Mis on Aerogel?

Airgeli sünd

1931. aastal eraldas Kistler vedeliku tahkest ainest, kasutades alkohoolse ülekriitilise kuivatamise tehnikat ning hoidis gaasi struktuuri kokkutõmbumise ja kokkuvarisemise eest, mille tulemusena tekkis maailmas aerogeel.

Airgeli määratlus
Airgel on kerge nanopoorne amorfne tahke materjal, mille nanomeetri skaala mikroosakesed on üksteisega agregeeritud, et moodustada nanomeetrises mõõtmes poorne võrgustruktuur ja mis on võrguskeletis täidetud suure hulga gaasilise dispersioonikeskkonnaga.

Aerogeelid pole mitte ainult funktsionaalne materjal, vaid ka aine uus olek. Aerogeeli olek erineb paljude omaduste poolest põhimõtteliselt teistest aine olekutest. Sellel on kindel suurus ja kuju nagu tahke aine, kuid selle näivtihedus võib ulatuda maksimaalselt 1 g/cm³ kuni 0.001 g/cm³ (madalam kui õhu tihedus); samal ajal on sellel käsnataoline poorne struktuur, millel on mitmesugused mikroskoopilised (nanomastaabis skelett), makroskoopilised (kondenseerunud aine) ja mesoskoopilised (mitmetasandiline ja fraktaalstruktuur) omadused, mistõttu aerogeelidel on palju unikaalseid omadusi. Sellel on väga madal soojusjuhtivus, väga madal elastsusmoodul, väga madal fononikiirus, väga madal murdumisnäitaja, madal dielektriline konstant, väga madal helikiirus, suur eripind, väga lai tihedus ja murdumisnäitaja jaotus jne.

Aerogeelide klassifikatsioon
Aerogeele on lai valik, mis hõlmab peaaegu kõiki materjalisüsteeme. Üldjuhul võib keemilise koostise järgi jagada need orgaanilisteks aerogeelideks, anorgaanilisteks aerogeelideks ja liitaerogeelideks jne. Aerogeele võib põhikomponentide järgi liigitada ka räni-, süsiniku-, väävli-, metalloksiidi- ja metallisüsteemideks.

Aerogeelide staatus ja roll
Teadlaste sõnul muudavad aerogeelid maailma.

Airgel oli USA ajakirja Science 10. numbris kümne populaarseima teaduse ja tehnoloogia teema hulgas. 250. augustil 20 teatas ajaleht The Times, et aerogeel on maailma kergeim tahke aine, mis talub 2007 kg dünamiidi plahvatusjõudu ja hoiab teid eemal puhumislambi kuumusest üle 1 °C. Teadlased uurivad aerogeeli kasutamist kõiges alates üliisoleeritud kosmoseülikondadest kuni superkondensaatoriteni ja katalüsaatoriteni kuni järgmise põlvkonna tennisereketiteni. Airgel lubab konkureerida põlvkondade kaupa legendaarsete materjalidega, nagu 1300. aastate fenoolvaik, 1930. aastate süsinikkiud ja 1980. aasta silikoon.

Airgel on mitu korda kantud Guinnessi rekordite raamatusse kui maailma kergeim tahke aine. Airgeelil on ka väga madal soojusjuhtivus ja murdumisnäitaja ning see on 39 korda isoleerivam kui parimad klaaskiud. Airgeeli on kasutatud Venemaa kosmosejaama Mir ja USA kulguri Mars Pathfinder soojusisolatsiooniks ning see on juba mänginud olulist rolli kosmosetööstuses.

Airgeli arendamise ajalugu
1931. aastal valmistas aerogeelid esmakordselt Kistler USA-s Stanfordi ülikoolis.
1985. aastal korraldas Saksamaal Würzburgi ülikooli füüsikainstituut esimese aerogeelide sümpoosioni, mida tuntakse ISA nime all.
1993. aastal kasutatakse aerogeele skafandrite, kosmoselaevade ja kosmosesüstikute isoleerimiseks.
2002. aastal asutati aerogeelide arendamiseks ja tootmiseks NASA ettevõte Aspen Aerogel.
2004, Hiina kodumaiste uurimisinstituutide poolt läbi viidud aerogeeliuuringud.
2006. aastal hakkasid Hiina kodumaised aerogeelitootjad aerogeele välja töötama.
2017, Hiina välja kuulutatud, GB/T 34336-201, mittepoorsed aerogeelist komposiitist isolatsioonitooted
2021. aastal andis riiginõukogu välja "Tegevuskava süsinikdioksiidi tipptaseme saavutamiseks aastaks 2023", mis käsitleb süsinikkiu, aerogeeli, eriterase ja muude põhimaterjalide uurimis- ja arendustegevuse kiirendamist.

Aerogeelide peamised omadused
(1) Ülikerge. Airgel on maailma kõige väiksema tihedusega tahke aine, mille minimaalne tihedus on üks kuuendik õhu massist. Tiheduse kõikumise vahemik on üldiselt 0.001–1 g/cm³.

(2) Kõrge poorsus ja suur eripind. Poorsus on 80–99.9%, eripind on 200–1000 m2 / g ja pooride tüüpiline suurus on 1–100 nm.

(3) Super soojusisolatsioon. Aerogeeli õhuke nanovõrgu struktuur piirab tõhusalt kohaliku soojusergastuse levikut ja selle tahkissoojusjuhtivus on 2–3 suurusjärku madalam kui vastava klaasja materjali oma.

Aerogeeli soojusisolatsiooni põhimõte
Vähendatud soojusülekanne: Lõpmatu arv nanoosakesi aerogeelis moodustab võrguskeleti ja soojus saab voolata ainult mööda lõpmatut arvu nanoosakesi. Soojusvoogu saab juhtida ainult mööda lõpmatut arvu nanoosakesi, mille tulemuseks on peaaegu lõpmatu soojusülekande tee tahkes aines. Soojusülekanne tahkis väheneb võimalikult madalale tasemele.

Termilise konvektsiooni pärssimine : Aerogeelide keskmine pooride suurus on 20–40 nm, mis on väiksem kui gaasimolekulide keskmine vaba vahemik 69 nm, ning poorides olevad gaasimolekulid kaotavad oma võime vabalt liikuda, muutes konvektsiooni peaaegu võimatuks.

Vähendatud soojuskiirgus : Aerogeelides olevate nanoosakeste moodustatud pooride seinad on infrapunakilbid ja lõpmatu arv kilpe vähendab oluliselt soojuskiirgust.

(4) Katalüüs. Väikeste osakeste suurus, suur eripind ja aerogeeli madal tihedus muudavad aerogeeli katalüsaatorite aktiivsuse ja selektiivsuse palju kõrgemaks kui tavalistel katalüsaatoritel ning aktiivsed komponendid võivad kandjas olla väga ühtlaselt dispergeeritud ning sellel on ka suurepärane termiline stabiilsus, mis võib tõhusalt vähendada kõrvalreaktsioonide esinemist.

(5) Heliisolatsioon. Aerogeelide madala helikiiruse omadused muudavad need ideaalseks materjaliks akustilise viivituse või kõrge temperatuuriga heliisolatsiooni jaoks. Aerogeeli akustilise impedantsi muutuv vahemik on suur [103 ~ 107 kg/(㎡-s)], mis on ultrahelidetektorite jaoks ideaalsem akustilise takistuse ühendusmaterjal. Ultraheli generaatorites ja detektorites kasutatava piesoelektrilise keraamika akustiline takistus on 1.5 × 107 kg/(㎡-s), õhu akustiline takistus on aga vaid 400 kg/(㎡-s). 1/4 lainepikkuse paksuse ja umbes 0.3 g/cm³ tihedusega räni aerogeeli kasutamine piesoelektrilise keraamika ja õhu vahelise akustilise takistuse sidestusmaterjalina võib suurendada heli intensiivsust 30 dB võrra, parandada akustiliste lainete ülekandetõhusust ja vähendada signaali-müra suhet seadme rakendustes.

(6) Filtreerimise jõudlus. Nanostruktureeritud aerogeele saab kasutada ka uut tüüpi ülitõhusa gaasifiltreerimismaterjalina. Oma erakordselt suure eripinna tõttu nimetavad teadlased aerogeele "superkäsnadeks" ja need sobivad ideaalselt vees saasteainete adsorbeerimiseks, plii ja elavhõbeda veest välja imemiseks, muutes need suurepäraseks materjaliks ökoloogiliste katastroofide korral.

(7) Optilised omadused. Puhas SiO₂ aerogeel on läbipaistev ja värvitu ning selle murdumisnäitaja (1.006–1.06) on õhu omale väga lähedane, mis tähendab, et SiO₂ aerogeelil pole langeva valguse peegelduskadu peaaegu üldse ja see suudab tõhusalt päikesevalgust edastada. Seetõttu saab seda kasutada isolatsiooni- ja mürasummutusklaaside valmistamiseks.

Lisateabe saamiseks või tehnilise andmelehe ja materjali ohutuskaardi saamiseks võtke meiega ühendust e-posti teel: [email protected] või helistage numbril +86-28-8411-1861.

Mõned pildid ja tekstid on reprodutseeritud Internetist ning autoriõigused kuuluvad algsele autorile. Rikkumise korral võtke meiega kustutamiseks ühendust.