыровненные пленки из углеродных нанотрубок (SACNT-SF). Этот революционный материал блокирует тепло более эффективно, чем любой другой известный изолятор при высоких температурах.

«SACNT-SF демонстрирует эффективную теплопроводность 0,004 Вт·м⁻¹·K⁻¹ при комнатной температуре и 0,03 Вт·м⁻¹·K⁻¹ при 2600°C, превосходя все ТИМ, о которых сообщалось на сегодняшний день», — написали исследователи в своей статье.

Изоляционные свойства SACNT-SF обусловлены сочетанием факторов. Сложенные нанотрубки в основном представляют собой пространство, поэтому для прохождения тепла не так много твердого материала. А зазоры между ними настолько малы, что блокируют движение молекул газа, предотвращая передачу тепла.

Помимо превосходной изоляции, SACNT-SF также исключительно долговечен. Он может выдерживать повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения и остается стабильным до 3000°C в атмосфере аргона. И в отличие от громоздких изоляционных материалов, это инновационное вещество состоит из тонких, как бумага, пленок, которые могут легко изгибаться вокруг различных форм.

Существует много энтузиазма по поводу SACNT-SF и его многочисленных потенциальных применений. Например, его можно использовать для создания лучших тепловых экранов для космических кораблей и гиперзвуковых аппаратов, и он может повысить эффективность чрезвычайно горячих печей и реакторов. Поскольку он тонкий и гибкий, его также можно оборачивать вокруг сложных электронных компонентов для защиты от тепла.

Следующая задача

Однако одним существенным недостатком этого нового изолятора из углеродных нанотрубок является то, что он окисляется выше 500°C на воздухе. Это означает, что его нельзя использовать в незащищенных средах с кислородом при повышенных температурах, так как он сгорит.

Таким образом, исследовательская группа планирует добавить защитные покрытия, которые позволят ему работать в условиях, где присутствует кислород при высоких температурах, например, в реактивных двигателях.

Углеродные нанотрубки — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полые цилиндрические структуры диаметром от долей до десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров. Они обладают уникальными механическими, электрическими и тепловыми свойствами, что делает их перспективными для различных применений в нанотехнологиях, электронике и материаловедении.