Pēdējos gados Airgel materiāli ir parādījuši lielu piemērošanas potenciālu kosmosa, enerģijas un vides aizsardzībā, ēku izolācijā un citos laukos to unikālās nanopora struktūras, īpaši zemas siltumvadītspējas un lielisku mehānisko īpašību dēļ. Tomēr aerogeliem ir daudz veiktspējas parametru, un dažādiem lietojumprogrammu scenārijiem ir atšķirīgas prasības to galvenajai veiktspējai. Tātad, izvēloties airgel materiālus, kuri veiktspējas rādītāji ir viskritiskākie? Vai tā ir īpaši zema siltuma vadītspēja, lieliska mehāniskā izturība vai lieliska hidrofobitāte vai vides stabilitāte? Šajā rakstā tiks analizēta aerogelu galvenā veiktspēja, izpētīti galvenie materiālu izvēles punkti dažādos pielietojuma scenārijos un sniegti lasītājiem zinātniskus un praktiskus atlases ieteikumus, lai palīdzētu viņiem pieņemt labākos lēmumus zinātniskajā pētniecībā vai inženierzinātnēs.
Apmierināts
3. Augstas temperatūras izturība un liesmas palēnināšanās
5. Prasības, kas raksturīgas lietojumprogrammai
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 grādi), dažu organisko aerogeļu siltumizolācijas veiktspēja ievērojami samazināsies, tāpēc, lai uzlabotu to augstas temperatūras stabilitāti, ir jāizmanto salikti augstas temperatūras izturīgi materiāli. Šīs īpašības padara Airgel par neaizvietojamu galveno materiālu scenārijos ar ārkārtējām siltumizolācijas vajadzībām.
Aerogeļu mehāniskās īpašības galvenokārt atspoguļojas stiepes izturībā, kompresijas noturībā un pretestībā lūzumā, kas tieši ietekmē to izturību un apstrādes pielāgošanās spēju praktiskā pielietojumā. Tīriem aerogeliem parasti ir augsta trauslums, un to stiepes izturība bieži ir mazāka par {{0}}. 1 MPa, kuru ir grūti izpildīt inženierzinātņu prasības. Tāpēc, lai uzlabotu mehāniskās īpašības, tie bieži ir jāapvieno ar šķiedru materiāliem. Piemēram, aramīdu šķiedru pastiprinātie Airgel kompozīti var palielināt stiepes izturību līdz 1,2 MPa, un tie ir veiksmīgi izmantoti skarbā vidē, piemēram, kodola zemūdenes izolācijas slāņos. Optimizētu airgel kompozītu stiepes izturība var sasniegt 0. 5-2 MPA, kas var izpildīt konstrukcijas, kosmiskās aviācijas un citu lauku materiālās stiprības prasības. Tomēr jāatzīmē, ka mehāniskās pastiprināšanas process var daļēji upurēt tā izcilo siltumizolācijas veiktspēju porainības samazināšanas dēļ. Tāpēc projektēšanas laikā ir nepieciešams līdzsvarot mehāniskās izturības un siltuma izolācijas veiktspēju.
3. Augstas temperatūras izturība un liesmas palēnināšanās
Aerogelu izturība pret augstu temperatūru un liesmas slāpējošās īpašības galvenokārt atspoguļojas materiāla strukturālajā stabilitātē un tā spējā kavēt sadegšanu vidē augstā temperatūrā. Dažādu kompozīciju aerogeliem ir ievērojami atšķirīgas temperatūras izturības īpašības. Piemēram, poliimīdu airgel, tā izturība pret temperatūru var sasniegt 600 grādus, savukārt oglekļa airgel var palikt stabils ekstremālos apstākļos, kas pārsniedz 3000 grādus, parādot izcilu izturības pret augstu temperatūru. Runājot par liesmas slāpējošām īpašībām, augstas kvalitātes aerogeliem jāatbilst stingrām specifikācijām, piemēram, UL 94 V -0 vai ugunsgrēka aizsardzības standartu celtniecībai, lai nodrošinātu to drošību uguns scenārijos. Tomēr jāatzīmē, ka organiskajiem aerogeliem ir risks sadalīties augstā temperatūrā, un to stabilitāte parasti nav tik laba kā neorganiskiem aerogeliem. Tāpēc materiālu sistēma ir rūpīgi jāizvēlas, ja to lieto augstas temperatūras lietojumprogrammās. Ir vērts atzīmēt, ka daži speciāli modificēti aerogeli, piemēram, celulozes bāzes aerogeli, var ne tikai saglabāt savu veiktspēju augstā temperatūrā 600 grādu, bet arī ar bioloģiski noārdāmām īpašībām. Šī unikālā kombinācija liek tai parāda svarīgu lietojumprogrammas vērtību jaunajās jomās, piemēram, infrasarkanajā slepkavībā.
Aerogelu izmaksas un mērogojamību galvenokārt ietekmē materiālu ražošanas izmaksas, palielināšanas potenciāls un piegādes ķēdes termiņš. Nozare joprojām saskaras ar izaicinājumu līdzsvarot augstās izmaksas ar industrializāciju. Kā tradicionāla sagatavošanas metode superkritiskās žāvēšanas izmaksas veido līdz 40% no kopējām izmaksām, savukārt topošā atmosfēras žāvēšanas tehnoloģija var samazināt ražošanas izmaksas par aptuveni 30%, nodrošinot iespēju izmantot liela mēroga lietojumu. Ķīna ir kļuvusi par valsti ar lielāko Airgel ražošanas jaudu pasaulē ar ražošanas jaudu 500, 000 kubikmetri 2023. gadā, bet tā joprojām ir atkarīga no importa augstas klases produktu jomā, atspoguļojot plaisu starp industrializācijas līmeni un pamat tehnoloģiju. Ir vērts atzīmēt, ka, lai arī zemu izmaksu risinājumi ir uzlabojuši ekonomisko efektivitāti, tie bieži nāk uz materiālās darbības konsekvences rēķina. Starptautiskie vadošie uzņēmumi, piemēram, Aspen Airgel, ir veiksmīgi sasnieguši liela mēroga ražošanu, izmantojot šķiedru kompozītmateriālu tehnoloģiju, saglabājot izmaksas USD 50\/kvadrātmetrā, nodrošinot nozarei atsauces industrializācijas ceļu, bet kā vēl vairāk samazināt izmaksas, vienlaikus nodrošinot, ka veiktspēja joprojām ir galvenā problēma liela mēroga komerciālai aerogelu izmantošanai.
5. Prasības, kas raksturīgas lietojumprogrammai
Aerogelu lietojumprogrammas prasības tiek atspoguļotas pielāgotā veiktspējas optimizācijā dažādiem lietošanas scenārijiem, piemēram, īpašas funkcionālās prasības, piemēram, skaņas absorbcija, elektromagnētiskā ekranēšana vai ķīmiskā stabilitāte. Aviācijas un kosmosa jomā viegls ir galvenais pieprasījums, un aerogeļu blīvumam parasti ir jābūt mazam par 1 0 0 kg\/m³, savukārt arhitektūras lietojumprogrammas vairāk pievērš uzmanību materiālu apstrādes ērtībai, un bieži vien nepieciešami aerogeli, lai tie būtu jāatstāj lokšņu formā, lai to viegli izveidotu. Lai sasniegtu elektromagnētisko ekranēšanas funkciju, Airgel ir jāpievieno vadītspējīgas pildvielas, taču tas parasti nāk uz dažu siltuma izolācijas veiktspējas rēķina. Ir vērts atzīmēt, ka aerogeļu nanoporā struktūra dod tai lielisku skaņas absorbcijas veiktspēju ar skaņas absorbcijas koeficientu līdz 0,95 (2000 Hz). Šī funkcija ir veiksmīgi piemērota ainām, kurām nepieciešama trokšņa samazināšana, piemēram, ātrgaitas sliedes ratiņi. Tomēr, lai arī vairāku funkciju integrēšana vienā Airgel materiālā var paplašināt pielietojuma apjomu, tas neizbēgami palielinās sagatavošanas procesa sarežģītību un kopējās izmaksas, kas ir kļuvušas par galveno sašaurinājumu, kas ierobežo daudzfunkcionālu aerogeļu komerciālo pielietojumu.
Airgel materiāli ar to īpaši zemo siltumvadītspēju, vieglu porainu struktūru un regulējamas mehāniskās un funkcionālās īpašības ir parādījušas neaizvietojamu pielietojuma vērtību progresīvu lauku, piemēram, kosmosa, jaunas enerģijas un ēkas izolācijas jomā. Tomēr to faktiskajai atlasei nepieciešama visaptveroša daudzdimensiju faktoru, piemēram, siltuma vadītspējas, mehāniskās izturības, temperatūras izturības un liesmas kavēšanās, rentabilitātes un funkcionālās prasības, kas noteiktas īpašos scenārijos. Nākotnē ar lētu sagatavošanas tehnoloģiju sasniegumiem, piemēram, atmosfēras spiediena žāvēšanu, un armatūras procesu, piemēram, šķiedru kompozītu un nano-modifikācijas optimizāciju, paredzams, ka Airgel materiāli sasniegs lielāku sasniegumu līdzsvarā starp veiktspēju un izmaksām, kā arī veicinās to liela mēroga pielietojumu rūpniecisko lauku vidējā diapazonā. Kā precīzi saskaņot lietojumprogrammas prasības materiālu projektēšanas posmā kļūs par galveno problēmu, kas saistīta ar zinātniskiem pētījumiem un rūpniecību.