Шта је аерогел?

Рођење аерогела

Године 1931, Кистлер је одвојио течност од чврсте материје користећи технику алкохолног суперкритичног сушења и спречио скупљање и колапс структуре гаса, што је резултирало аерогелом у свету.

Дефиниција аерогела
Аерогел је лагани нанопорозни аморфни чврсти материјал са нанометарским микрочестицама агрегираним једна са другом да би формирале порозну мрежну структуру нанометарских размера и испуњене великим бројем гасних дисперзионих медија у мрежном скелету.

Аерогелови нису само функционални материјал, већ и ново агрегатно стање материје. Аерогелово стање се фундаментално разликује од других агрегатних стања материје по многим својствима. Има фиксну величину и облик попут чврсте материје, али његова привидна густина може да се креће од максимално 1 г/цм³ до 0.001 г/цм³ (ниже од густине ваздуха); истовремено, има сунђерасту порозну структуру, са вишеструким својствима микроскопских (нано-скелет), макроскопских (кондензована материја) и мезоскопских (вишеслојна и фрактална структура) карактеристика, што аерогелове чини да поседују многа јединствена својства. Показује веома ниску топлотну проводљивост, веома низак модул еластичности, веома ниску брзину фонона, веома низак индекс преламања, ниску диелектричну константу, веома ниску брзину звука, велику специфичну површину, веома широку расподелу густине и индекса преламања итд.

Класификација аерогела
Постоји широк спектар аерогела, који покрива скоро све материјалне системе. Генерално, према хемијском саставу, могу се поделити на органске аерогеле, неорганске аерогеле и композитне аерогеле итд. Аерогели се такође могу класификовати на силицијумске, угљеничне, сумпорне, металне оксидне и металне системе према њиховим главним компонентама.

Статус и улога аерогела
Научници кажу да ће аерогели променити свет.

Аерогел је наведен као једно од 10 најактуелнијих научних и технолошких питања у 250. броју америчког часописа „Science“. Дана 20. августа 2007. године, „The Times“ је објавио да је аерогел најлакша чврста супстанца на свету која може да издржи експлозивну снагу од 1 кг динамита и да вас заштити од топлоте лампе изнад 1300°C. Научници истражују употребу аерогела у свему, од суперизолованих свемирских одела до суперкондензатора, катализатора и следеће генерације тениских рекета. Аерогел обећава да ће парирати генерацијама легендарних материјала као што су фенолна смола из 1930-их, угљенична влакна из 1980-их и силикон из 1990-их.

Аерогел је неколико пута уврштен у Гинисову књигу рекорда као најлакша чврста супстанца на свету. Аерогел такође има веома ниску топлотну проводљивост и индекс преламања и 39 пута је изолационији од најбољих стаклених влакана. Аерогел је коришћен за термичку изолацију руске свемирске станице Мир и америчког ровера Марс Патфајндер, и већ је одиграо виталну улогу у ваздухопловној индустрији.

Историја развоја аерогела
1931. године, аерогеле је први припремио Кистлер на Универзитету Станфорд у САД.
1985. године, Институт за физику Универзитета у Вирцбургу, у Немачкој, организовао је први симпозијум о аерогеловима, познат као ISA.
1993. године, аерогели се користе за изолацију свемирских одела, свемирских летелица и свемирских шатлова.
2002. године основана је компанија Аспен Аерогел, која је део НАСА-е, за развој и производњу аерогела.
2004. године, истраживање аерогела спровели су домаћи кинески истраживачки институти.
2006. године, домаће компаније за производњу аерогелова у Кини почеле су да развијају аерогелове.
2017, Кина је објавила, GB/T 34336-201, Непорозни композитни изолациони производи од аерогела
Државни савет је 2021. године издао „Акциони план за достизање врхунца угљеника до 2023. године“ о убрзавању истраживања и развоја угљеничних влакана, аерогела, специјалног челика и других основних материјала.

Кључна својства аерогела
(1) Ултралаган. Аерогел је најређа чврста супстанца на свету, са минималном густином од једне шестине масе ваздуха. Опсег варијације густине је генерално 0.001~1 г/цм³.

(2) Висока порозност и велика специфична површина. Порозност је 80%~99.9%, специфична површина је 200~1000 м²/г, а типична величина пора је 2~1 нм.

(3) Супер топлотна изолација. Танка нано-мрежна структура аерогела ефикасно ограничава ширење локалног термичког побуђивања, а његова топлотна проводљивост у чврстом стању је 2~3 реда величине нижа од оне код одговарајућег стакластог материјала.

Принцип топлотне изолације аерогела
Смањен пренос топлотеБесконачан број наночестица у аерогелу формира мрежасти скелет, а топлота може да тече само дуж бесконачног броја наночестица. Топлотни ток може да се спроводи само дуж бесконачног броја наночестица, што резултира готово бесконачним путем преноса топлоте у чврстом стању. Пренос топлоте у чврстом стању је сведен на најнижи могући ниво.

Инхибиција термалне конвекције : Просечна величина пора аерогела је 20-40 nm, што је мање од просечног слободног опсега молекула гаса од 69 nm, а молекули гаса у порама губе способност слободног кретања, што конвекцију чини готово немогућом.

Смањено топлотно зрачење : Зидови пора које формирају наночестице у аерогеловима су инфрацрвени штитови, а бесконачан број штитова значајно смањује топлотно зрачење.

(4) Катализа. Мала величина честица, велика специфична површина и ниска густина аерогела чине активност и селективност аерогелових катализатора много већом од конвенционалних катализатора, а активне компоненте могу бити веома равномерно дисперговане у носачу, а такође имају одличну термичку стабилност, што може ефикасно смањити појаву споредних реакција.

(5) Звучна изолација. Особине аерогела које пружају ниску брзину звука чине их идеалним материјалом за акустично кашњење или звучну изолацију на високим температурама. Променљиви опсег акустичне импедансе аерогела је велики [103 ~ 107 кг/(㎡-с)], што је идеалнији материјал за спрезање акустичне отпорности за ултразвучне детекторе. Акустична отпорност пиезоелектричне керамике која се користи за ултразвучне генераторе и детекторе је 1.5×107 кг/(㎡-с), док је акустична отпорност ваздуха само 400 кг/(㎡-с). Коришћење силицијумског аерогела дебљине 1/4 таласне дужине и густине око 0.3 г/цм³ као материјала за спрезање акустичне отпорности између пиезоелектричне керамике и ваздуха може повећати интензитет звука за 30 дБ, побољшати ефикасност преноса акустичних таласа и смањити однос сигнал-шум у применама уређаја.

(6) Перформансе филтрације. Наноструктурирани аерогели се такође могу користити као нови тип високо ефикасног материјала за филтрацију гасова. Због своје изузетно велике специфичне површине, научници аерогеле називају „супер сунђерима“ и идеални су за адсорпцију загађивача у води, усисавање олова и живе из воде, што их чини одличним материјалом за суочавање са еколошким катастрофама.

(7) Оптичка својства. Чисти SiO₂ аерогел је провидан и безбојан, а његов индекс преламања (1.006~1.06) је веома близак индексу преламања ваздуха, што значи да SiO₂ аерогел готово да нема губитка рефлексије на упадну светлост и може ефикасно да пропушта сунчеву светлост. Стога се може користити за израду изолационог и стакла за смањење буке.

За више информација или технички лист са подацима и лист са подацима о безбедности материјала, контактирајте нас путем е-поште: [email protected] или нам се јавите на број: +86-28-8411-1861.

Неке слике и текстови су репродуковани са интернета, а ауторска права припадају оригиналном аутору. Ако постоји било какво кршење, контактирајте нас да га избришемо.