Што такое аэрогель?

Нараджэнне аэрогеля

У 1931 годзе Кістлер аддзяліў вадкасць ад цвёрдага рэчыва з дапамогай спіртавой звышкрытычнай сушкі і не дапусціў скарачэння і калапсу структуры газу, у выніку чаго ў свеце з'явіўся аэрагель.

Вызначэнне аэрогеля
Аэрагель - гэта лёгкі нанапоры аморфны цвёрды матэрыял з нанаметровымі мікрачасціцамі, агрэгаванымі адна з адной, утвараючы нанаметровую кіпрую сеткавую структуру і напоўнены вялікай колькасцю газападобных дысперсійных асяроддзяў у каркасе сеткі.

Аэрагелі - гэта не толькі функцыянальны матэрыял, але і новы стан рэчыва. Стан аэрагеля прынцыпова адрозніваецца ад іншых станаў рэчыва многімі ўласцівасцямі. Ён мае фіксаваны памер і форму, як цвёрдае рэчыва, але яго ўяўная шчыльнасць можа складаць ад максімум 1 г/см³ да 0.001 г/см³ (ніжэй, чым шчыльнасць паветра); у той жа час ён мае падобную на губку кіпрую структуру з многімі ўласцівасцямі мікраскапічнымі (нанамаштабны шкілет), макраскапічнымі (кандэнсаванае рэчыва) і мезаскапічнымі (шматузроўневая і фрактальная структура) характарыстыкамі, дзякуючы чаму аэрагелі валодаюць многімі унікальнымі ўласцівасцямі. Ён дэманструе вельмі нізкую цеплаправоднасць, вельмі нізкі модуль пругкасці, вельмі нізкую хуткасць фанонаў, вельмі нізкі паказчык праламлення, нізкую дыэлектрычную пранікальнасць, вельмі нізкую хуткасць гуку, высокую ўдзельную паверхню, вельмі шырокае размеркаванне шчыльнасці і паказчыка праламлення і г.д.

Класіфікацыя аэрагеляў
Існуе шырокі спектр аэрагеляў, які ахоплівае практычна ўсе матэрыяльныя сістэмы. Як правіла, у адпаведнасці з хімічным складам іх можна падзяліць на арганічныя аэрагелі, неарганічныя аэрагелі і кампазітныя аэрагелі і г. д. Аэрагелі таксама можна класіфікаваць на крэмній, вуглярод, серу, аксід металу і металічныя сістэмы ў адпаведнасці з іх асноўнымі кампанентамі.

Статус і роля аэрагеляў
Навукоўцы кажуць, што аэрагелі зменяць свет.

У 10-м выпуску амерыканскага часопіса Science аэрагель увайшоў у лік 250 самых папулярных праблем навукі і тэхнікі. 20 жніўня 2007 г. The Times паведаміла, што аэрагель з'яўляецца самым лёгкім у свеце цвёрдым рэчывам, які можа вытрымаць выбуховую моц 1 кг дынаміту і не дапусціць ўздзеяння цяпла паяльнай лямпы пры тэмпературы вышэй за 1300°C. Навукоўцы даследуюць магчымасць выкарыстання аэрагеля ва ўсім: ад суперізаляваных скафандраў да суперкандэнсатараў і каталізатараў да наступнага пакалення тэнісных ракетак. Аэрагель абяцае канкурыраваць з пакаленнямі легендарных матэрыялаў, такіх як фенольная смала 1930-х гадоў, вугляроднае валакно 1980-х гадоў і сілікон 1990-х гадоў.

Аэрогель некалькі разоў заносіўся ў Кнігу рэкордаў Гінеса як самае лёгкае цвёрдае рэчыва ў свеце. Аэрагель таксама мае вельмі нізкую цеплаправоднасць і каэфіцыент праламлення і ў 39 разоў больш ізаляцыйны, чым найлепшыя шкляныя валакна. Аэрагель выкарыстоўваўся для цеплаізаляцыі расійскай касмічнай станцыі "Мір" і марсахода Mars Pathfinder ЗША і ўжо адыграў важную ролю ў аэракасмічнай прамысловасці.

Гісторыя распрацоўкі аэрогеля
У 1931 годзе Кістлер у Стэнфардскім універсітэце ЗША ўпершыню падрыхтаваў аэрагелі.
У 1985 годзе Інстытутам фізікі Вюрцбургскага ўніверсітэта, Германія, быў арганізаваны першы сімпозіум па аэрагелях, вядомы як ISA.
1993, аэрагелі выкарыстоўваюцца для ізаляцыі скафандраў, касмічных караблёў і шатлаў.
У 2002 годзе для распрацоўкі і вытворчасці аэрагеляў была створана кампанія NASA Aspen Aerogel.
2004 г., даследаванні аэрагеля, праведзеныя айчыннымі кітайскімі навукова-даследчымі інстытутамі.
У 2006 годзе айчынныя кампаніі па вытворчасці аэрагеляў у Кітаі пачалі распрацоўку аэрагеляў.
2017, апублікаваны Кітай, GB/T 34336-201, кампазітныя ізаляцыйныя вырабы з непарыстага аэрогеля
У 2021 годзе Дзяржаўны савет выдаў «План дзеянняў па дасягненні піка вугляроду да 2023 года» аб паскарэнні даследаванняў і распрацовак вугляроднага валакна, аэрагеля, спецыяльнай сталі і іншых асноўных матэрыялаў.

Асноўныя ўласцівасці аэрагеляў
(1) Звышлёгкі. Аэрагель з'яўляецца найменш шчыльным цвёрдым рэчывам у свеце, яго мінімальная шчыльнасць складае адну шостую масы паветра. Дыяпазон змены шчыльнасці звычайна складае 0.001~1 г/см³.

(2) Высокая сітаватасць і высокая ўдзельная плошча паверхні. Сітаватасць складае 80%~99.9%, удзельная плошча паверхні складае 200~1000 м2/г, а тыповы памер пор складае 1~100 нм.

(3) Супер цеплаізаляцыя. Тонкая структура нанасеткі аэрагеля эфектыўна абмяжоўвае распаўсюджванне лакальнага цеплавога ўзбуджэння, а яго цвёрдацельная цеплаправоднасць на 2-3 парадку ніжэй, чым у адпаведнага шклопадобнага матэрыялу.

Прынцып аэрогелевой цеплаізаляцыі
Зніжэнне цеплааддачы: Бясконцая колькасць наначасціц у аэрагелі ўтварае сеткаваты шкілет, і цяпло можа цячы толькі ўздоўж бясконцай колькасці наначасціц. Цеплавы паток можа ісці толькі ўздоўж бясконцай колькасці наначасціц, што прыводзіць да амаль бясконцага шляху цеплаперадачы ў цвёрдым целе. Цеплаабмен у цвёрдым целе зніжаецца да мінімальна магчымага ўзроўню.

Інгібіраванне цеплавой канвекцыі : сярэдні памер пор аэрогеляў складае 20-40 нм, што менш за сярэдні памер свабоднага прабегу малекул газу ў 69 нм, і малекулы газу ў порах губляюць здольнасць свабодна рухацца, што робіць канвекцыю практычна немагчымай.

Зніжэнне цеплавога выпраменьвання : сценкі пор, утвораныя наначасціцамі ў аэрогелях, з'яўляюцца інфрачырвонымі экранамі, і бясконцая колькасць экранаў значна зніжае цеплавое выпраменьванне.

(4) Каталіз. Невялікі памер часціц, высокая ўдзельная плошча паверхні і нізкая шчыльнасць аэрагеля робяць актыўнасць і селектыўнасць аэрагелевых каталізатараў значна вышэйшымі, чым у звычайных каталізатараў, і актыўныя кампаненты могуць быць вельмі раўнамерна дыспергаваныя ў носьбіце, і ён таксама мае выдатную тэрмічную стабільнасць, што можа эфектыўна паменшыць узнікненне пабочных рэакцый.

(5) Гукаізаляцыя. Уласцівасці аэрагеляў з нізкай хуткасцю гуку робяць іх ідэальным матэрыялам для акустычнай затрымкі або гукаізаляцыі пры высокіх тэмпературах. Пераменны дыяпазон акустычнага супраціўлення аэрагеля вялікі [103 ~ 107 кг/(㎡-с)], што з'яўляецца больш ідэальным сувязным матэрыялам акустычнага супраціву для ультрагукавых дэтэктараў. Акустычнае супраціўленне п'езаэлектрычнай керамікі, якая выкарыстоўваецца для ультрагукавых генератараў і дэтэктараў, складае 1.5×107 кг/(㎡-с), у той час як акустычнае супраціўленне паветра складае ўсяго 400 кг/(㎡-с). Выкарыстанне крамянёвага аэрагеля з таўшчынёй 1/4 даўжыні хвалі і шчыльнасцю каля 0.3 г/см³ у якасці матэрыялу для акустычнага супраціву паміж п'езаэлектрычнай керамікай і паветрам можа павялічыць інтэнсіўнасць гуку на 30 дБ, палепшыць эфектыўнасць перадачы акустычных хваль і паменшыць суадносіны сігнал/шум у прыладах.

(6) Прадукцыйнасць фільтрацыі. Нанаструктураваныя аэрагелі таксама могуць быць выкарыстаны ў якасці новага тыпу высокаэфектыўнага газафільтрацыйнага матэрыялу. З-за сваёй выключна вялікай удзельнай паверхні аэрагелі называюць навукоўцамі «супергубкамі» і ідэальна падыходзяць для адсорбцыі забруджвальных рэчываў у вадзе, высмоктвання з вады свінцу і ртуці, што робіць іх выдатным матэрыялам для барацьбы з экалагічнымі катастрофамі.

(7) Аптычныя ўласцівасці. Чысты аэрагель SiO₂ з'яўляецца празрыстым і бясколерным, а яго паказчык праламлення (1.006~1.06) вельмі блізкі да паказчыка праламлення паветра, што азначае, што аэрагель SiO₂ амаль не страчвае адлюстраванне ад падаючага святла і можа эфектыўна прапускаць сонечнае святло. Такім чынам, з яго можна вырабляць ізаляцыйныя і шумаізаляцыйныя шкла.

Каб атрымаць больш інфармацыі або тэхнічны лісток і ліст бяспекі матэрыялу, звяжыцеся з намі па электроннай пошце: [email protected] або па тэлефоне: +86-28-8411-1861.

Некаторыя выявы і тэксты ўзяты з Інтэрнэту, і аўтарскія правы належаць першапачатковаму аўтару. Калі ёсць якія-небудзь парушэнні, калі ласка, звяжыцеся з намі, каб выдаліць.