Airgel és un material sòlid nanoporós típic amb una porositat superior a 8 0% i una densitat tan baixa com 0,003 g/cm³. És conegut com el representant de la "Revolució lleugera" per les seves característiques extremadament lleugeres. En comparació amb materials tradicionals com els plàstics d’escuma i la llana mineral, Airgel té avantatges significatius en l’aïllament tèrmic, l’aïllament del so i el control del pes. No obstant això, els aerogels tradicionals tenen colls d'ampolla com ara una gran incidència, un fàcil col·lapse a temperatures elevades i una baixa resistència mecànica. En els darrers anys, mitjançant el disseny estructural i els compostos de materials multifase, la nova generació d’aerogels ha aconseguit avenços en l’estabilitat tèrmica, les propietats mecàniques i l’adaptabilitat de l’aplicació, promovent -la des del laboratori fins a una àmplia gamma d’aplicacions d’enginyeria.
Contingut
1. Avantatges bàsics: base científica per a avenços del rendiment
1.1 Innovació del rendiment mecànic: de Brittleness a Elasticity
1.2 Rendiment d’aïllament tèrmic en entorns extrems
1.3 La integració multifuncional amplia els límits de l'aplicació
2. AUTENCIALITZACIÓ DE LA INDUSTRIALITZACIÓ: reducció de costos i producció a gran escala
2.1 Process Innovation Drives Reducció de costos
2.2 Disseny col·laboratiu de la cadena industrial
3. Escenaris de sol·licitud i tendències futures
4. Conclusió: redefineix els límits dels materials
1. Avantatges bàsics: base científica per a avenços del rendiment
1.1 Innovació del rendiment mecànic: de Brittleness a Elasticity
En els darrers anys, els aerogels han fet innovacions importants en les propietats mecàniques, passant amb èxit les limitacions dels materials tradicionals "lleugers i trencadissos". El grup de recerca de Wang Hongjie a la Universitat de Xi'an Jiaotong va introduir nanowires sic per construir una estructura de porus multi-nivell anisotròpica, que va fer que el material tingués una rigidesa més elevada en la direcció axial (va millorar significativament un mòdul específic) i va mostrar una excel·lent elasticitat compressiva en la direcció radial. L’equip de l’Institut Harbin de Tecnologia va utilitzar la tecnologia d’inducció de camp elèctric per organitzar nanofibres de manera ordenada per formar una xarxa elàstica tridimensional regular, resolent eficaçment el problema de fragilitat mecànica causada per porus aleatoris en el passat. Amb el suport de l’optimització estructural, la nova generació d’aerogels pot suportar més del 50% de deformació de compressió i aconseguir un bon rebot i tenir la capacitat d’operar de manera estable en entorns de vibració mecànics complexos.
En termes de rendiment tèrmic, la capacitat d’aïllament tèrmic dels aerogels també s’ha millorat sistemàticament. Construint una estructura de resistència tèrmica a diversos nivells, els seus nanopores bloquegen efectivament la convecció de calor, mentre que l’esquelet sòlid redueix significativament la conducció de calor, fent que la conductivitat tèrmica sigui tan baixa com 0. 0 16–0.027 w/(m · k). Els nous materials representats per Airgel de carbur de silici encara poden mantenir l'estabilitat estructural en un ampli rang de temperatura de -200 grau fins a 1100 graus, mostrant una excel·lent estabilitat tèrmica i resistència al temps. Actualment, aquest tipus de material s’ha utilitzat en capes d’aïllament de les naus espacials per resistir el xoc d’alta temperatura durant la reentrada atmosfèrica, i també s’utilitza en fulls d’aïllament a la bateria de liti per suprimir la propagació de la fugida tèrmica, proporcionant protecció clau per a l’emmagatzematge d’energia segura.
1.3 La integració multifuncional amplia els límits de l'aplicació
A més, els aerogels continuen ampliant els límits de l’aplicació en termes d’integració multifuncional. La seva excel·lent estabilitat química la fa àmpliament utilitzada en projectes d’aïllament tèrmic en entorns corrosius, com ara canonades químiques; El disseny de l'estructura de fibra ordenada millora les capacitats de dispersió i absorció de les ones sonores, cosa que la fa adequada per a materials de reducció de soroll en la construcció i el trànsit ferroviari; Més investigacions d’avantguarda, com el Carbon Spring Airgel desenvolupat per la Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina, té una dinàmica capacitats d’absorció d’ones electromagnètiques, aconseguint la doble integració de la protecció tèrmica i el rendiment furtiu, promovent encara més l’evolució dels aerogels cap a materials respostes intel·ligents.
2. AUTENCIALITZACIÓ DE LA INDUSTRIALITZACIÓ: reducció de costos i producció a gran escala
2.1 Process Innovation Drives Reducció de costos
La clau per accelerar la industrialització dels aerogels rau en la reducció contínua dels costos de fabricació i la maduresa de la tecnologia de producció a gran escala. Primer, a nivell de procés, la tradicional tecnologia d’assecat supercrític que es basa en un alt cost i un consum elevat d’energia pot obtenir productes d’alta puresa, però limita la promoció de la industrialització. En els darrers anys, els avenços en la tecnologia d’assecat a pressió atmosfèrica han millorat significativament l’eficiència de la preparació i tenen un potencial d’escala més forta. Al mateix temps, les matèries primeres també estan canviant cap a baixos costos. Els aerogels basats en bio (com la cel·lulosa bacteriana) substitueixen gradualment algunes matèries primeres tradicionals de preu elevat, que no només poden reduir costos i augmentar l'eficiència, sinó que també tenen una bona sostenibilitat, posant els fonaments per a la fabricació verda.
2.2 Disseny col·laboratiu de la cadena industrial
En segon lloc, el disseny col·laboratiu de la cadena de la indústria d’Airgel està promovent la millora de l’eficiència i l’economia global de la producció. D’una banda, mitjançant la construcció d’una cadena industrial tancada, els fabricants de matèries primeres de Silà i les empreses de preparació d’Airgel estan vinculades aigües amunt i aigües avall, reduint significativament les pèrdues i els costos en els enllaços de transport de matèries primeres i enllaços de processament intermedi; D'altra banda, l'efecte de producció d'escala ha sorgit gradualment i la capacitat de producció anual de més de 100, 000 metres cúbics s'està convertint en l'estàndard de la indústria. Tot i diluir els costos fixos, redueix efectivament el preu del producte d’unitat, proporcionant la viabilitat econòmica per a l’aplicació generalitzada d’aerogels en la construcció, l’energia, l’aeroespacial i altres camps.
3. Escenaris de sol·licitud i tendències futures
Airgel està aconseguint avenços de les aplicacions en diverses àrees clau a causa del seu excel·lent aïllament tèrmic, retardant de la flama i propietats lleugeres. En el camp de la nova energia, Airgel s’utilitza àmpliament en les pastilles d’aïllament tèrmic a prova de foc i tèrmiques per a les bateries d’energia, inhibint eficaçment la propagació de la fugida tèrmica, alhora que redueix el pes en més d’un 30%, cosa que ajuda a millorar l’eficiència energètica global dels vehicles elèctrics. Pel que fa a la conservació de l’energia de l’edifici, els panells a prova de foc d’Airgel Classe A i els recobriments d’aïllament tèrmic proporcionen millors solucions d’aïllament per a espais urbans d’alta densitat amb les seves característiques ultra-fines. En el camp de l’aeroespacial, la seva aplicació en capes de protecció tèrmica de les naus espacials i components d’aïllament tèrmic satèl·lit ha demostrat un rendiment estructural estable a llarg termini en ambients extrems i baixos de temperatura i s’ha convertit en un dels candidats bàsics per a materials de control tèrmic.
Mirant cap al futur, el desenvolupament d’Airgel continuarà avançant en la direcció del cost verd, intel·ligent i de baix cost. D'una banda, Airgel basat en bio s'està convertint en un punt de recerca i desenvolupament. Els nous materials desenvolupats utilitzant recursos renovables com la cel·lulosa i la quitina no només tenen bones propietats d’aïllament tèrmic, sinó que també poden reduir significativament les petjades de carboni i promoure la fabricació sostenible. D'altra banda, la tendència de la intel·ligència està emergint gradualment. En incorporar micro sensors en aerogels, es pot aconseguir un seguiment en temps real de paràmetres clau com la temperatura i la deformació, proporcionant suport de dades per a escenaris d’alta seguretat com l’aviació i l’energia. A més, amb l’optimització contínua de la tecnologia de preparació, el cost d’Airgel està disminuint constantment i s’espera que caigui a menys de RMB 1, 000 per metre cúbic el 2025, que accelerarà encara més la seva popularització i implementació en una àmplia gamma de camps.
4. Conclusió: redefineix els límits dels materials
L’augment de nous aerogels no només representa una iteració de tecnologia material, sinó que també redefineix els límits de rendiment dels materials d’estat sòlid en termes de lleugera, duresa i integració multifuncional. Trenca les barreres de compensació entre la força i la densitat, l’aïllament tèrmic i la flexibilitat dels materials tradicionals i aconsegueix un avenç sirèrgic multidimensional en el rendiment. Com a material clau subjacent per al futur, els Aerogels ajuden a assolir els objectius de neutralitat del carboni per a la construcció d'energia ConserVació, que proporciona protecció d’alta seguretat per als sistemes de bateries i construint una línia de defensa estable en entorns extrems per a l’exploració d’espais profunds. A mesura que el seu procés d’industrialització s’accelera, els Aerogels construiran un pont entre la fabricació verda i les aplicacions d’alt rendiment, liderant la direcció de desenvolupament d’una nova generació de materials funcionals.