美国莱斯大学跨学科团队在《Small》期刊发表研究，开发出一种新型电加热元件。该元件外观并非传统金属线圈，而是类似高性能纱线。研究人员证明，由碳纳米管纤维（CNTFs）制成的导线和织物，在直接置于流动气体中时，其单位质量的加热功率显著高于传统金属合金加热器。这一发现为工业加热电气化提供了潜在新路径，是减少碳排放的关键但极具技术挑战的一步。
工业设施常需对气体进行加热，涵盖化工生产、干燥、热处理及制造等流程。目前，这些热量通常通过燃烧燃料产生。虽然用电加热看似是简单替代方案，但加热流动气体对材料和设计提出了严苛要求。加热器必须快速均匀地将能量传递给气流，同时避免破坏性热点、机械变形及极端温度下的失效。将加热元件直接浸入气流（即浸没式加热）虽能提高效率，但也大幅增加了材料承受的压力。
尺寸限制是主要瓶颈之一。更细的加热元件与气体热交换更有效，但传统金属合金在极小直径下难以制造和 handling。碳纳米管纤维提供了极具吸引力的替代方案，它们兼具适合焦耳加热的电阻率，以及相比传统加热材料更高的强度重量比和异常高的热导率。碳纳米管纤维表现出与金属线截然不同的特性，其轻质、柔韧且异常坚固的特点，使得采用传统材料不切实际的加热几何结构和制造技术成为可能。
团队并未将碳纳米管纤维适配于现有加热器设计，而是完全利用纤维构建了包括单丝、平行阵列和类织物结构在内的设备。其关键性能指标是比功率负荷，即设备失效前能承受的最大单位质量加热功率。在多种配置和工况下，碳纳米管纤维加热器始终实现了高于可比金属合金元件的比功率负荷。这一优势在非氧化环境中尤为明显，碳基材料在此类环境中可承受更高温度而不降解。从传热角度看，纤维的热导率有助于分散热量并抑制局部热点，这是导致加热器失效的常见原因，从根本上改变了设备在极端条件下的行为模式。
该研究强调，性能提升不仅源于材料特性，更源于这些特性所赋能的新架构。碳纳米管纤维可在保持机械强度的同时以极小直径生产，开启了金属线难以实现的設計可能性。例如，将其打结也不会断裂，这种非凡的柔韧性扩展了设计空间。此外，该工作独特之处在于依赖类纺织制造技术。碳纳米管纤维纱线可被编织、针织并组装成轻质、高表面积的结构，特别适合浸没式加热。与刚性金属网相比，碳纳米管纤维织物表现出更均匀的加热行为和更少的热点形成，这再次归功于纤维高效散热的能力。
该项目汇聚了材料合成、纳米尺度传热科学、器件工程和制造等多个研究社区。研究还得益于与壳牌公司研究人员罗伯特·赫德里克和德鲁夫·阿罗拉以及DexMat团队的紧密合作，后者已实现碳纳米管纤维的商业化生产与规模化。高质量碳纳米管纤维的生产仅是起点，理解其热性能并将其整合到功能器件中同样至关重要。美国作为全球材料科学与能源技术的前沿阵地，此类从实验室到工业应用的快速转化，体现了其在高端制造领域的深厚积累。对于中国制造业而言，面对“双碳”目标下工业高温热源电气化的迫切需求，关注此类新型纳米材料在极端工况下的应用潜力，或许能为突破传统加热技术瓶颈提供新的技术思路。