Що таке аерогель?

Народження аерогелю

У 1931 році Кістлер відокремив рідину від твердої речовини за допомогою спиртової надкритичної сушіння й утримав структуру газу від стискання та руйнування, що призвело до появи аерогелю у світі.

Визначення аерогелю
Аерогель — це легкий нанопористий аморфний твердий матеріал із мікрочастинками нанометрового розміру, агрегованими одна з одною, утворюючи пористу сітчасту структуру нанометрового масштабу та заповнений великою кількістю газоподібних дисперсійних середовищ у скелеті мережі.

Аерогелі - це не тільки функціональний матеріал, а й новий агрегатний стан. Стан аерогелю принципово відрізняється від інших станів речовини багатьма властивостями. Він має фіксований розмір і форму, як тверда речовина, але його видима щільність може коливатися від максимум 1 г/см³ до 0.001 г/см³ (нижче, ніж щільність повітря); водночас він має губкоподібну пористу структуру з кількома властивостями мікроскопічними (нанорозмірний скелет), макроскопічними (конденсована речовина) і мезоскопічними (багаторівнева та фрактальна структура) характеристиками, завдяки чому аерогелі мають багато унікальних властивостей. Він має дуже низьку теплопровідність, дуже низький модуль пружності, дуже низьку швидкість фононів, дуже низький показник заломлення, низьку діелектричну проникність, дуже низьку швидкість звуку, високу питому поверхню, дуже широкий розподіл густини та показника заломлення тощо.

Класифікація аерогелів
Існує широкий асортимент аерогелів, що охоплює майже всі матеріальні системи. Загалом, за хімічним складом їх можна розділити на органічні аерогелі, неорганічні аерогелі та композитні аерогелі тощо. Аерогелі також можна класифікувати на кремній, вуглець, сірку, оксид металу та металеві системи відповідно до їх основних компонентів.

Статус і роль аерогелів
Вчені кажуть, що аерогелі змінять світ.

У 10-му випуску американського журналу Science аерогель увійшов до списку 250 найактуальніших науково-технічних питань. 20 серпня 2007 року The Times повідомила, що аерогель є найлегшою твердою речовиною у світі, яка може витримати вибухову силу 1 кг динаміту та захистити вас від нагрівання паяльною лампою вище 1300°C. Вчені досліджують можливість використання аерогелю у всьому: від суперізольованих скафандрів до суперконденсаторів, каталізаторів і наступного покоління тенісних ракеток. Аерогель обіцяє конкурувати з поколіннями легендарних матеріалів, таких як фенольна смола 1930-х років, вуглецеве волокно 1980-х років і силікон 1990-х років.

Аерогель кілька разів був занесений до Книги рекордів Гіннеса як найлегша тверда речовина у світі. Аерогель також має дуже низьку теплопровідність і показник заломлення і в 39 разів краще ізолює, ніж найкращі скляні волокна. Аерогель використовувався для теплоізоляції російської космічної станції «Мир» і американського марсохода «Марс Патфайндер» і вже зіграв важливу роль в аерокосмічній промисловості.

Історія розробки аерогелю
У 1931 році Кістлер у Стенфордському університеті США вперше підготував аерогелі.
У 1985 році Інститут фізики Університету Вюрцбурга, Німеччина, організував перший симпозіум з аерогелів, відомий як ISA.
1993, аерогелі використовуються для ізоляції скафандрів, космічних кораблів і космічних човників.
У 2002 році була заснована компанія NASA Aspen Aerogel для розробки та виробництва аерогелів.
2004 рік, дослідження аерогелю, проведені вітчизняними науково-дослідними інститутами Китаю.
У 2006 році китайські компанії з виробництва аерогелів почали розробляти аерогелі.
2017, оприлюднено Китай, GB/T 34336-201, Непористі аерогелеві композитні ізоляційні вироби
У 2021 році Державна рада випустила «План дій щодо досягнення піку викидів вуглецю до 2023 року» щодо прискорення досліджень і розробок вуглецевого волокна, аерогелю, спеціальної сталі та інших основних матеріалів.

Основні властивості аерогелів
(1) Надлегкий. Аерогель є найменш щільною твердою речовиною у світі, мінімальна щільність якої становить одну шосту маси повітря. Діапазон коливань щільності зазвичай становить 0.001~1 г/см³.

(2) Висока пористість і висока питома поверхня. Пористість становить 80%~99.9%, питома поверхня — 200~1000 м2/г, а типовий розмір пор — 1~100 нм.

(3) Супер теплоізоляція. Тонка наномережева структура аерогелю ефективно обмежує поширення локального теплового збудження, а його теплопровідність у твердому тілі на 2–3 порядки нижча, ніж у відповідного склоподібного матеріалу.

Принцип аерогелевої теплоізоляції
Знижена теплопередача: Нескінченна кількість наночастинок в аерогелі утворює сітчастий скелет, і тепло може протікати лише вздовж нескінченної кількості наночастинок. Тепловий потік може проходити лише вздовж нескінченної кількості наночастинок, що призводить до майже нескінченного шляху теплопередачі в твердому тілі. Теплопередача в твердому тілі знижена до мінімально можливого рівня.

Пригнічення теплової конвекції : середній розмір пор аерогелів становить 20-40 нм, що менше за середній розмір вільного пробігу молекул газу 69 нм, і молекули газу в порах втрачають здатність вільно рухатися, що робить конвекцію практично неможливою.

Зменшення теплового випромінювання : Стінки пор, утворені наночастинками в аерогелях, є інфрачервоними екранами, а нескінченна кількість екранів значно зменшує теплове випромінювання.

(4) Каталіз. Невеликий розмір частинок, висока питома поверхня та низька щільність аерогелю роблять активність та селективність аерогелевих каталізаторів набагато вищими, ніж у звичайних каталізаторів, а активні компоненти можуть бути дуже рівномірно дисперговані в носії, і він також має чудову термічну стабільність, що може ефективно зменшити появу побічних реакцій.

(5) Звукоізоляція. Властивості аерогелів щодо низької швидкості звуку роблять їх ідеальним матеріалом для акустичної затримки або високотемпературної звукоізоляції. Змінний діапазон акустичного опору аерогелю великий [103 ~ 107 кг/(㎡-с)], що є більш ідеальним матеріалом зв’язку акустичного опору для ультразвукових детекторів. Акустичний опір п'єзоелектричної кераміки, яка використовується для ультразвукових генераторів і детекторів, становить 1.5×107 кг/(㎡-с), тоді як акустичний опір повітря становить лише 400 кг/(㎡-с). Використання кремнієвого аерогелю товщиною 1/4 довжини хвилі та щільністю близько 0.3 г/см³ як матеріалу для зв’язку акустичного опору між п’єзоелектричною керамікою та повітрям може збільшити інтенсивність звуку на 30 дБ, покращити ефективність передачі акустичних хвиль і зменшити співвідношення сигнал/шум у додатках пристроїв.

(6) Продуктивність фільтрації. Наноструктуровані аерогелі також можуть бути використані як новий тип високоефективного газофільтруючого матеріалу. Через свою надзвичайно велику питому поверхню аерогелі називаються вченими «супергубками» і ідеально підходять для адсорбування забруднюючих речовин у воді, висмоктування свинцю та ртуті з води, що робить їх чудовим матеріалом для боротьби з екологічними катастрофами.

(7) Оптичні властивості. Чистий аерогель SiO₂ прозорий і безбарвний, а його показник заломлення (1.006~1.06) дуже близький до показника повітря, що означає, що аерогель SiO₂ майже не втрачає відбиття падаючого світла та може ефективно пропускати сонячне світло. Тому з нього можна виготовляти ізоляційне та шумопоглинаюче скло.

Щоб отримати додаткову інформацію або технічний паспорт та паспорт безпеки матеріалу, зв’яжіться з нами електронною поштою: [email protected] або зателефонуйте нам за номером: +86-28-8411-1861.

Деякі зображення та тексти відтворено з Інтернету, і авторські права належать оригінальному автору. Якщо є порушення, зв’яжіться з нами, щоб видалити.