عایقی فوق‌سبک که مقاوم در برابر دما‌های باورنکردنی است!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،پژوهشگران چینی مدعی شده‌اند که موفق به توسعه یک فیلم جدید مبتنی بر نانولوله‌های کربنی شده‌اند که قادر است در برابر دما‌های بیش از ۴۷۱۲ درجه فارنهایت (۲۶۰۰ درجه سانتی‌گراد) مقاومت کند. این ماده نوآورانه می‌تواند کاربرد‌های مهمی در صنایع هوافضا، انرژی و سایر حوزه‌هایی که با دما‌های بسیار بالا سروکار دارند، داشته باشد.

به گزارش interesting engendering، هنگامی که فضاپیما‌ها وارد جو زمین می‌شوند، هواپیما‌های فراصوت پرواز می‌کنند یا راکتور‌ها در دما‌های بالا فعالیت دارند با حرارت شدید مواجه می‌شوند که گاهی بیشتر از حرارت مذاب است. مهار این حرارت دشوار است؛ زیرا اکثر عایق‌ها در دما‌های بالاتر از ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد (۲۷۳۲ درجه فارنهایت) کارایی خود را از دست می‌دهند.

برخی مواد می‌توانند در دما‌های بالا مقاومت کنند، اما معمولاً گرما را بیش از حد منتقل می‌کنند. در دما‌های بسیار بالا، تابش حرارتی (حرارت حمل‌شده توسط نور و فوتون‌ها) بزرگ‌ترین چالش محسوب می‌شود که مهار آن دشوار است. پژوهشگران سال‌ها در تلاش بودند تا یک «عایق رویایی» بسازند که هم انتقال حرارت از طریق جامد، هم گاز و هم تابش را متوقف کند و در عین حال سبک و پایدار باشد.

برای این منظور محققان دانشگاه تسینگهوا چین ماده‌ای جدید با استفاده از فیلم‌های نانولوله کربنی فوق‌المرتبط (SACNT-SF) طراحی کرده‌اند. فرآیند تولید این ماده شامل رشد آرایه‌های عمودی نانولوله‌های کربنی و سپس کشیدن ورقه‌های نازک از آنها مانند ابریشم است. این فیلم‌ها سپس به صورت لایه‌لایه یا پیچیده شده روی هم قرار می‌گیرند و ساختاری سبک، متخلخل و چندلایه ایجاد می‌کنند.

نانولوله‌های کربنی علاوه بر سبک بودن خواص عایق‌بندی فوق‌العاده‌ای دارند. در این ماده گرما برای انتقال باید از لایه‌ها عبور کند، نه طول آنها. با توجه به قطر بسیار کم نانولوله‌ها (۱۰ تا ۲۰ نانومتر) و فضای خالی زیاد میزان ماده‌ای که ارتعاشات (فونون‌ها) می‌توانند از آن عبور کنند بسیار محدود است.

در مورد انتقال حرارت گازی، تخلخل بسیار ریز فیلم باعث می‌شود مولکول‌های گاز به راحتی حرکت یا برخورد نکنند (اثر کنودسن). در نتیجه مولکول‌ها انرژی خود را از دست داده و هدایت حرارتی کاهش می‌یابد.

در بخش تابشی نانولوله‌های کربنی قادرند نور مادون قرمز را جذب و پراکنده کنند. ساختار الکترونیکی داخلی آنها باعث تعامل قوی با فوتون‌های حرارتی می‌شود. با قرار دادن لایه‌ها در زاویه‌های مختلف، تابش حرارتی به شکل موثرتری محبوس می‌شود.

مطالعات نشان داده که رسانایی حرارتی این ماده در دمای محیط ۰.۰۰۴ وات بر متر کلوین و در دمای ۲۶۰۰ درجه سانتی‌گراد ۰.۰۳ وات بر متر کلوین است. برای مقایسه رسانایی حرارتی فیبر گرافیتی که یکی از عایق‌های رایج دما‌های بالا است، در همان دما ۱.۶ وات بر متر کلوین است. این موضوع نشان می‌دهد که ماده جدید عملکرد به مراتب بهتری دارد.

این ماده همچنین بسیار پایدار است و تنها ۵ درصد کاهش عملکرد پس از ۳۱۰ چرخه بین دمای محیط و ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد نشان داده است. وزن آن نیز بسیار کم است و چگالی آن بین ۵ تا ۱۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب گزارش شده است. همچنین نانولوله‌های کربنی انعطاف‌پذیر بوده و می‌توانند اطراف اشکال نامنظم پیچیده شوند. تولید ورقه‌های تا عرض ۵۵۰ میلی‌متر و طول‌های صد‌ها متر نیز ممکن است.

با توجه به این ویژگی‌ها این عایق نانولوله‌ای می‌تواند تحولی بزرگ در صنایع نیازمند عایق‌های حرارتی عالی ایجاد کند، از جمله فضاپیماها، هواپیما‌های فراصوت، موتور‌های جت در صنعت هوافضا و همچنین راکتور‌ها و نیروگاه‌های هسته‌ای و همجوشی.