高温热绝缘材料（TIMs）对于热防护和管理系统至关重要，在这些系统中，人们期望材料在保持优异绝缘性能的同时，厚度尽可能薄。本研究报告了一类由超对齐碳纳米管（SACNT-SF）组成的叠层薄膜，该材料在宽温度范围内展现出极低的热导率。在真空环境下，SACNT-SF在室温下的有效热导率为0.004 W m⁻¹K⁻¹，在2600°C下为0.03 W m⁻¹K⁻¹。其卓越的绝缘性能源于SACNT-SF的固有特性，包括纳米级管径、高度各向异性和纳米多孔结构、超低密度以及sp²碳的高消光系数。这些属性有效抑制了通过固体传导、气体传导和热辐射的热量传递。此外，SACNT-SF具有纳米级厚度且机械柔韧，能够贴合复杂几何形状的表面。这些特性使SACNT-SF成为极端环境下下一代热绝缘的有力候选材料。
       随着航空航天技术的进步，飞行器速度不断提高，导致表面温度逐渐升高。高温热绝缘材料对于热管理和保护系统至关重要。有效的TIM必须能够在高温下保持低热导率。总热导率k_tot由三部分组成：k_tot = k_s + k_r + k_g，其中k_s、k_r和k_g分别代表通过固体骨架、辐射（光子）和气体介质的热导率。随着温度升高，通过辐射和气体的热传导增加，并在高温下成为主导。因此，确定在宽温度范围内最有效的TIM对于先进的热管理应用至关重要。
 
 
图1. 超对齐碳纳米管（SACNT）阵列、薄膜及堆叠薄膜。a) 从290毫米×140毫米石英基板上的SACNT阵列中拉制SACNT薄膜。b) 单层SACNT薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。c) 通过在棒上缠绕SACNT薄膜或将多层SACNT薄膜堆叠在一起来制备超对齐碳纳米管堆叠薄膜（SACNT-SF）的示意图。d) SACNT-SF不同截面的SEM图像，比例尺为20微米。e) 尺寸为40毫米×50毫米、厚度为2毫米的SACNT-SF。f) 在铜圆柱体上缠绕SACNT薄膜制成的SACNT-SF。g) 从SACNT阵列中拉制出550毫米宽的SACNT薄膜的照片。 
解析
整体内容概述
这段文字主要介绍了图1中展示的关于超对齐碳纳米管（SACNT）阵列、薄膜以及堆叠薄膜（SACNT-SF）的相关内容，包括从SACNT阵列制备SACNT薄膜的过程、SACNT薄膜的微观图像、SACNT-SF的制备方式、其微观结构图像、实际尺寸样品展示以及拉制宽幅SACNT薄膜的照片。
具体内容解析
图1a.描述了从290毫米×140毫米石英基板上的SACNT阵列中拉制SACNT薄膜的操作。这展示了SACNT薄膜的初始制备步骤，为后续制备SACNT-SF提供基础材料。
图1b.给出了单层SACNT薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。SEM图像可以清晰地呈现SACNT薄膜的微观结构，帮助研究人员了解薄膜中碳纳米管的排列和形态等微观特征。
图1c.以示意图的形式展示了制备超对齐碳纳米管堆叠薄膜（SACNT-SF）的两种方法，即通过在棒上缠绕SACNT薄膜或将多层SACNT薄膜堆叠在一起。这为理解SACNT-SF的制备工艺提供了直观的参考。
图1d.提供了SACNT-SF不同截面的SEM图像，且比例尺为20微米。通过这些微观图像，可以进一步观察SACNT-SF内部的微观结构，如碳纳米管在堆叠薄膜中的分布和排列情况等。
图1e.展示了尺寸为40毫米×50毫米、厚度为2毫米的SACNT-SF实际样品。这有助于从宏观角度了解SACNT-SF的外观和尺寸特征。
图1f.述了在铜圆柱体上缠绕SACNT薄膜制成的SACNT-SF。这展示了SACNT-SF的一种具体应用形式，说明其可以适应不同的基底形状进行制备。
图1g.给出了从SACNT阵列中拉制出550毫米宽的SACNT薄膜的照片。这体现了SACNT薄膜制备技术在大尺寸方面的能力，对于后续大规模应用或进一步加工具有重要意义。
 
 
图2. 超对齐碳纳米管堆叠薄膜（SACNT-SF）的热绝缘性能。a）一块0.6毫米厚的SACNT-SF比一块3.5毫米厚的石墨毡表现出更优异的热绝缘性能。b）内部温度超过2000°C时，触摸一块5毫米厚的SACNT-SF表面的照片。c）SACNT-SF暴露在高于1000°C的明火中而不燃烧的照片；测得的SACNT-SF样品#1、#3和#5的有效热导率（用红色五角星表示；原始数据见支持信息中的表S2和表S3），绘制在（d）线性刻度和（e）对数刻度上，同时绘制了先前研究中其他热界面材料（TIMs）的数据（GFM，[1] ZFB，[1] AETB，[17] SiOA，[6] SiOA-TiO，[18] AF1，[3] AF2[2]）。
解析
这段文字和图表描述了超对齐碳纳米管堆叠薄膜（SACNT-SF）在热绝缘方面的卓越性能，具体解析如下：
图2a：*描述：比较了0.6毫米厚的SACNT-SF和3.5毫米厚的石墨毡的热绝缘性能。
*解析：SACNT-SF在更薄的厚度下表现出了比石墨毡更优异的热绝缘性能，这表明SACNT-SF具有更高的热绝缘效率。
图2b：*描述：展示了在内部温度超过2000°C时，人们可以触摸5毫米厚的SACNT-SF表面的照片。
*解析：这一照片直观地证明了SACNT-SF在高温环境下的出色热绝缘性能，其表面温度足够低，以至于可以直接触摸而不会造成烫伤。
图2c：*描述：SACNT-SF暴露在高于1000°C的明火中而不燃烧的照片。
*解析：这表明SACNT-SF不仅具有优异的热绝缘性能，还具有良好的阻燃性，即使在高温明火下也不会燃烧，这对于高温应用环境下的安全性至关重要。
图2d和图2e：*描述：测得的SACNT-SF样品#1、#3和#5的有效热导率数据，分别用线性刻度和对数刻度绘制，同时绘制了先前研究中其他热界面材料的数据。
*解析：
有效热导率：这是衡量材料热绝缘性能的关键指标，值越低表示热绝缘性能越好。
线性刻度和对数刻度：线性刻度便于直观比较数值大小，而对数刻度则能更清晰地展示数据之间的差异，尤其是在数据范围较大时。
与其他材料的比较：通过与其他热界面材料的比较，可以明显看出SACNT-SF在热绝缘性能上的优势，其有效热导率显著低于其他材料。
 
 
图3. 热绝缘材料（TIM）中的热传递模型。a) 通过碳纳米管（CNTs）在SACNT-SF中热传递的示意图。b) SACNT-SF样品#6的有效热导率与密度的拟合线图（虚线）；实心三角形表示在室温真空下测量的数据。c) 示意图显示，在固定固体体积分数f的情况下，通过减少材料厚度可以降低辐射传热。d) 在2000°C下，具有不同固体体积分数f的石墨薄膜的辐射热导率与（光学）厚度的关系图。e) TIM中纤维直径与kg的关系图。f) 纤维TIM中气体压力与kg的关系图。g) 在室温下测量的不同密度的SACNT-SF样品#6中氩气的热导率（点）；虚线表示使用公式(3)的拟合结果。h) 在氩气中从1400°C到2600°C测量的SACNT-SF样品#3的有效热导率（点）；虚线表示使用公式(3)的拟合结果。
解析
这段文字和图3详细描述了超对齐碳纳米管堆叠薄膜（SACNT-SF）作为高性能热绝缘材料（TIM）在不同条件下的热传递模型和实验结果。以下是对各部分的解析：
图3a:内容: 展示了通过碳纳米管（CNTs）在SACNT-SF中热传递的示意图。
解析: 说明了SACNT-SF中的热传递主要通过碳纳米管进行，这些碳纳米管在材料中高度对齐，形成了有效的热传递路径或屏障，具体取决于热传递的方向和碳纳米管的排列方式。
图3b:内容: SACNT-SF样品#6的有效热导率与密度的拟合线图，实心三角形表示在室温真空下测量的数据。
解析: 表明了SACNT-SF的热导率与其密度之间的关系。随着密度的增加，热导率也发生变化，实验数据与拟合线相符，验证了模型的准确性。
图3c:内容: 示意图显示，在固定固体体积分数f的情况下，通过减少材料厚度可以降低辐射传热。
解析: 说明了在保持固体体积分数不变的情况下，减少材料的厚度可以有效降低通过辐射方式的热传递。这对于设计高效热绝缘材料非常重要。
图3d:内容: 在2000°C下，具有不同固体体积分数f的石墨薄膜的辐射热导率与（光学）厚度的关系图。
解析: 展示了石墨薄膜在不同固体体积分数下的辐射热导率与其光学厚度的关系。随着光学厚度的增加，辐射热导率降低，表明增加材料厚度或密度可以减少辐射传热。
图3e:内容: TIM中纤维直径与kg（气体热导率）的关系图。
解析: 表明纤维直径对气体热导率的影响。较小的纤维直径可以降低气体热导率，因为这减少了气体分子的平均自由路径，从而降低了通过气体的热传递。
图3f:内容: 纤维TIM中气体压力与kg的关系图。
解析: 展示了气体压力对纤维TIM中气体热导率的影响。随着气体压力的降低，气体热导率也降低，因为低压下气体分子的平均自由路径增加，但碰撞频率降低，从而减少了热传递。
图3g:内容: 在室温下测量的不同密度的SACNT-SF样品#6中氩气的热导率，虚线表示使用公式(3)的拟合结果。
解析: 提供了实验数据与理论模型（公式(3)）的对比，表明在不同密度下，SACNT-SF中氩气的热导率变化。实验数据与拟合结果相符，验证了模型的准确性。
图3h:内容: 在氩气中从1400°C到2600°C测量的SACNT-SF样品#3的有效热导率，虚线表示使用公式(3)的拟合结果。
解析: 展示了SACNT-SF在高温氩气环境中的有效热导率变化。实验数据与使用公式(3)的拟合结果相符，表明该模型在高温下也适用，进一步验证了SACNT-SF作为高性能热绝缘材料的潜力。
 
 
图4. 提升SACNT-SF热绝缘性能。a) 在1个大气压的氩气环境中测量的SACNT-SF样品总热导率，相对于固体体积分数f（或密度）在不同温度下的变化。虚线代表计算值。b) 单层SACNT薄膜在近红外波段对于两种偏振状态的光学厚度。c) 根据b)中的数据计算出的，相对于辐射偏振方向以不同角度排列的单层SACNT薄膜的罗斯兰德平均消光系数。d) 在真空环境中，从1000°C到2600°C，SACNT-SF的热导率。虚线代表计算值；实线表示实验结果。e) 在真空环境中，SACNT-SF的热导率作为f（或密度）的函数在不同温度下的变化。f) 在1个大气压的氩气环境中，SACNT-SF的热导率作为f（或密度）的函数在不同温度下的变化。
解析
这段文字描述了图4中展示的关于提升SACNT-SF（超级对齐碳纳米管堆叠薄膜）热绝缘性能的多个方面。以下是对每个子图的详细解析：
a) 图：内容：展示了在1个大气压的氩气环境中，SACNT-SF样品的总热导率如何随着固体体积分数f（或密度）的变化而在不同温度下变化。
意义：通过实验数据点（实线）和理论计算值（虚线）的对比，可以评估SACNT-SF在不同密度下的热绝缘性能，并理解密度对热导率的影响。
b) 图：内容：展示了单层SACNT薄膜在近红外波段对于两种偏振状态（平行和垂直于碳纳米管方向）的光学厚度。
意义：光学厚度是衡量材料对特定波长光吸收能力的重要参数。这里展示了SACNT薄膜对不同偏振状态光的吸收特性，为理解其辐射热绝缘性能提供了基础。
c) 图：内容：根据b)图中的数据，计算出了相对于辐射偏振方向以不同角度排列的单层SACNT薄膜的罗斯兰德平均消光系数。
意义：罗斯兰德平均消光系数是衡量材料在宽波长范围内对辐射吸收能力的参数。这个图展示了如何通过调整SACNT薄膜的排列角度来优化其对辐射热的吸收和散射，从而降低热导率。
d) 图：内容：展示了在真空环境中，从1000°C到2600°C温度范围内，SACNT-SF的热导率。
意义：通过对比实验数据（实线）和理论计算值（虚线），可以评估SACNT-SF在高温真空环境中的热绝缘性能，这对于理解其在极端条件下的应用潜力至关重要。
e) 图：内容：展示了在真空环境中，SACNT-SF的热导率如何随着固体体积分数f（或密度）的变化而在不同温度下变化。
意义：这个图进一步细化了密度对SACNT-SF热导率的影响，特别是在不同温度下的表现。这对于优化SACNT-SF的密度以实现最佳热绝缘性能具有指导意义。
f) 图：内容：展示了在1个大气压的氩气环境中，SACNT-SF的热导率如何随着固体体积分数f（或密度）的变化而在不同温度下变化。
意义：与e)图类似，但这个图是在有气体（氩气）存在的环境中进行的。这有助于理解气体环境对SACNT-SF热绝缘性能的影响，以及在不同应用条件下如何优化其性能。
 
      本文报道了一种由超排列碳纳米管薄膜堆叠而成的材料（SACNT-SF），该材料在极端温度下展现出高性能的热绝缘特性。SACNT-SF在室温下有效热导率为0.004W m−1K−1，在2600°C时为0.03W m−1K−1，显著优于传统热绝缘材料。其优异的绝缘性能源于纳米级管径、高度各向异性和纳米多孔结构、超低密度及sp2碳的高消光系数，有效抑制了固体传导、气体传导和热辐射。此外，SACNT-SF具有纳米级厚度和机械柔韧性，可适应复杂几何形状的表面。该材料在高温下仍能保持良好热稳定性和机械性能，是极端环境下下一代热绝缘的有力候选者。DOI: 10.1002/adfm.202514142

转自《石墨烯研究》公众号