През 1931 г. Kistler отделя течността от твърдото вещество чрез използване на алкохолна суперкритична техника за сушене и запазва структурата на газа от свиване и колапс, което води до появата на аерогел в света.
Определение за аерогел
Аерогелът е лек нанопорест аморфен твърд материал с нанометрови микрочастици, агрегирани една с друга, за да образуват нанометрова пореста мрежова структура и изпълнени с голям брой газообразни дисперсионни среди в мрежовия скелет.
Аерогеловете са не само функционален материал, но и ново състояние на материята. Състоянието на аерогел е фундаментално различно от другите състояния на материята в много свойства. Той има фиксиран размер и форма като твърдо вещество, но видимата му плътност може да варира от максимум 1 g/cm³ до 0.001 g/cm³ (по-ниска от плътността на въздуха); в същото време има подобна на гъба пореста структура с множество свойства на микроскопични (наномащабен скелет), макроскопични (кондензирана материя) и мезоскопични (многостепенна и фрактална структура) характеристики, което прави аерогеловете да притежават много уникални свойства. Той показва много ниска топлопроводимост, много нисък модул на еластичност, много ниска фононна скорост, много нисък индекс на пречупване, ниска диелектрична константа, много ниска скорост на звука, висока специфична повърхност, много широка плътност и разпределение на индекса на пречупване и др.
Класификация на аерогеловете
Има широка гама от аерогелове, покриващи почти всички материални системи. Най-общо, според химическия състав, те могат да бъдат разделени на органични аерогелове, неорганични аерогелове и композитни аерогелове и т.н. Аерогеловете могат също да бъдат класифицирани в силициеви, въглеродни, серни, метални оксидни и метални системи според техните основни компоненти.
Състоянието и ролята на аерогелите
Учените казват, че аерогеловете ще променят света.
Airgel беше посочен като един от 10-те най-горещи въпроса за науката и технологиите в 250-ия брой на американското списание Science. На 20 август 2007 г. The Times съобщи, че аерогелът е най-лекото твърдо вещество в света, което може да издържи експлозивната сила на 1 kg динамит и да ви предпази от топлината на горелка над 1300°C. Учените изследват използването на аерогел във всичко - от суперизолирани космически костюми до суперкондензатори до катализатори до следващото поколение тенис ракети. Airgel обещава да съперничи на поколения легендарни материали като фенолна смола от 1930-те години на миналия век, въглеродни влакна от 1980-те години на миналия век и силикон от 1990-те години на миналия век.
Аерогелът е вписан в Книгата на световните рекорди на Гинес няколко пъти като най-лекото твърдо вещество в света. Аерогелът също има много ниска топлопроводимост и индекс на пречупване и е 39 пъти по-изолиращ от най-добрите стъклени влакна. Аерогелът е използван за термична изолация на руската космическа станция "Мир" и марсохода "Марс Патфайндър" на САЩ и вече е изиграл жизненоважна роля в космическата индустрия.
История на развитието на аерогела
През 1931 г. аерогеловете са приготвени за първи път от Кистлър в Станфордския университет, САЩ.
През 1985 г. първият симпозиум за аерогелове, известен като ISA, е организиран от Института по физика към университета във Вюрцбург, Германия.
1993, аерогеловете се използват за изолиране на скафандри, космически кораби и космически совалки.
2002, Aspen Aerogel, компания на НАСА, е създадена за разработване и производство на аерогелове.
2004 г., изследване на аерогел, проведено от местни китайски изследователски институти.
През 2006 г. местните компании за аерогелове в Китай започнаха да разработват аерогелове.
2017 г., обнародван в Китай, GB/T 34336-201, Непорести аерогелни композитни изолационни продукти
През 2021 г. Държавният съвет издаде „План за действие за достигане на пика на въглерода до 2023 г.“ за ускоряване на изследванията и развитието на въглеродни влакна, аерогел, специална стомана и други основни материали.
Основните свойства на аерогеловете
(1) Свръхлек. Аерогелът е най-малко плътното твърдо вещество в света, с минимална плътност от една шеста от масата на въздуха. Диапазонът на изменение на плътността обикновено е 0.001~1g/cm³.
(2) Висока порьозност и голяма специфична повърхност. Порьозността е 80%~99.9%, специфичната повърхност е 200~1000m2/g, а типичният размер на порите е 1~100nm.
(3) Супер топлоизолация. Тънката нано-мрежова структура на аерогела ефективно ограничава разпространението на локално топлинно възбуждане, а топлопроводимостта му в твърдо състояние е с 2~3 порядъка по-ниска от тази на съответния стъклен материал.
Принципът на аерогелната топлоизолация
Намален термичен трансфер: Безкрайният брой наночастици в аерогела образува мрежест скелет и топлината може да тече само покрай безкраен брой наночастици. Топлинният поток може да се проведе само през безкраен брой наночастици, което води до почти безкраен път на пренос на топлина в твърдото вещество. Преносът на топлина в твърдото вещество е намален до възможно най-ниското ниво.
Инхибиране на термичната конвекция : Средният размер на порите на аерогеловете е 20-40 nm, което е по-малко от средния свободен обхват на газовите молекули от 69 nm, а газовите молекули в порите губят способността си да се движат свободно, което прави конвекцията почти невъзможна.
Намалено топлинно излъчване : Стените на порите, образувани от наночастиците в аерогеловете, са инфрачервени екрани, а безкрайният брой екрани значително намалява топлинното излъчване.
(4) Катализа. Малкият размер на частиците, високата специфична повърхност и ниската плътност на аерогела правят активността и селективността на аерогелните катализатори много по-високи от конвенционалните катализатори, а активните компоненти могат да бъдат много равномерно диспергирани в носителя и също така има отлична термична стабилност, което може ефективно да намали появата на странични реакции.
(5) Звукоизолация. Свойствата на ниската скорост на звука на аерогеловете ги правят идеален материал за акустично забавяне или звукоизолация при висока температура. Променливият диапазон на акустичния импеданс на аерогела е голям [103 ~ 107 kg/(㎡-s)], което е по-идеален свързващ материал за акустично съпротивление за ултразвукови детектори. Акустичната устойчивост на пиезоелектричната керамика, използвана за ултразвукови генератори и детектори, е 1.5 × 107 kg/(㎡-s), докато акустичното съпротивление на въздуха е само 400 kg/(㎡-s). Използването на силициев аерогел с дебелина 1/4 дължина на вълната и плътност около 0.3 g/cm³ като свързващ материал за акустично съпротивление между пиезоелектрична керамика и въздух може да увеличи интензитета на звука с 30 dB, да подобри ефективността на предаване на акустичните вълни и да намали съотношението сигнал/шум в приложенията на устройството.
(6) Ефективност на филтриране. Наноструктурираните аерогелове могат да се използват и като нов тип високоефективен материал за филтриране на газ. Поради изключително голямата си специфична повърхност, аерогеловете се наричат от учените „супер гъби“ и са идеални за адсорбиране на замърсители във водата, изсмукване на олово и живак от водата, което ги прави отличен материал за справяне с екологични бедствия.
(7) Оптични свойства. Чистият SiO₂ аерогел е прозрачен и безцветен и неговият индекс на пречупване (1.006~1.06) е много близък до този на въздуха, което означава, че SiO₂ аерогелът няма почти никаква загуба на отражение при падаща светлина и може ефективно да предава слънчева светлина. Поради това може да се използва за направата на изолация и стъкло за намаляване на шума.
За повече информация или за технически данни и информационен лист за безопасност на материалите, моля, свържете се с нас по имейл: [email protected] или ни се обадете на телефон: +86-28-8411-1861.
Някои снимки и текстове са възпроизведени от интернет и авторските права принадлежат на оригиналния автор. Ако има някакво нарушение, моля, свържете се с нас, за да изтрием.