Что такое аэрогель?

Рождение аэрогеля

В 1931 году Кистлер отделил жидкость от твердого вещества, используя метод сверхкритической сушки спиртом, и предотвратил сжатие и разрушение структуры газа, что привело к появлению на свет аэрогеля.

Определение аэрогеля
Аэрогель представляет собой легкий нанопористый аморфный твердый материал с нанометровыми микрочастицами, агрегированными друг с другом с образованием нанометровой пористой сетчатой ​​структуры и заполненными большим количеством газообразных дисперсионных сред в сетчатом каркасе.

Аэрогели — это не только функциональный материал, но и новое состояние вещества. Состояние аэрогеля принципиально отличается от других состояний вещества многими свойствами. Оно имеет фиксированный размер и форму, как твердое вещество, однако его кажущаяся плотность может варьироваться от максимум 1 г/см³ до 0.001 г/см³ (ниже плотности воздуха); в то же время оно имеет губчатую пористую структуру с множественными свойствами микроскопических (скелет наномасштаба), макроскопических (конденсированное вещество) и мезоскопических (многоуровневая и фрактальная структура) характеристик, благодаря чему аэрогели обладают многими уникальными свойствами. Он демонстрирует очень низкую теплопроводность, очень низкий модуль упругости, очень низкую скорость фононов, очень низкий показатель преломления, низкую диэлектрическую постоянную, очень низкую скорость звука, высокую удельную площадь поверхности, очень широкое распределение плотности и показателя преломления и т. д.

Классификация аэрогелей
Существует широкий спектр аэрогелей, охватывающий практически все материальные системы. Как правило, по химическому составу их можно разделить на органические аэрогели, неорганические аэрогели и композитные аэрогели и т. д. Аэрогели также можно классифицировать на кремниевые, углеродные, серные, металлооксидные и металлические системы по их основным компонентам.

Статус и роль аэрогелей
Ученые утверждают, что аэрогели изменят мир.

Аэрогель был включен в список 10 самых горячих вопросов науки и технологий в 250-м выпуске американского журнала Science. 20 августа 2007 года The Times сообщила, что аэрогель является самым легким твердым веществом в мире, которое может выдерживать взрывную силу 1 кг динамита и защищать вас от жара паяльной лампы выше 1300 °C. Ученые изучают использование аэрогеля во всем, от суперизолированных скафандров до суперконденсаторов, катализаторов и следующего поколения теннисных ракеток. Аэрогель обещает составить конкуренцию поколениям легендарных материалов, таких как фенольная смола 1930-х годов, углеродное волокно 1980-х годов и силикон 1990-х годов.

Аэрогель несколько раз был занесен в Книгу рекордов Гиннесса как самое легкое твердое вещество в мире. Аэрогель также имеет очень низкую теплопроводность и показатель преломления и в 39 раз более изолирующий, чем лучшие стеклянные волокна. Аэрогель использовался для теплоизоляции российской космической станции «Мир» и американского марсохода Mars Pathfinder и уже сыграл важную роль в аэрокосмической промышленности.

История развития аэрогеля
В 1931 году в Стэнфордском университете (США) Кистлер впервые изготовил аэрогели.
В 1985 году Институтом физики Вюрцбургского университета (Германия) был организован первый симпозиум по аэрогелям, известный как ISA.
1993 год — аэрогели используются для изоляции скафандров, космических кораблей и космических челноков.
В 2002 году была основана компания Aspen Aerogel, принадлежащая NASA, для разработки и производства аэрогелей.
2004 год — исследование аэрогеля, проведенное китайскими научно-исследовательскими институтами.
В 2006 году отечественные компании по производству аэрогелей в Китае начали разрабатывать аэрогели.
2017, Китай обнародовал GB/T 34336-201, Изделия из непористого аэрогелевого композита для изоляции
В 2021 году Государственный совет опубликовал «План действий по достижению пика выбросов углерода к 2023 году», направленный на ускорение исследований и разработок углеродного волокна, аэрогеля, специальной стали и других базовых материалов.

Основные свойства аэрогелей
(1) Сверхлегкий. Аэрогель — наименее плотное твердое вещество в мире, с минимальной плотностью в одну шестую массы воздуха. Диапазон изменения плотности обычно составляет 0.001~1 г/см³.

(2) Высокая пористость и высокая удельная поверхность. Пористость составляет 80%~99.9%, удельная поверхность составляет 200~1000 м2/г, а типичный размер пор составляет 1~100 нм.

(3) Супертеплоизоляция. Тонкая наносетчатая структура аэрогеля эффективно ограничивает распространение локального теплового возбуждения, а его твердотельная теплопроводность на 2–3 порядка ниже, чем у соответствующего стекловидного материала.

Принцип аэрогелевой теплоизоляции
Сниженная теплопередача: Бесконечное число наночастиц в аэрогеле образует сетчатый каркас, и тепло может течь только вдоль бесконечного числа наночастиц. Тепловой поток может проходить только вдоль бесконечного числа наночастиц, что приводит к почти бесконечному пути теплопередачи в твердом теле. Теплопередача в твердом теле снижается до минимально возможного уровня.

Подавление тепловой конвекции : средний размер пор аэрогелей составляет 20-40 нм, что меньше среднего размера свободно перемещающихся молекул газа (69 нм), и молекулы газа в порах теряют способность свободно перемещаться, что делает конвекцию практически невозможной.

Снижение теплового излучения : стенки пор, образованные наночастицами в аэрогелях, являются экранами от инфракрасного излучения, и бесконечное количество таких экранов значительно снижает тепловое излучение.

(4) Катализ. Малый размер частиц, высокая удельная площадь поверхности и низкая плотность аэрогеля делают активность и селективность аэрогелевых катализаторов намного выше, чем у обычных катализаторов, а активные компоненты могут быть очень равномерно распределены в носителе, а также он обладает превосходной термической стабильностью, что может эффективно снизить возникновение побочных реакций.

(5) Звукоизоляция. Низкая скорость звука в аэрогелях делает их идеальным материалом для акустической задержки или высокотемпературной звукоизоляции. Переменный диапазон акустического импеданса аэрогеля велик [103 ~ 107 кг/(м1.5-с)], что является более идеальным материалом для акустической связи сопротивления для ультразвуковых детекторов. Акустическое сопротивление пьезоэлектрической керамики, используемой для ультразвуковых генераторов и детекторов, составляет 107×400 кг/(м1-с), в то время как акустическое сопротивление воздуха составляет всего 4 кг/(м0.3-с). Использование кремниевого аэрогеля толщиной 30/XNUMX длины волны и плотностью около XNUMX г/см³ в качестве материала для акустической связи сопротивления между пьезоэлектрической керамикой и воздухом может увеличить интенсивность звука на XNUMX дБ, улучшить эффективность передачи акустических волн и снизить отношение сигнал/шум в приложениях устройств.

(6) Эффективность фильтрации. Наноструктурированные аэрогели также могут использоваться как новый тип высокоэффективного материала для фильтрации газа. Благодаря своей исключительно большой удельной площади поверхности, аэрогели называются учеными «супергубками» и идеально подходят для адсорбции загрязняющих веществ в воде, высасывания свинца и ртути из воды, что делает их превосходным материалом для борьбы с экологическими катастрофами.

(7) Оптические свойства. Чистый аэрогель SiO₂ прозрачен и бесцветен, а его показатель преломления (1.006~1.06) очень близок к показателю преломления воздуха, что означает, что аэрогель SiO₂ практически не имеет потерь на отражение падающего света и может эффективно пропускать солнечный свет. Поэтому его можно использовать для изготовления изоляционного и шумопоглощающего стекла.

Для получения дополнительной информации, а также паспорта безопасности материала и технического паспорта, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте: [email protected] или по телефону: +86-28-8411-1861.

Некоторые изображения и тексты воспроизводятся из Интернета, и авторские права принадлежат оригинальному автору. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления.