Aerogels: maģiska materiāla neparastais šarms
Pie 650 grādiem liesmas smidzināšanas pistole turpina izsmidzināt liesmu, taču tā nevar aizdedzināt īpaši pārklātu kartona apvalku; Tikai atdalīta ar plēves kārtu, roka nospiesta uz karstā galda pietiekami karsta, lai "izceptos", bet var sajust tikai nedaudz siltumu; Tas veido neredzamu "aizsargplēvi" uz rokas, kas ļauj ūdenim vienā mirklī "uzsprāgt"... Tas viss ir kā "zinātniskās maģijas" fenomens, viss no jauna materiāla, kuram ir vairāk nekā ducis Ginesa rekordu - aerogels.
Lai sniegtu jums intuitīvāku sajūtu par aerogela brīnumiem, veiksim dažus salīdzināšanas eksperimentus. Pirmkārt, vienāda biezuma aerogela materiāls un tradicionālais izolācijas materiāls (piemēram, akmens vate, silikāts utt.) tiek ievietoti divās identiskās augstas temperatūras vides kamerās, kuru temperatūra ir iestatīta uz 650 grādiem. Temperatūras izmaiņas abu materiālu ārpusē tika uzraudzītas reāllaikā, izmantojot termoattēlu tajā pašā 1-stundu periodā. Jūs redzēsiet, ka tradicionālajam materiālam āra temperatūra strauji paaugstinās, un neilgi pēc tam parādās deformācija, dūmi utt., savukārt aerogela materiāla ārējā temperatūra gandrīz nemainās un vienmēr tiek uzturēta zema. Tas pilnībā parāda, ka aerogels ievērojami pārsniedz tradicionālo materiālu siltumizolācijas īpašības.
Apskatiet kontrastu starp aerogelu un parastajām cietajām vielām (piemēram, metālu, koku utt.). Izvēloties metāla gabalu ar tādu pašu tilpumu kā aerogela izolācijas segai un nosverot to atsevišķi, jūs atklāsiet, ka aerogela svars ir daudz vieglāks nekā metāla blokam, kas izceļ aerogela īpaši vieglās īpašības. Pēc tam tos vienlaikus novieto uz sildīšanas plāksnes, kas iestatīta uz 200 grādiem. Sildīšanas procesā izmantojiet termometru, lai izmērītu, cik ātri temperatūra paaugstinās uz abu vielu virsmas, un rezultāti jūs pārsteigs. Metāla virsmas temperatūra paaugstinās strauji, savukārt aerogela virsmas temperatūra paaugstinās ļoti lēni, kas liecina par aerogela lielisko siltumizolācijas spēju, krasi kontrastējot, lai dziļāk varētu izjust aerogela burvību.
Turot liesmas smidzināšanas pistoli temperatūrā līdz 650 grādiem, pavērsiet parastu kartona čaulu, un vienā mirklī papīra čaula sadegs, liesma strauji izplatīsies un kartona čaula pārvērtīsies pelnos tikai aptuveni pēc 20 sekundes.
Tomēr, kad kartona apvalks tika pārklāts ar plānu caurspīdīgas "burvju krāsas" (ti, ar aerogelu saistītiem izstrādājumiem) slāni un atkal sadedzināts ar 650 grādu liesmas lielgabalu, situācija bija pavisam citāda. Šoreiz kartona čaula ne tikai netika aizdedzināta, bet gandrīz nebija redzamas liesmas degšanas pēdas, uz tās virsmas atstājot tikai balta granulēta pulvera kārtu. Pieskaroties papīra aizmugurējai pusei, siltumu nemaz nevar just. Pēc darbinieku domām, 650 grādu augstā temperatūrā tas var izturēt degšanu vairāk nekā 3 stundas bez bojājumiem.
Šajā eksperimentā liesmas siltums mēģināja iebrukt kartona apvalkā, bet aerogela pārklājums darbojās kā neiznīcināma barjera, nežēlīgi noturot siltumu. Kartona čaulu var droši ieskaut liesmas, it kā ar burvju mājienu, kas ir spilgts aerogela apbrīnojamo siltumizolācijas īpašību demonstrējums.
Otrā "maģija" ir saistīta ar ūdeni. Vienā tvertnē virs ūdens ir stingri uzkarināts nekūstoša "maģiskā pulvera" (aerogela daļiņu) slānis. Reportieris sniedzās caur pulveri līdz apakšai un acumirklī sajuta, ka visa roka ir piesūkusies ar ūdeni. Bet, kad viņš izvilka roku, viņš pārsteigts atklāja, ka tajā nav ne pilītes ūdens. Pēc tam šī roka daudzas reizes tika ievietota citos baseinos vai pat mazgāta tieši ar ūdeni, un visa roka vienmēr šķita ietīta neredzamā "aizsargplēvē", kas varēja "izpūst" visu ūdeni.
Šī aerogela ūdens atgrūdošā īpašība ir saistīta ar tā īpašajām virsmas īpašībām. Tā mikrostruktūra apgrūtina ūdens molekulu pielipšanu tai, un tā vietā veido pilienus, kas nokrīt, tāpat kā pašattīrošais efekts uz lotosa lapas virsmas.
Vai varat noticēt, ka cilvēka roka var pieskarties objektam, kura temperatūra ir augstāka par 100 grādiem, bez apdegumiem?
Trešā "maģija" koncentrējas uz "siltumu". Uz karstā galda, kas var likt aukstam ūdenim uzreiz vārīties un iztvaikot, uzklāt "burvju plēves" (aerogela izolācijas papīra) kārtu, reportieris nervozi piespieda tam roku un pārsteidzošā kārtā sajuta tikai nelielu siltumu.
Tehnoloģija: pasaulē vadošo sagatavošanas metožu izpēte un izstrāde
Aiz šīm apbrīnojamajām "maģiskajām krāsām", "burvju pulverim" un citām "burvībām" patiesībā slēpjas sava veida Ginesa rekordi ar vairāk nekā 10, un žurnāls Science tiek slavēts kā "maģisks materiāls, kas var mainīt pasauli" - aerogels.
Jauns Coon materiālu nozares atbalsta inženieris žurnālistiem sacīja, ka aerogels ir šobrīd pasaulē vieglākais cietais materiāls, kas ir arī pasaulē izcilākais cietais materiāls ar siltumizolācijas un ugunsdrošības īpašībām.
Kas padara aerogelu tik pārsteidzošu? Inženieris paskaidroja ar analoģiju "vates konfekte".
Inženieri atzīmēja, ka attiecības starp aerogelu un smiltīm (galvenokārt silīcija dioksīdu) bija līdzīgas attiecībām starp zefīriem un balto cukuru. Tā siltumizolācijas un liesmas slāpēšanas īpašības ir tik lieliskas, jo tās molekulārajā struktūrā ir daudz nanomēroga caurumu, kuru porainība pārsniedz 95%. Šie nanomēroga caurumi ir kā "siltuma izolācijas labirints" mikroskopiskajā pasaulē, kur siltums nepārtraukti tiek atspoguļots un izkliedēts, kad tas pārvietojas, apgrūtinot vienmērīgu vadīšanu, tāpēc aerogela siltumvadītspēja ir ārkārtīgi zema, un to var sasniegt. siltumizolācijas efekts, kas līdzīgs vakuumam. "Caurumi zefīrā ir redzami ar neapbruņotu aci, turpretim aerogela caurumi ir nanomērogā, 1,000 reizes mazāki par cilvēka mata diametru."
Neskatoties uz lieliskajām īpašībām, aerogēlus ir grūti iegūt.
Tradicionālajai aerogela sagatavošanai nepieciešama "superkritiskās žāvēšanas sagatavošanas" metode, kas jāsagatavo vairākas dienas augstā temperatūrā un spiedienā. Tas rada daudzas problēmas, piemēram, augstas aprīkojuma ievades izmaksas, sarežģītu procesa plūsmu, nopietnu piesārņojuma emisiju utt., kas padara to ražošanas izmaksas joprojām augstas. Tāpēc aerogela izstrādājumus pārsvarā izmanto galvenajās jomās, piemēram, aviācijā.
Ņemot vērā šo situāciju, inovāciju komanda, kuru vadīja Ķīnas Zinātņu akadēmijas akadēmiķis un Ķīnas Zinātņu un tehnoloģiju universitātes profesors Xie Yi, pēc gadu desmitiem ilgušiem neatlaidīgiem pūliņiem ir neatkarīgi izstrādājusi pasaulē vadošo aerogela sagatavošanas metodi - " vides aizsardzības aerogela atmosfēras spiediena žāvēšanas metode". Šī metode var ievērojami samazināt aerogēla sagatavošanas izmaksas, veicināt aerogela produktu raitāku industrializāciju un padarīt tos mūsu ikdienas dzīvē.
Pielietojums: "ugunsmēteļa" veidošana
Būvniecības jomā aerogela pielietošana ir sasniegusi ievērojamus rezultātus. Piemēram, lielā komercēkā enerģijas patēriņš dzesēšanai un apkurei gadā ir diezgan liels, ja netiek izmantota aerogela izolācija, un elektroenerģijas izdevumi veido ievērojamu daļu no ekspluatācijas izmaksām. Pēc aerogela izolācijas materiālu modifikācijas, veicot stingru enerģijas patēriņa uzraudzību un statistiku, ir konstatēts, ka gada enerģijas patēriņš dzesēšanā un apkurē ir ievērojami samazināts, kā arī ievērojami samazinās attiecīgie elektroenerģijas izdevumi.
Enerģijas patēriņa līmenis ir ievērojami zemāks nekā līdzīgām blakus esošām komerciālām ēkām, kurās netiek izmantota aerogela izolācija, un enerģijas ietaupījums ir acīmredzams.
Tas galvenokārt ir saistīts ar ēku izolācijas pārklājumu aerogela izcilo veiktspēju. Tam nepieciešams tikai plāns pārklājums no 2 līdz 5 mm, lai sasniegtu nemainīgu 40 līdz 60 mm parastā izolācijas materiāla temperatūras efektu, tādējādi samazinot telpas enerģijas patēriņu par vairāk nekā 30%. Šī ļoti efektīvā izolācijas spēja ne tikai ietaupa ievērojamas ekspluatācijas izmaksas ēku īpašniekiem, bet arī sniedz pozitīvu ieguldījumu kopējā enerģijas patēriņa samazināšanā būvniecības sektorā visas sabiedrības enerģijas taupīšanas un emisiju samazināšanas atbalsta kontekstā.
Zhejiang Runfew New Material Co., Ltd ir bijusi neaizstājama loma šajā procesā. Tās rūpīgi izstrādātie aerogelu sērijas produkti turpina iepludināt jaunu vitalitāti ēku enerģijas taupīšanas jomā, palīdz lielākai daļai ēku sasniegt augstas efektivitātes izolāciju un enerģijas taupīšanu un patēriņa samazinājumu, kā arī padara aerogelu šim maģiskajam materiālam lielāku vērtību būvniecības jomā.