Pastaraisiais metais „Airgel“ medžiagos parodė puikų naudojimo potencialą aviacijos ir kosmoso, energijos ir aplinkos apsaugos, pastatų izoliacijos ir kitų laukų dėl jų unikalios nanoporinės struktūros, ypač mažo šilumos laidumo ir puikių mechaninių savybių. Tačiau „Aerogels“ turi daug našumo parametrų, o skirtingi taikymo scenarijai turi skirtingus reikalavimus jų pagrindiniam našumui. Taigi, renkantis „Airgel“ medžiagas, kurie našumo rodikliai yra kritiškiausi? Ar tai ypač žemas šilumos laidumas, puikus mechaninis stiprumas, ar puikus hidrofobiškumas, ar aplinkos stabilumas? Šiame straipsnyje bus analizuojami pagrindiniai aerogelų rezultatai, ištirs pagrindinius medžiagų atrankos taškus skirtingais taikymo scenarijais ir pateiks skaitytojams mokslinių ir praktinių atrankos pasiūlymų, kurie padės jiems priimti geriausius sprendimus mokslinių tyrimų ar inžinerijos praktikoje.
Turinys
3. Aukštos temperatūros atsparumas ir liepsnos sulėtėjimas
5. Konkrečios programos reikalavimai
The core value of aerogel lies in its ultra-low thermal conductivity (0.013–0.03 W/m·K), making it one of the best known solid-state materials for thermal conductivity, and it can effectively block three heat transfer modes: conduction, convection, and radiation. Taking silica aerogel as an example, its extremely low thermal conductivity enables it to play a key role in aerospace, energy, and other fields. For example, the Zhurong Mars rover uses aerogel to protect key components, allowing it to work stably in extreme environments ranging from -100°C to high temperatures. In the field of power batteries, the thermal conductivity of aerogel insulation pads usually needs to be controlled below 0.03 W/m·K to effectively suppress the risk of thermal runaway. However, in high temperature environments (>600 laipsnių), kai kurių organinių aerogelių šiluminė izoliacija žymiai sumažės, todėl norint pagerinti jų aukštos temperatūros stabilumą, būtina naudoti kompozicines aukštai temperatūrai atsparias medžiagas. Šios savybės daro „Airgel“ nepakeičiamą pagrindinę scenarijų medžiagą, turinčią ekstremalius šiluminės izoliacijos poreikius.
Aerogelių mechaninės savybės daugiausia atsispindi tempimo stiprume, atsparumo suspaudimui ir atsparumui lūžiams, o tai daro tiesioginę įtaką jų patvarumui ir apdorojimo pritaikomumui praktiniuose pritaikymuose. Gryni aerogeliai paprastai rodo didelį trapumą, o jų tempimo stiprumas dažnai yra mažesnis nei {{0}}. 1 MPa, o tai sunku patenkinti inžinerinius reikalavimus. Todėl, norint sustiprinti mechanines savybes, juos dažnai reikia sudėti į pluošto medžiagas. Pvz., „Aramid“ pluoštu sustiprintos oro gaudyklės kompozitai gali padidinti tempimo stiprumą iki 1,2 MPa ir buvo sėkmingai naudojami atšiaurioje aplinkoje, tokioje kaip branduolinio povandeninio povandeninio izoliacijos sluoksniai. Optimizuotų „Airgel“ kompozitų tempimo stiprumas gali pasiekti 0. 5-2 MPA, kuris gali atitikti medžiagų stiprumo reikalavimus, susijusius su konstrukcijos, kosmoso ir kitų laukų. Tačiau reikia pažymėti, kad mechaninio armatūros procesas gali iš dalies paaukoti puikų šiluminės izoliacijos efektyvumą dėl poringumo sumažėjimo. Todėl projektavimo metu būtina subalansuoti mechaninį stiprumą ir šiluminės izoliacijos veikimą.
3. Aukštos temperatūros atsparumas ir liepsnos sulėtėjimas
Aukštos temperatūros atsparumo ir ugnies sulėtėjančios aerogelių savybės daugiausia atsispindi medžiagos struktūriniame stabilume ir jos gebėjime slopinti degimą aukštos temperatūros aplinkoje. Skirtingų kompozicijų aerogeliai rodo žymiai skirtingą atsparumo temperatūrai charakteristikas. Pavyzdžiui, atsižvelgiant į poliimido oro žarną, jo atsparumas temperatūrai gali siekti 600 laipsnių, o anglies oro gelis gali išlikti stabilus ekstremaliomis sąlygomis, viršijančiomis 3000 laipsnių, ir tai rodo puikų atsparumo aukštai temperatūrai potencialą. Kalbant apie antipirenčių savybes, aukštos kokybės aerogeliai turi atitikti griežtas specifikacijas, tokias kaip UL 94 V -0 arba pastato priešgaisrinės apsaugos standartai, kad būtų užtikrintas jų saugumas gaisro scenarijuose. Tačiau reikia pažymėti, kad organiniams aerogeliams gresia skilimas aukštoje temperatūroje, o jų stabilumas paprastai nėra toks geras kaip neorganinių aerogelių. Todėl medžiagų sistema turėtų būti kruopščiai parinkta, kai naudojama aukštos temperatūros taikymuose. Verta paminėti, kad kai kurie specialiai modifikuoti aerogeliai, tokie kaip celiuliozės pagrindu pagaminti aerogeliai, gali ne tik išlaikyti savo veikimą aukštoje 600 laipsnių temperatūroje, bet ir pasižymi biologiškai skaidomomis savybėmis. Šis unikalus derinys daro svarbią taikymo vertę kylančiose laukuose, tokiuose kaip „Infrared Stealth“.
Aerogelių sąnaudas ir mastelį daugiausia turi įtakos medžiagų gamybos kaina, masto padidėjimo galimybė ir tiekimo grandinės brandumas. Pramonė vis dar susiduria su iššūkiu suderinti dideles išlaidas su industrializacija. Kaip tradicinis paruošimo metodas, superkritinio džiovinimo kaina sudaro iki 40% visų išlaidų, o besiformuojanti atmosferos džiovinimo technologija gali sumažinti gamybos sąnaudas maždaug 30%, suteikdama galimybę naudoti plataus masto. Kinija tapo šalimi, kurioje pasaulyje yra didžiausia oro gelinių gamybos pajėgumai, kurių gamybos pajėgumai yra 500, 000 kubiniai metrai 2023 m., Tačiau ji vis tiek priklauso nuo importo aukščiausios klasės produktų srityje, atspindėdamas atotrūkį tarp industrializacijos ir pagrindinių technologijų lygio. Verta paminėti, kad nors nebrangūs sprendimai pagerino ekonominį efektyvumą, jie dažnai būna esminio veiklos nuoseklumo sąskaita. Tarptautinės pirmaujančios įmonės, tokios kaip „Aspen Airgel“, sėkmingai pasiekė didelio masto gamybą naudodamos „Fiber Composite“ technologijas, išlaikydamos išlaidas 50 USD už kvadratinį metrą, suteikdama pramonei etaloninį industrializacijos kelią, tačiau kaip dar labiau sumažinti išlaidas, tuo pačiu užtikrinant, kad našumas vis dar yra pagrindinė didelio masto komercinio aerogelių taikymo problema.
5. Konkrečios programos reikalavimai
Aerogelių taikymo reikalavimai atsispindi pritaikytame skirtingų naudojimo scenarijų optimizavime, pavyzdžiui, specialiuose funkciniuose reikalavimuose, tokiuose kaip garso absorbcija, elektromagnetinis ekranavimas ar cheminis stabilumas. Aviacijos ir kosmoso lauke lengvasis yra pagrindinis poreikis, o aerogelių tankis paprastai būna mažesnis nei 1 0 0 kg\/m³, tuo tarpu architektūrinės programos daugiau dėmesio skiria medžiagų apdorojimo paprastumui ir dažnai reikalauja, kad aerogeliai būtų surenkami į lapo formą, kad būtų lengviau konstrukcija. Norint pasiekti elektromagnetinį ekrano funkciją, į oro žarną reikia pridėti laidžių užpildų, tačiau tai paprastai būna tam tikros šiluminės izoliacijos savybės sąskaita. Verta paminėti, kad nanoporinė aerogelių struktūra suteikia jai puikų garso absorbcijos našumą, o garso absorbcijos koeficientas yra iki 0,95 (2000 Hz). Ši savybė sėkmingai pritaikyta scenoms, kurioms reikia sumažinti triukšmą, pavyzdžiui, greitaeigių geležinkelio vežimėlius. Vis dėlto, nors kelių funkcijų integravimas į vieną „Airgel“ medžiagą gali išplėsti taikymo sritį, ji neišvengiamai padidins paruošimo proceso sudėtingumą ir bendrąsias išlaidas, kurios tapo pagrindine kliūtimi, ribojančia daugiafunkcinių aerogelių komerciniu taikymu.
Airgelio medžiagos, turinčios ypač mažą šilumos laidumą, lengvą porėtą struktūrą ir reguliuojamas mechanines ir funkcines savybes, parodė nepakeičiamą taikymo vertę pažangiausiose laukuose, tokiuose kaip aviacijos ir kosmoso, nauja energija ir pastato izoliacija. Tačiau dėl faktinio jų pasirinkimo reikia išsamiai atsižvelgti į daugialypius veiksnius, tokius kaip šilumos laidumas, mechaninis stiprumas, atsparumas temperatūrai ir liepsnos sulėtėjimas, ekonominis efektyvumas ir specifinių scenarijų funkciniai reikalavimai. Ateityje, kai proveržiai yra pigios paruošimo technologijos, tokios kaip atmosferos slėgio džiovinimas, ir optimizuojant armatūros procesus, tokius kaip pluošto kompozitai ir nanodv. Kaip tiksliai suderinti taikymo reikalavimus medžiagų projektavimo etape, taps pagrindiniu mokslinių tyrimų ir pramonės rūpesčių pagrindine problema.