同一种用于马拉松选手保温的塑料，可能帮助未来月球基地承受极端温度和多年严苛使用。

宾夕法尼亚大学工程师通过堆叠数百层薄 Mylar 薄膜制成隔热材料。实验室测试中，这些堆栈在真空中兼具有效隔热、柔性和抗反复压缩能力，这些特性可用于长期月球建造。

其研究发表于 ACS Applied Materials & Interfaces，将该材料称为混合层状隔热膜堆栈（HyLIFS）。该方法针对一个长期工程问题：阻隔热流的材料往往难以承受物理损伤。

“这些 Mylar 堆栈可以弯曲、承受显著压缩，并保持隔热性能，”资深作者、机械工程与应用力学系（MEAM）副教授 Igor Bargatin 表示，“这使它们有可能被打包、运输，并在多年使用中承受严苛机械作用。”

月球隔热材料为何需要高耐久性

在月球上，隔热材料必须抵御从零下数百摄氏度到水的沸点的温度范围。但承受这些极端温度只是任务的一部分。材料还必须耐受运输、安装、维护和意外撞击。

一些领先的隔热材料并不适合这种使用条件。气凝胶主要由空隙构成，因此质量轻，并在从工业管道到 NASA 火星车的应用中有效减缓热传递。然而，其多孔结构也使其容易受到机械损伤。

广泛用于太空的多层隔热采用另一种方法：由隔热间隔物隔开的反射薄片通过辐射降低热传递。这些组件热性能良好，但并非为承受显著载荷而设计，且在操作中可能撕裂。

提高隔热材料的强度可能损害其热性能。“对于月球基础设施，理想情况下我们同时需要两者，”Bargatin 表示，“理想材料既能抵抗损伤，也能阻止热量损失。”

一种常见塑料的新堆叠方式

Mylar 为研究人员提供了一种易获得的起始材料。其正式名称为双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯（BoPET），这种塑料已用于食品包装和航空航天设备。与铝结合后，它可以反射红外辐射，镀铝应急毯正是通过这种方式帮助马拉松选手保持体温。

团队测试了多种薄膜厚度，并在部分薄片上涂覆极薄的氧化铝（alumina）层以提高刚度。随后，研究人员将薄膜逐层组装成堆栈。

“目前该过程非常耗时，”第一作者 Danielle R. Levin 表示。她最近从宾夕法尼亚大学获得化学博士学位，并同时获得 MEAM 硕士学位。“我们使用两把镊子和小型重物来操作并堆叠这些脆弱薄膜。即使在堆栈附近呼吸，也可能使层片飞起。”

然而，一旦组装完成，这些薄膜的坚固程度远高于其精细操作方式所暗示的水平。在真空条件以及代表内部空气为大气压的月球栖息地的压缩条件下，最佳堆栈的热导率与其他高性能真空隔热技术相当，同时仍保持柔性。

可承受反复挤压的隔热材料

在单独的机械测试中，带涂层堆栈在实验室设备可产生的最高压应力下仍保持隔热性能。研究人员将样品反复挤压至约 20 兆帕（约 2900 磅/平方英寸），大致相当于将 200 磅的力集中到指尖大小的面积上。

“我们担心材料在这种高压应力下失效，”Levin 回忆道，“但堆栈不仅承受住了一次高应力循环，还连续承受了 10 次。”

这种耐久性可使材料更易运输和重复使用，并在安装后具有更高容错性。“你可以用这些堆栈为月球居住舱隔热，但宇航员不可避免地会发生碰撞这类小事故，”Bargatin 表示，“当讨论月球长期居住时，拥有足够耐用的材料非常重要。”

“热学与力学稳健性的结合对于月球长期使用至关重要，”Levin 表示，“这种材料可能为低成本、耐用且可重复使用的月球隔热材料开辟路径。”

微小颗粒决定热传递方式

研究还识别出商用 Mylar 一个被忽视的特征，该特征可能有助于解释其性能：为防止塑料自粘而加入的微观颗粒。这些抗粘连（antiblocking）颗粒略微突出于表面，将相邻薄片隔开，并使薄膜更易制造和操作。

研究人员表示，其工业用途已为人所知，但它们对堆叠薄膜中热流的影响很少受到关注。由于传统多层隔热主要针对辐射，研究这些颗粒如何影响薄片之间直接传导的热量此前缺乏充分理由。

研究人员构建了跨层界面热传递模型，并将预测与实验测量进行比较。结果表明，在真空中，热量主要通过抗粘连颗粒接触相邻薄膜的微小接触点在各薄片之间传递。

这些接触点可能成为设计工具。未来的隔热材料不必被动适应商用 Mylar 所含的颗粒，而可以使用精心选择的颗粒尺寸、数量和分布来调节热传递。

更薄薄膜为何未带来更好性能

这些颗粒还有助于解释一个与团队最初预期相矛盾的结果。更薄的薄片应能在给定空间内容纳更多层，形成更多阻碍热传递的界面。因此，研究人员曾预期最薄的薄膜能提供最强隔热。

相反，在均涂覆氧化铝的情况下，他们成功表征的最薄薄膜与中等厚度薄膜性能相似。团队怀疑，较薄薄膜中的颗粒在相邻层之间形成额外接触，为热流打开更多通路。

“随着压缩各层，接触状态会发生变化，”Levin 表示，“这不仅仅是尽量减少薄膜厚度或颗粒数量的问题；我们还必须考虑压力增加时接触如何变化以及薄膜如何变形。”

因此，改进材料需要平衡薄膜厚度、刚度和颗粒分布。如果由此产生的接触让更多热量通过，单纯减薄每张薄片可能收益很小。

从微小样品到月球基地

当前样品仅约一平方厘米（0.16 平方英寸），手动切割和堆叠需要数小时。要生产米级（约 3.3 英尺）的实用隔热材料，需要快得多的组装方法。

研究人员认为连续涂覆大卷 Mylar 等制造技术具有潜力。最终，可在材料卷绕成大堆栈之前调整薄膜厚度、涂层和颗粒分布。

更大尺寸版本仍需测试，包括能否承受反复弯曲、碰撞和擦伤。如果实验室结果能延续到实际生产，HyLIFS 可为月球栖息地、航天服、漫游车、电子设备及其他需在太空运行多年的设备提供柔性隔热。

对 Levin 而言，这些发现表明熟悉材料中仍有大量内容有待发现。“最终最简单的构型反而是最好的，”她表示。

参考文献：D. R. Levin、M. F. Campbell、G. Aldan、O. H. Omodior 和 I. Bargatin，“Robust Layered Thermal Insulator Film Stacks for Vacuum Applications”，2026 年 9 月 1 日，ACS Applied Materials & Interfaces。DOI: 10.1021/acsami.6c09126