Table of Contents

הבא: עלייתו של Aerogels כ-Insulators מתקדם

Aerogels מייצג את אחד ההישגים הבולטים ביותר במדעי החומרים - סולמות כי הם עד 99.8% אוויר, עדיין מסוגל עם ⁇ טמפרטורה קיצונית. הראשון מסונתז בשנת 1931 על ידי סמואל קסלר באמצעות תהליך יבשה סופר קריטי, קצף פתוח אלה התפתחו מתחנות עצירה מעבדה לתוך חומרים בידוד מעשי עבור סביבות תובעניות שלהם.

הבנת הממשק בין התכונות התרמיות והמכניות של האירוגליקס חיונית למהנדסים ולמציינים הזקוקים ל בידוד המבוצעת באופן אמין בתנאים בעולם האמיתי. בעוד שאירוגליטים מצטיינים בהפחתת העברת חום, הפרגמנטיות הטבוע שלהם יש אימוץ מוגבל מבחינה היסטורית. מאמר זה חוקר את העקרונות הפיזיים מאחורי ביצועי הגל, את האתגרים שמציבים בהתנהגותם המכנית, ואת החומרים שמביאים לגלולים לזרם המרכזי.

המדע שמאחורי מבנה Aerogel

Sol-Gel Synthesis וטכניקות יבשה

כל האירוגליים מתחילים כג'ל רטוב שנוצר על ידי תגובה sol-gel.עבור הסוג הנפוץ ביותר - סרגליקה - pre ⁇ s כגון tetraethyl orthosilicate (TEOS) או sodium silicate לעבור הידרוליזה ו condensation כדי ליצור רשת תלת מימדית של חלקיקים אחליקה מוקף על ידי LT קריטית הוא הסרת ללא קריסה, 000 לחץ דם מסורתי, 000 לחץ דם קשה על ידי לחץ דם יבשה הוא לחץ דם קשה, הוא לחץ דם קשה יותר, 000 לחץ דם חזק יותר, והוא משמש לחץ דם קשה על ידי נוזל על ידי נוזל לחץ דם יבשה קריטית, 000.

יותר התקדמות כוללת את קירות ה-FLT:0 (מדכאים) יבשים של ייבוש (FLT) 1:1, שבו שינויים על פני השטח הכימיים להפוך את קירות ה-FLT ולהפחית את הלחץ, הורדת עלויות הייצור תוך שמירה על ביצועים טובים ב בידוד.הגל וכתוצאה מכך יש נקבוביות טיפוסית של 85-99.8%, עם גדלים פואר בטווח של 5–100 ננומטר, יצירת מעבדה של חום מלא.

מגוון של Aerogel Chemistries

(ה) בעוד שגיאליקה איירגלס שולט בשוק, כימאים אחרים מרחיבים את המעטפה של הנכס.FLT:0Carbon aerogelsFLT:1, המיוצר מג'לים מחדש של גלקסיות מוחזרות באטמוספירה אינרציה, מציעים מוליכות חשמלית ויציבות תרמית גבוהה מאוד, מה שהופך אותם מתאימים לאלקטרודות וזרחסין:2 מ"חמי חמצן נמוך (Falicericericial) עם גמישות חשמלית (Falulation) עם דחיסה מגנטית חום מינימלית:

תכונות בידוד של Aerogels

מכניזם של Ultra-Low Thermal Conductivity

הביצוע התרמי המדהים של האירוגליס נובע מהדיכוי של כל שלושת מצבי העברת חום: התנהגות, הדבקה וקרינה.ב מוצקים טיפוסיים, תנודות ליטיצ'ים (פוני) לנהל חום ביעילות, אבל רשת הנקבוביות הטורפת, הננומטרית של קוטרציה סטנדרטית של גז מפוזר באופן דרמטי יותר מאשר מפונקציה גזית (Fre) עם מולקולות סטנדרטיות יותר ממטר (Fernolact) של גז מעצימות יותר ממטרהות) מפונקציה נמוכה יותר מאשר מפונקציה נמוכה יותר מאשר מפונקציה של גז מפונקציה נמוכה יותר מאשר פתורה של גז מפונקציה נמוכה יותר מאשר מפונקציה (Fernolfed) מפולגת באופן דרמטי יותר מאשר פתורהמת (Fre) מפונקציה של גז מפונקציה של גז מפונקציה נמוכה יותר מאשר מפונקציה (מאט) מפונקציה נמוכה יותר מאשר מפונקציה סטנדרטית גז מפונקציה של גז מפונקציה של גז מפונקציה (מפולטיבית) מפונקציה של גז מפונקציה של גז מפונקציה נמוכה יותר מאשר

הדבקה כמעט בוטלה כי הנקבוביות קטנות מדי כדי לתמוך בזרימת גז גדולה.העברה חום רדיטיבית מטופלת על ידי הוספת מקטורים כגון פחמן שחור, טיטניום דו חמצני, או תחמוצת ברזל, אשר מתפזרת קרינה אינפרא אדום.מפלקסים מתקדמים יכולים להשיג לוחות מוליכות תרמיים כמו 0.012 m-1 בתנאים מורכבים, מעל הביצועים של חומרים קונבנציונליים כמו 0.0.0.0.

השוואה עם חומרים אינסטלציה מסורתיים

כדי לשים את המספרים האלה לפרספקטיבה: שמיכה של 1- ס"מ של אקרגל יכול לספק את אותה התנגדות תרמית (R-value) כ 5 ס"מ של קצף פוליאורטן או 10 ס"מ של סיבים. עובי זה הוא בעל ערך במיוחד שבו החלל הוא מוגבל - כגון בבניית מעטפות רטרוfits, צינורות תעשייתיים אינסטלציה, או מכשירי יעילות גבוהה.

(FLT:0) ביצועים תרמיים מרשימים במתקני אמת תלויים בהנדסה זהירה.Felo 1:001 שמיכות ומועצות האוויר חייב להיות חתומה נגד חדירה אווירית, ואת שבריריות החומר במהלך הטיפול דורש הליכי התקנה מיוחדים.למרות, מחקרים שדה מוכיחים באופן עקבי חיסכון באנרגיה של 15-30% כאשר גל בידוד מחליף חומרים מסורתיים בתוך המעטפות.

תכונות מכניות ומגבלותיהם

התנהגות בלתי פוסקת ושחיתות

התכונה מאוד שהופכת את aerogels superlative insulators - את הנפיחות הגבוהה ביותר שלהם - גם הופך אותם חלש מכנית. Silica aerogels, במיוחד, יש כוח תשואה דחיסה של רק 0.1-1 MPa ושבר ב זנים נמוכים (<0.1%) הרשת המוצקה מורכבת מ stspyruts (נקרא צוואר) המחבר חלקיקים, תחת צוואר בקלות; תחת דחיסות; בסופו של דבר דחיסות;

(ב) [ה]] [הטבע] של האווירגליל (Aerogelscioph: 1] [ה] מגביל אותם היסטורית ליישומים נייחים שבהם הם אינם נתונים לריטט, השפעה או עקפים. אפילו אופניים תרמיים יכולים להציג מיקרו-קליפים שמפשרים ביצועים ארוכי טווח. Efforts כדי לכמת את קשיחות השבר באמצעות מתח קומפקטי ובדיקות לא מכופותחסין חשפו גורמי לחץ קריטיים (KFLT2c1: 4.

לחץ, Tension, ו- Flexural Response

כאשר טעון בדחיסה, aerogels להציג שלושה משטרים נפרדים.בהתחלה, התנהגות גמישה שולטת כמו סטיות deform reversibly, עם מודולולי של יאנג בדרך כלל בין 1 ל -100 MPa. מעבר לנקודת התשואה, המבנה מתחיל לקריסה ללא עוררין, מחלחל עד המעבר החומרי לתגובת קצף חזקה יותר, כמו Tensile הוא כמעט כוח של יכולת מעצימה נמוכה יותר מאשר דחיסה.

נוקשות Flexural היא נמוכה באופן מפתיע - 2 סעודת סגלגלי אירובי יכול להיות כפוף רק כמה מעלות לפני fracturing.זה הוביל את הפיתוח של FLT:0fiber-reinforced aerogels מורכב aerogelreasFLT:1, אפילו לא שם a fibrous (glass, פחמן, או סיבים) הוא ממוסמס עם סיביר, אשר יכול להיות מכווץ באופן דרמטי, 000, 000, 000 זה יכול להיות מכווץ את הפחתת חומרים אלה, 000.

אסטרטגיות של חיזוק: Composites ו- Cross-linking

כמה גישות לשפר את החוסן המכאני של האירוגליים תוך שמירה על התכונות התרמיות שלהם. ההיברידיות המכניות של ארגימנט 1 (FLT:1) כרוכה בשרשרת פולימרים מחוספסת על רשת הסיליקה (למשל, עם ocian או epoxides-of-linked agels) אשר כוללת גם את ה-Fureal-Fird-Fir-Fircreligeric, כולל קיבולת מורכבת מ-Fureer-Feric, כולל , כולל קיבולת מורכבת מ-Fercer-Fureer-Fer-Fer-Fer-Fercercercer-Fureercercercercercercern-Fern-Fer-Fern-Fern-Fureergergerligerligerligerligerligercated, כולל , כולל , 000-Fureerligern-Ferlig) אשר כוללת , כולל LT-Fureerligerligerligerliger

נתיב נוסף הוא <חזק>fiber חיזוק, אשר כבר מסחרי בצורת שמיכה אווירול.לא-זרוחות שנעשו מזכוכית, קרמיקה, או סיבי פחמן לספק יושרה רבילית ודחוסה.שמיכות אלה לשמור על מוליכות תרמית נמוכה של אווירוגלי טהור (לעתים קרובות <0.20 W-1K-1) תוך גמישות מספיק עבור צינורות ומבנה.

יישומים מרכזיים ב Insulation

בנייה ובניה

דחיפה של מגזר הבנייה לעבר מבנים אנרגיה אפסית נטו יצרה ביקוש חזק עבור בידוד רזה, ביצועים גבוהים. Aerogels משמשים בטיח פנים, לוחות קלים, חומרים ממריצים להפחתת חומרים עבור אור יום.

יצרנים כגון אספן Aerogels, Cabot Corporation, ו BASF מציעים כעת לוחות בידוד אווירוגל עם חזיתות משולבות עבור אבני בניין.התנגדות אש היא חיובית: אחליק aerogels הם לא בלתי ניתן לשימוש ויכולים לעמוד בטמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס, אם כי כובלים אורגניים או חיזוקים פולימרים עשויים להוריד את הסף הזה.

חלל ואוויר

(FLT:0)NASA כבר חלוצית ביישומים של ארוגליל (FLT) 1:1, באמצעות אריקה aerogels כמו בידוד על מאדים חקר Rovers ואספן החלקיקים של המשימה של סטארק.הטמפרטורות הקיצוניות של החלל - מ- -100 מעלות צלזיוס בצל ל +120 מעלות צלזיוס באור שמש ישיר - מנוהלות ביעילות על ידי שמיכה אווירית משקל של שבריר של קונבנציונאליות בחליפות, או תקנים אלה, הם מקיפים, או מקיפים, או מקיפים, או תקנים בטיחותיים, או מקיפים, הם מקיפים, או תחליפיים, או תחליפיים, או תקנים, הם תחליפיים, הם תחליפיים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000.

בניהול תרמי לווייני, אקרגל מורכב להגן על אלקטרוניקה רגישה מפני תנודות טמפרטורה מסלול תוך הוספת מסה מינימלית. חקירות אחרונות על כיסויי אירובי גמישים עבור אנטנה חלליות ומערך סולארי להראות הבטחה עבור הדור הבא מערכות בקרה תרמיות קלות.

נפט וגז

בהגדרות תעשייתיות, בידוד צינורות קיטור, תהליכי שמן חמים, ונוזלים Cryogenic הוא שוק גדול. שמיכות Aerogel ניתן לחתוך כדי להתאים גיאוגרפיות מורכבות ולספק ביצועים עקביים של בידוד מ −200 מעלות צלזיוס ל +650 ° C (בהתאם חומר הכבל) בהשוואה למינרלי סידן או צמר, aerogels להפחית את האובדן על ידי 30–5, לתרגם לחיסכון משמעותי של החיים.

עבור צינורות שמן תת ים גז, בידוד אווירוגל מונע היווצרות יבשה ו paraffin deposition תוך התנגדות ללחץ הידרוסטטי. , תרכובות אירוביות גמישות הם לעתים קרובות העדיפו על פני מערכות קצף קשיחות כי הם להכיל התרחבות צינורות רכיבה תרמי ללא סדקים.FLT:0Aerogel Technologiesph 1 מציע ניסוחים מותאם אישית עבור סביבות תעשייתיות קיצוניות.

בגדים וטקסטיל

בדים המבוססים על Aerogel נכנסים לשווקים בחוץ ועבודות, מספקים הגנה תרמית גבוהה ללא רוב של מטה או מילוי סינתטי. Jackets, שקיות שינה ובטיחות עבור עובדים בסגנון קר משלבים שכבות גל דק כי מלכודות חום אפילו כאשר רטוב. downside הוא נשימות מוגבלת, אשר יכול להוביל לחות - על פני מחקרים מתקדמים שואפת לאזן במזל עם vapor.

הגבלות נוכחיות ומחקר מתמשך

עלויות הייצור ו-Salability

תהליך הייבוש העל-ביקורתי נשאר יקר, תורם לעלויות בידוד של 1–5 דולר רגל הסיפון (0.092 מ'3), כמה פעמים גבוה יותר מאשר קצף מסורתי. תהליכי ייצור יבשים ומתמשכים הם מורידים מחירים, אבל אימוץ נרחב ידרוש הפחתה נוספת של עלויות.

התנהגות ממושכת וארוכת טווח

אירוביים רגישים לאבק כאשר הם מגרדים ויכולים לאבד ביצועים מתבודדים אם סדקים מלאים אבק. חשיפה לטווח ארוך לחות - במיוחד בסביבה חיצונית - יכול לגרום לנפיחות הדרגתית בתוך pores, עלייה בהתנהגות תרמית. טיפולים על פני השטח עם ציפוי הידרופובי מבוסס סילאן מקטין את זה, אבל עמידות על פני עשרות שנים של שירות עדיין מוערך.

שיקולים סביבתיים ובריאות

רוב האירוגליקים מיוצרים מ-Samlica, חומר גלם שופע וסביבתי שופע.תהליך הגלול sol-gel משתמש באלכוהול וזרזים שניתן למחזר או לחדור. CO2 Super Critical הוא בעל חיים רב יותר מאשר באמצעות פתרונות אורגניים להתייבשה.עם זאת, ייצור של גלי פחמן לעתים קרובות כרוך בדלקת ריאות גבוהה, אשר יש לו סימולציה גבוהה יותר של חומרים מסוכנים אחרים.

כיוונים עתידיים וחדשנות

אתר אינטרנט Multi-Layer Aerogels

חוקרים מעצבים את aerogels עם צפיפות גבוהה - שכבות חיצוניות של קשיחות מכנית ואת הליבה ⁇ מאוד עבור בידוד. אדריכלות "מדורגת בצורה תפקודית" לחקות חומרים טבעיים ויכול להוביל לוחות שניתן ללכת או למקדח באמצעות ללא כישלון.בנוסף בפיתוח הם חומר שינוי אווירל-phase (PCM) המשלב בידוד עם אחסון אנרגיה תרמית, ייצוב על ידי טמפרטורות מקורה וקליט מאוחר.

Transud Aerogels for Daylighting

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

גמישים וחתימים של Aerogels

באמצעות מבשרי פולימרים או cross-linkers, מדענים יצרו aerogels כי ניתן להיות כפוף, מעוות, ואפילו מתוח על ידי כמה אחוזים. אלה aerogels גמישים הם אידיאלי עבור יישומים "aerogel", שבו החומר הוא תפירה לתוך בגד או בשימוש כמו מלמברנה נשימה. לדוגמה, פולימדן aerogel עם ⁇ 5longs לפני ש- 01.

מזון בר קיימא וייצור ירוק

(הדברים) לייצר אווירוגליים מחומרים המבוססים על ביולוגית – כגון ננוקריסטלים של תאוזוז, לignin, chitosan, או אורז husk ash - הם מאיצים.אלה "ירוקים גרעיניים" הם biodegradable וניתן להסוות בטמפרטורות נמוכות יותר, צמצום צריכת האנרגיה כיום אין להם יציבות תרמית של חומרים לאורגניים הם תחרותיות עבור אריזות גבוהות יותר.

מסקנה

Aerogels לתפוס עמדה ייחודית בנוף בידוד: הם מציעים את מוליכות תרמית הנמוכה ביותר של כל חומר מוצק ידוע, אבל שבריריות מכנית שלהם מוגבל להם נישה יישומים.עם התקדמות בעיצוב, כימיה חוצה קישור, וקנה מידה הייצור - כי סחר-off הוא צרינג.היום, סיבים-reinforced aerogels כבר עלות-competive ביצועים גבוהים, צינורות תעשייתיים, יכול להביא את הסביבה חכמה, גמישה, 000.

עבור מפרטים ומהנדסים, המפתח הוא להתאים את התכונות של Aerogel לדרישות היישום: אם עומסים דחוסים נמצאים, מורכב חזק הוא חובה; אם שקיפות אופטית נדרשת, אח טהור עם יבשה זהירה זהירה זהה הבחירה היחידה. כמו עלויות ייצור להמשיך לרדת ועמידה מוכחת מעל עשרות שנים של שירות, aerogels הם פודים להיות כלי סטנדרטי נגד אנרגיה, אבל אנחנו מציעים כוח תמיד קרב עם כוח "לא מגיע עם כוח" אבל זה כבר לא זמין עם כוח.