Negli ultimi anni, i materiali Airgel hanno mostrato un grande potenziale di applicazione nella protezione aerospaziale, energetica e ambientale, nell'isolamento della costruzione e altri campi a causa della loro unica struttura nanoporosa, conducibilità termica estremamente bassa e eccellenti proprietà meccaniche. Tuttavia, gli aerogel hanno molti parametri delle prestazioni e diversi scenari di applicazione hanno requisiti diversi per le loro prestazioni chiave. Quindi, quando si sceglie i materiali Airgel, quali indicatori di prestazione sono i più critici? È conducibilità termica ultra-bassa, eccellente resistenza meccanica o eccellente idrofobicità o stabilità ambientale? Questo articolo analizzerà le prestazioni fondamentali degli aerogel, esplorerà i punti chiave della selezione dei materiali in diversi scenari di applicazione e fornirà ai lettori suggerimenti di selezione scientifica e pratica per aiutarli a prendere le migliori decisioni nella ricerca scientifica o nella pratica ingegneristica.
Contenuto
3. Resistenza ad alta temperatura e ritardo della fiamma
5. Requisiti specifici dell'applicazione
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 gradi), le prestazioni di isolamento termico di alcuni aerogel organici diminuiranno in modo significativo, quindi è necessario utilizzare materiali compositi resistenti ad alta temperatura per migliorare la loro stabilità ad alta temperatura. Queste caratteristiche rendono Airgel un materiale chiave insostituibile in scenari con esigenze di isolamento termico estremo.
Le proprietà meccaniche degli aerogel si riflettono principalmente nella resistenza alla trazione, nella resilienza della compressione e nella resistenza alla frattura, che influenzano direttamente la loro durata e l'elaborazione dell'adattabilità nelle applicazioni pratiche. Gli aerogel puri di solito mostrano un'elevata fragilità e la loro resistenza alla trazione è spesso inferiore a {{0}}. 1 MPA, che è difficile soddisfare i requisiti di ingegneria. Pertanto, devono spesso essere aggravati con materiali in fibra per migliorare le proprietà meccaniche. Ad esempio, i compositi airgel a fibra aramidica possono aumentare la resistenza alla trazione a 1,2 MPa e sono stati utilizzati con successo in ambienti difficili come gli strati di isolamento sottomarino nucleare. La resistenza alla trazione dei compositi Airgel ottimizzati può raggiungere 0. 5-2 MPA, che può soddisfare i requisiti di resistenza del materiale di costruzione, aerospaziale e altri campi. Tuttavia, va notato che il processo di rinforzo meccanico può in parte sacrificare le sue eccellenti prestazioni di isolamento termico a causa della riduzione della porosità. Pertanto, è necessario bilanciare la resistenza meccanica e le prestazioni dell'isolamento termico durante la progettazione.
3. Resistenza ad alta temperatura e ritardo della fiamma
La resistenza ad alta temperatura e le proprietà ritardanti di fiamma degli aerogel si riflettono principalmente nella stabilità strutturale del materiale e nella sua capacità di inibire la combustione in ambienti ad alta temperatura. Gli aerogel di diverse composizioni mostrano caratteristiche di resistenza alla temperatura significativamente diverse. Assumendo come esempio la poliimmide Airgel, la sua resistenza alla temperatura può raggiungere i 600 gradi, mentre Airgel di carbonio può rimanere stabile in condizioni estreme superiori a 3000 gradi, mostrando un eccellente potenziale di resistenza ad alta temperatura. In termini di proprietà ritardanti di fiamma, gli aerogel di alta qualità devono soddisfare specifiche rigorose come UL 94 V -0 o costruire standard di protezione antincendio per garantire la loro sicurezza negli scenari di incendio. Tuttavia, va notato che gli aerogel organici sono a rischio di decomposizione ad alte temperature e la loro stabilità di solito non è buona come quella degli aerogel inorganici. Pertanto, il sistema di materiale deve essere accuratamente selezionato se utilizzato in applicazioni ad alta temperatura. Vale la pena notare che alcuni aerogel appositamente modificati, come gli aerogel a base di cellulosa, possono non solo mantenere le loro prestazioni ad alte temperature di 600 gradi, ma hanno anche proprietà biodegradabili. Questa combinazione unica lo fa mostrare un importante valore dell'applicazione nei campi emergenti come la furtività a infrarossi.
Il costo e la scalabilità degli aerogel sono principalmente influenzati dal costo della produzione dei materiali, dal potenziale per il ridimensionamento e dalla maturità della catena di approvvigionamento. L'industria sta ancora affrontando la sfida di bilanciare costi elevati con l'industrializzazione. Come metodo di preparazione tradizionale, il costo dell'essiccazione supercritica rappresenta fino al 40% del costo totale, mentre la tecnologia di essiccazione atmosferica emergente può ridurre il costo di produzione di circa il 30%, fornendo la possibilità di applicazione su larga scala. La Cina è diventata il paese con la più grande capacità di produzione Airgel al mondo, con una capacità di produzione di 500 metri cubi 000 nel 2023, ma si basa ancora sulle importazioni nel campo dei prodotti di fascia alta, riflettendo il divario tra il livello di industrializzazione e la tecnologia di base. Vale la pena notare che sebbene le soluzioni a basso costo abbiano migliorato l'efficienza economica, spesso vengono a scapito della coerenza delle prestazioni dei materiali. Le aziende leader internazionali come Aspen Airgel hanno raggiunto con successo la produzione su larga scala attraverso la tecnologia composita in fibra, mantenendo i costi a $ 50\/metro quadrati, fornendo all'industria un percorso di industrializzazione di riferimento, ma come ridurre ulteriormente i costi garantendo al contempo le prestazioni sono ancora una questione chiave per l'applicazione commerciale su larga scala di aerogel.
5. Requisiti specifici dell'applicazione
I requisiti specifici dell'applicazione degli aerogel si riflettono nell'ottimizzazione delle prestazioni personalizzate per diversi scenari di utilizzo, come requisiti funzionali speciali come assorbimento sonoro, schermatura elettromagnetica o stabilità chimica. Nel campo dell'aerospaziale, il peso leggero è la domanda di base e la densità degli aerogel di solito è necessaria per essere inferiore a 1 0 0 kg\/m³, mentre le applicazioni architettoniche prestano maggiore attenzione alla facilità di elaborazione dei materiali e spesso richiedono che gli aerogel siano prefabbricati in una forma di foglio per una facile costruzione. Al fine di raggiungere la funzione di schermatura elettromagnetica, i riempitivi conduttivi devono essere aggiunti all'Airgel, ma di solito questo arriva a spese di alcune prestazioni di isolamento termico. Vale la pena notare che la struttura nanoporosa degli aerogel gli conferisce un'eccellente prestazione di assorbimento del suono, con un coefficiente di assorbimento del suono fino a 0,95 (2000 Hz). Questa funzione è stata applicata con successo a scene che richiedono una riduzione del rumore, come le carrelli ferroviarie ad alta velocità. Tuttavia, sebbene l'integrazione di più funzioni in un singolo materiale AirGel possa espandere l'ambito dell'applicazione, aumenterà inevitabilmente la complessità del processo di preparazione e il costo complessivo, che è diventato il principale collo di bottiglia che limita l'applicazione commerciale di aerogel multifunzionale.
I materiali AirGel, con la loro conduttività termica ultra-bassa, la struttura porosa leggera e le proprietà meccaniche e funzionali regolabili, hanno mostrato un valore di applicazione insostituibile in campi all'avanguardia come aerospaziale, nuova energia e isolamento dell'edificio. Tuttavia, la loro selezione effettiva richiede una considerazione completa di fattori multidimensionali come conduttività termica, resistenza meccanica, resistenza alla temperatura e ritardo della fiamma, efficacia in termini di costi e requisiti funzionali di scenari specifici. In futuro, con scoperte nelle tecnologie di preparazione a basso costo come l'essiccazione della pressione atmosferica e l'ottimizzazione dei processi di rinforzo come i compositi in fibra e la nano-modifica, i materiali Airgel dovrebbero ottenere maggiori scoperte nell'equilibrio tra prestazioni e costi e promuoveranno la loro applicazione su larga scala in una vasta gamma di settori industriali. Come abbinare accuratamente i requisiti di applicazione nella fase di progettazione del materiale diventerà un problema fondamentale per la preoccupazione comune per la ricerca e l'industria scientifica.