V roce 1931 Kistler oddělil kapalinu od pevné látky pomocí alkoholového superkritického sušení a zabránil smršťování a zhroucení struktury plynu, což vedlo ke vzniku aerogelu na světě.
Definice aerogelu
Aerogel je lehký nanoporézní amorfní pevný materiál s mikročásticemi v nanometrovém měřítku, které se vzájemně agregují za vzniku porézní síťové struktury v nanometrovém měřítku a jsou naplněny velkým množstvím plynných disperzních médií v kostře sítě.
Aerogely jsou nejen funkční materiál, ale také nový stav hmoty. Skupenství aerogelu se v mnoha vlastnostech zásadně liší od jiných skupenství hmoty. Má pevnou velikost a tvar jako pevná hmota, přesto se jeho zdánlivá hustota může pohybovat od maximálně 1 g/cm³ do 0.001 g/cm³ (nižší než hustota vzduchu); zároveň má houbovitou porézní strukturu s mnoha vlastnostmi mikroskopickými (kostra nanoměřítku), makroskopickými (kondenzovaná hmota) a mezoskopickými (mnohoúrovňová a fraktální struktura), díky čemuž mají aerogely mnoho jedinečných vlastností. Vykazuje velmi nízkou tepelnou vodivost, velmi nízký modul pružnosti, velmi nízkou fononovou rychlost, velmi nízký index lomu, nízkou dielektrickou konstantu, velmi nízkou rychlost zvuku, vysoký specifický povrch, velmi širokou distribuci hustoty a indexu lomu atd.
Klasifikace aerogelů
Existuje široká škála aerogelů, které pokrývají téměř všechny materiálové systémy. Obecně je lze podle chemického složení rozdělit na organické aerogely, anorganické aerogely a kompozitní aerogely atd. Aerogely lze také rozdělit podle hlavních složek na křemíkové, uhlíkové, sírové, oxidové a kovové systémy.
Stav a role aerogelů
Vědci tvrdí, že aerogely změní svět.
Aerogel byl uveden jako jeden z 10 nejžhavějších vědeckých a technologických problémů ve 250. čísle amerického časopisu Science. Dne 20. srpna 2007 The Times uvedl, že aerogel je nejlehčí pevná látka na světě, která odolá výbušné síle 1 kg dynamitu a udrží vás mimo žár foukačky nad 1300 °C. Vědci zkoumají použití aerogelu ve všem, od super izolovaných skafandrů přes superkondenzátory, katalyzátory až po další generaci tenisových raket. Aerogel slibuje konkurenci generacím legendárních materiálů, jako je fenolová pryskyřice z 1930. let, uhlíková vlákna z 1980. let a silikon z 1990. let.
Aerogel byl několikrát uveden v Guinessově knize rekordů jako nejlehčí pevná látka na světě. Aerogel má také velmi nízkou tepelnou vodivost a index lomu a je 39krát více izolační než nejlepší skleněná vlákna. Aerogel byl použit k tepelné izolaci ruské vesmírné stanice Mir a amerického roveru Mars Pathfinder a již sehrál zásadní roli v leteckém průmyslu.
Historie vývoje aerogelu
V roce 1931 aerogely poprvé připravil Kistler na Stanfordské univerzitě v USA.
V roce 1985 uspořádal Fyzikální ústav na univerzitě ve Würzburgu v Německu první sympozium o aerogelech, známé jako ISA.
1993 se aerogely používají k izolaci skafandrů, kosmických lodí a raketoplánů.
2002, Aspen Aerogel, společnost NASA, byla založena za účelem vývoje a výroby aerogelů.
2004, výzkum aerogelu prováděný domácími čínskými výzkumnými ústavy.
V roce 2006 začaly domácí aerogely v Číně vyvíjet aerogely.
2017, Čína vyhlášena, GB/T 34336-201, neporézní aerogelové kompozitní izolační produkty
V roce 2021 vydala Státní rada „Akční plán pro dosažení vrcholu uhlíku do roku 2023“ o urychlení výzkumu a vývoje uhlíkových vláken, aerogelu, speciální oceli a dalších základních materiálů.
Klíčové vlastnosti aerogelů
(1) Ultralehký. Aerogel je nejméně hustá pevná látka na světě s minimální hustotou jedné šestiny hmotnosti vzduchu. Rozsah kolísání hustoty je obecně 0.001~1g/cm³.
(2) Vysoká poréznost a vysoký specifický povrch. Pórovitost je 80%~99.9%, specifický povrch je 200~1000m2/g a typická velikost pórů je 1~100nm.
(3) Super tepelná izolace. Tenká nanosíťová struktura aerogelu účinně omezuje šíření lokálního tepelného buzení a jeho tepelná vodivost v pevné fázi je o 2~3 řády nižší než u odpovídajícího skelného materiálu.
Princip aerogelové tepelné izolace
Snížený přenos tepla: Nekonečné množství nanočástic v aerogelu tvoří síťovou kostru a teplo může proudit pouze podél nekonečného počtu nanočástic. Tepelný tok může být veden pouze podél nekonečného počtu nanočástic, což má za následek téměř nekonečnou cestu přenosu tepla v pevné látce. Přenos tepla v pevné látce je snížen na nejnižší možnou úroveň.
Inhibice tepelné konvekce : Průměrná velikost pórů aerogelů je 20–40 nm, což je méně než průměrný volný pohyb molekul plynu 69 nm, a molekuly plynu v pórech ztrácejí schopnost volného pohybu, což konvekci činí téměř nemožnou.
Snížené tepelné záření : Stěny pórů tvořené nanočásticemi v aerogelech slouží jako infračervené štíty a nekonečný počet štítů výrazně snižuje tepelné záření.
(4) Katalýza. Malá velikost částic, vysoký specifický povrch a nízká hustota aerogelu činí aktivitu a selektivitu aerogelových katalyzátorů mnohem vyšší než konvenční katalyzátory a aktivní složky mohou být velmi rovnoměrně dispergovány v nosiči a má také vynikající tepelnou stabilitu, která může účinně snížit výskyt vedlejších reakcí.
(5) Zvuková izolace. Vlastnosti aerogelů s nízkou rychlostí zvuku z nich dělají ideální materiál pro akustické zpoždění nebo vysokoteplotní zvukovou izolaci. Variabilní rozsah akustické impedance aerogelu je velký [103 ~ 107 kg/(㎡-s)], což je ideální spojovací materiál pro akustický odpor pro ultrazvukové detektory. Akustický odpor piezoelektrické keramiky používané pro ultrazvukové generátory a detektory je 1.5×107 kg/(㎡-s), zatímco akustický odpor vzduchu je pouze 400 kg/(㎡-s). Použití silikonového aerogelu o tloušťce 1/4 vlnové délky a hustotě asi 0.3 g/cm³ jako spojovacího materiálu pro akustický odpor mezi piezoelektrickou keramikou a vzduchem může zvýšit intenzitu zvuku o 30 dB, zlepšit účinnost přenosu akustických vln a snížit poměr signálu k šumu v aplikacích zařízení.
(6) Filtrační výkon. Nanostrukturované aerogely lze také použít jako nový typ vysoce účinného materiálu pro filtraci plynů. Vzhledem k výjimečně velkému specifickému povrchu jsou aerogely vědci označovány jako „super houby“ a jsou ideální pro adsorpci znečišťujících látek ve vodě, vysávání olova a rtuti z vody, což z nich dělá vynikající materiál pro řešení ekologických katastrof.
(7) Optické vlastnosti. Čistý aerogel SiO₂ je průhledný a bezbarvý a jeho index lomu (1.006~1.06) je velmi blízký indexu lomu vzduchu, což znamená, že aerogel SiO₂ nemá téměř žádné ztráty odrazem dopadajícího světla a může účinně propouštět sluneční světlo. Proto jej lze použít k výrobě izolačních a protihlukových skel.
Více informací nebo technický list a bezpečnostní list materiálu získáte e-mailem na adrese: [email protected] nebo telefonicky na čísle: +86-28-8411-1861.
Některé obrázky a texty jsou reprodukovány z internetu a autorská práva náleží původnímu autorovi. Pokud dojde k nějakému porušení, kontaktujte nás, abychom je odstranili.