W ostatnich latach materiały powietrzne wykazały duży potencjał zastosowania w ochronie lotniczej, energii i środowisku, izolacji budynku i innych dziedzin ze względu na ich unikalną nanoporowatą strukturę, wyjątkowo niską przewodność cieplną i doskonałe właściwości mechaniczne. Jednak aerogele mają wiele parametrów wydajności, a różne scenariusze aplikacji mają różne wymagania dotyczące ich kluczowej wydajności. Więc przy wyborze materiałów lotniczych, które wskaźniki wydajności są najbardziej krytyczne? Czy jest to bardzo niskie przewodnictwo cieplne, doskonała wytrzymałość mechaniczna, czyli doskonała hydrofobowość czy stabilność środowiska? W tym artykule przeanalizuje podstawowe wyniki aerogelów, zbadają kluczowe punkty wyboru materiału w różnych scenariuszach aplikacji oraz zapewni czytelnikom sugestie dotyczące naukowców i praktycznych, które pomogą im w podejmowaniu najlepszych decyzji w zakresie badań naukowych lub praktyk inżynierskich.
Treść
3. Odporność na wysoką temperaturę i opóźnienie płomienia
5. Wymagania specyficzne dla aplikacji
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 stopni), wydajność izolacji termicznej niektórych aerogelów organicznych znacznie spadnie, dlatego konieczne jest zastosowanie kompozytowych materiałów odpornych na wysokiej temperatury, aby poprawić ich stabilność w wysokiej temperaturze. Te cechy sprawiają, że airgel jest niezastąpionym kluczowym materiałem w scenariuszach o ekstremalnych potrzebach izolacji termicznej.
Właściwości mechaniczne aerogelów znajdują głównie w wytrzymałości na rozciąganie, odporności kompresji i odporności na pękanie, które bezpośrednio wpływają na ich trwałość i dostosowalność przetwarzania w praktycznych zastosowaniach. Pure Aerogels zwykle wykazują wysoką kruchość, a ich wytrzymałość na rozciąganie jest często mniejsza niż {0}}. 1 MPa, co jest trudne do spełnienia wymagań inżynieryjnych. Dlatego często muszą być spotęgowane z materiałami włókien, aby zwiększyć właściwości mechaniczne. Na przykład kompozyty airgelowe wzmocnione włóknem aramidowym mogą zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie do 1,2 MPa i zostały z powodzeniem stosowane w trudnych środowiskach, takich jak warstwy izolacji jądrowej podwodnej. Wytrzymałość na rozciąganie zoptymalizowanych kompozytów Airgel może osiągnąć 0. 5-2 MPA, który może spełniać wymagania dotyczące wytrzymałości materialnej konstrukcji, lotniczej i innych pól. Należy jednak zauważyć, że mechaniczny proces wzmocnienia może częściowo poświęcić doskonałą wydajność izolacji termicznej z powodu zmniejszenia porowatości. Dlatego konieczne jest zrównoważenie siły mechanicznej i wydajności izolacji termicznej podczas projektowania.
3. Odporność na wysoką temperaturę i opóźnienie płomienia
Odporność na wysoką temperaturę i opóźniające płomienie właściwości aerogelów znajdują się głównie w stabilności strukturalnej materiału i jego zdolności do hamowania spalania w środowiskach o wysokiej temperaturze. Aerogle o różnych kompozycjach wykazują znacząco różne charakterystyki oporności na temperaturę. Przykładając na przykład powietrze poliimidowe, jego odporność na temperaturę może osiągnąć 600 stopni, podczas gdy powietrze węglowe może pozostać stabilne w ekstremalnych warunkach przekraczających 3000 stopni, wykazując doskonały potencjał oporności w wysokiej temperaturze. Jeśli chodzi o nieruchomości opóźniające płomienie, wysokiej jakości aerogele muszą spełniać surowe specyfikacje, takie jak UL 94 V -0 lub budować standardy ochrony przeciwpożarowej, aby zapewnić ich bezpieczeństwo w scenariuszach pożarowych. Należy jednak zauważyć, że aerogele organiczne są zagrożone rozkładem w wysokich temperaturach, a ich stabilność zwykle nie jest tak dobra, jak w przypadku aerogelów nieorganicznych. Dlatego system materiałowy powinien być starannie wybrany, gdy jest używany w zastosowaniach o wysokiej temperaturze. Warto zauważyć, że niektóre specjalnie zmodyfikowane aerogle, takie jak aerogele oparte na celulozie, mogą nie tylko utrzymać swoją wydajność w wysokich temperaturach 600 stopni, ale także mają właściwości biodegradowalne. Ta unikalna kombinacja sprawia, że wykazuje ważną wartość aplikacji w pojawiających się dziedzinach, takich jak podstęp w podczerwieni.
Na koszty i skalowalność aerogelów wpływa głównie koszt produkcji materiału, potencjał skalowania i dojrzałość łańcucha dostaw. Branża wciąż stoi w obliczu wyzwania związanego z równoważem wysokich kosztów z uprzemysłowieniem. Jako tradycyjną metodę przygotowania koszt superkrytycznego suszenia stanowi do 40% całkowitego kosztu, podczas gdy pojawiająca się technologia suszenia atmosferycznego może obniżyć koszty produkcji o około 30%, zapewniając możliwość zastosowania na dużą skalę. Chiny stały się krajem z największymi zdolnościami produkcyjnymi Airgel na świecie, o mocy produkcyjnej 500, 000 mierników sześciennych w 2023 r., Ale nadal opiera się na imporcie w dziedzinie produktów wysokiej klasy, odzwierciedlając lukę między poziomem uprzemysłowienia a technologią podstawową. Warto zauważyć, że chociaż tanie rozwiązania poprawiły efektywność ekonomiczną, często przychodzą one kosztem materialnej spójności wydajności. Międzynarodowe wiodące firmy, takie jak Aspen Airgel, z powodzeniem osiągnęły produkcję na dużą skalę za pośrednictwem technologii kompozytowej światłowodowej, utrzymując koszty na poziomie 50 USD\/metr kwadratowy, zapewniając branżowi odniesienie ścieżki uprzemysłowienia, ale sposób dalszego obniżenia kosztów przy jednoczesnym zapewnieniu wydajności jest nadal kluczowym problemem dla komercyjnego zastosowania komercyjnego.
5. Wymagania specyficzne dla aplikacji
Specyficzne dla aplikacji wymagania aerogelów znajdują odzwierciedlenie w niestandardowej optymalizacji wydajności dla różnych scenariuszy użytkowania, takich jak specjalne wymagania funkcjonalne, takie jak absorpcja dźwięku, ekranowanie elektromagnetyczne lub stabilność chemiczna. W dziedzinie lotniczej lekki jest zapotrzebowanie podstawowe, a gęstość aerogelów jest zwykle wymagana, aby była mniejsza niż 1 0 0 kg\/m3, podczas gdy aplikacje architektoniczne zwracają większą uwagę na łatwość przetwarzania materiału i często wymagają prefabrykowania aerogelów w formie arkusza dla łatwej konstrukcji. Aby osiągnąć funkcję ekranowania elektromagnetycznego, do powietrza należy dodać wypełniacze przewodzące, ale zwykle ma to koszt pewnej wydajności izolacji termicznej. Warto zauważyć, że nanoporowata struktura aerogeli zapewnia doskonałą wydajność absorpcji dźwięku, przy współczynniku absorpcji dźwięku do 0,95 (2000 Hz). Ta funkcja została pomyślnie zastosowana do scen wymagających redukcji szumów, takich jak wagi kolejowe. Jednak chociaż integracja wielu funkcji z pojedynczym materiałem powietrza może rozszerzyć zakres zastosowania, nieuchronnie zwiększy złożoność procesu przygotowania i całkowity koszt, który stał się głównym wąskim gardłem ograniczającym komercyjne zastosowanie wielofunkcyjnych aerogelów.
Materiały z lotniczy, z ich bardzo niską przewodnością cieplną, lekką porowatą strukturą oraz regulowanymi właściwościami mechanicznymi i funkcjonalnymi, wykazały niezastąpioną wartość zastosowania w najnowocześniejszych dziedzinach, takich jak lotniska, nowa energia i izolacja budynku. Jednak ich faktyczny wybór wymaga kompleksowego rozważenia wielowymiarowych czynników, takich jak przewodność cieplna, wytrzymałość mechaniczna, odporność na temperaturę i opóźnienie płomienia, opłacalność i wymagania funkcjonalne określonych scenariuszy. W przyszłości, z przełomami w tanich technologiach przygotowawczych, takich jak suszenie ciśnienia atmosferyczne, oraz optymalizacja procesów wzmacniających, takich jak kompozytów światłowodowych i nano-modyfikacja, materiały powietrzne osiągną większe przełom w równowadze między wydajnością a kosztami, i promują ich zastosowanie na dużą skalę. Jak dokładnie dopasować wymagania dotyczące aplikacji na etapie projektowania materialnego, stanie się podstawowym problemem związanym z badaniami naukowymi i przemysłu.