En els camps de la construcció, els equips industrials i la protecció personal, els materials d’aïllament tèrmic sempre han tingut un paper clau. Com a nou tipus de nanomaterial que s’ha desenvolupat ràpidament en els darrers anys, Airgel destaca entre moltes tecnologies d’aïllament tèrmic amb la seva conductivitat tèrmica ultra-baixa, una densitat extremadament baixa i una excel·lent estabilitat tèrmica. La seva estructura nanoporosa única no només inhibeix eficaçment la conducció de calor, la convecció i la radiació, sinó que també té una bona adaptabilitat mecànica i un potencial d’integració funcional. Aquest article analitzarà el principi d’aïllament tèrmic d’Airgel i explorarà els seus avantatges i perspectives d’aplicació en sistemes d’aïllament tèrmic moderns.
Contingut
1. Anàlisi científica dels principis d’aïllament tèrmic
3. Reptes i indicacions de millora existents
1. Anàlisi científica dels principis d’aïllament tèrmic
La raó per la qual Airgel té un excel·lent rendiment d’aïllament tèrmic es deu principalment a les seves característiques estructurals úniques i al mecanisme d’inhibició de la transferència de calor. Airgel és un material porós compost per un esquelet sòlid a nanoescala, amb una porositat de 90% –99,8% i una densitat extremadament baixa. Aquesta estructura nanoporosa tridimensional no només redueix molt la ruta de conducció de calor del component sòlid, sinó que també forma una "barrera" per a la transferència de calor a escala microscòpica.
Pel que fa a la conducció de calor, l’esquelet sòlid d’Airgel és extremadament escàs, cosa que redueix significativament la conductivitat tèrmica dins del material. A diferència dels sòlids contínues i denses, la calor a Airgel ha d’evitar un gran nombre de porus, i aquest "camí intermitent" debilita efectivament l'eficiència de la conducció de calor. En segon lloc, la mida dels porus d’Airgel és generalment inferior a les desenes de nanòmetres, que és menor que la ruta lliure mitjana de les molècules d’aire, inhibint així l’aparició de la convecció del gas. Aquest efecte de mida significa que les molècules d'aire no poden formar un flux efectiu en els porus, reduint molt la contribució de la transferència de calor de la convecció del gas.
En termes de radiació, l’estructura d’Airgel pot millorar la seva reflexió o capacitat d’absorció de la radiació tèrmica mitjançant el dopatge amb agents de dispersió d’infrarojos, inhibint encara més la transferència de calor radiativa en ambients de mitjana i alta temperatura. Aquest mecanisme és particularment valuós en aplicacions a alta temperatura.
Les dades experimentals també admeten fortament l’excel·lent rendiment d’aïllament tèrmic d’Airgel. La conductivitat tèrmica de l’aire de sílice típica pot ser tan baixa com {{0}}. 015–0,03 W/m · K a temperatura ambient, que és significativament millor que els materials d’aïllament tèrmic tradicionals com la fibra de vidre i la llana mineral. Aquestes dades no només reflecteixen l’avantatge d’aïllament tèrmic d’Airgel en un entorn estàtic, sinó que també proporciona una base experimental per a la seva promoció i aplicació en aeroespacial, construcció, roba de protecció tèrmica i altres camps.
Amb el seu excel·lent rendiment d’aïllament tèrmic i característiques lleugeres, els materials d’Airgel han mostrat perspectives d’aplicació àmplies en molts camps. Pel que fa a la conservació de l’energia de l’edifici, les làmines d’Airgel es poden utilitzar per a capes d’aïllament de parets, teulades, portes i finestres, reduint eficaçment el consum d’energia i millorant la comoditat de vida i són especialment adequades per a la renovació passiva d’edificis. En equips industrials d’alta temperatura, Airgel es pot utilitzar com a capa d’aïllament per a equips com reactors i canonades de vapor, amb la capacitat de suportar temperatures elevades per sobre dels 600 graus, alhora que redueix la càrrega d’equips i ampliant la vida útil.
En el camp dels tèxtils i la protecció personal, els compostos flexibles Airgel s’utilitzen àmpliament en roba a prova de fred, roba de bombers i equipament militar. Alguns dissenys bioners, com les fibres Airgel que "imiten l'estructura dels cabells d'ós polar", combinen un aïllament tèrmic eficient i una transpirabilitat i són adequades per a equips que es poden portar lleugers en entorns extremadament freds.
A més, al camp de l’aeroespacial, Airgel s’ha utilitzat en escuts de calor de les naus espacials, sistemes de desembarcament de Mars Rover i capes de protecció tèrmica per a la roba d’astronauta, complint els dobles requisits del flux de calor extrem i el control de pes. Les seves excel·lents capacitats de control tèrmic s’han verificat en diverses missions d’espai com la NASA.
3. Reptes i indicacions de millora existents
Tot i que els materials d’Airgel tenen un excel·lent rendiment en el camp de l’aïllament tèrmic a causa de la seva conductivitat tèrmica ultra-baixa i l’estructura ultra-llum, encara s’enfronten a una sèrie de reptes en aplicacions pràctiques. El primer és el problema de la fragilitat mecànica. Els aerogels tradicionals de sílice són extremadament fràgils a causa del seu nano-esquelet solt i es trenquen fàcilment durant el transport o l’ús, cosa que limita el seu ús en ocasions flexibles i deformables. Actualment, els investigadors milloren la seva resistència a la compressió i la seva flexibilitat a través de reforç de fibra i compostos de polímer orgànic, i es realitzen gradualment productes flexibles que es poden enrotllar i cosir per satisfer les necessitats d’ús en els camps de l’aïllament de la construcció i la calma de la roba.
El segon és el problema de costos de la preparació a gran escala. Tot i que el mètode Sol-Gel actual actual combinat amb el procés d’assecat de co₂ supercrític pot obtenir aerogels d’alt rendiment amb estructures completes, l’equip és car, el consum d’energia és elevat i el cicle de processos és llarg, cosa que dificulta el suport de la producció industrial a gran escala. Amb aquesta finalitat, la investigació explora tecnologies alternatives de baixa energia com ara l’assecat i l’assecat de la pressió atmosfèrica cap endavant i combina l’optimització de precursors amb el control automàtic per millorar l’eficiència de la preparació i reduir els costos generals.
A més, la mala adaptabilitat ambiental és també un dels factors clau que limita la promoció dels aerogels. Com que la seva alta estructura de porositat és fàcil d’absorbir la humitat, l’entrada d’aigua provocarà un col·lapse de porus i una degradació del rendiment. Per tant, és particularment important millorar la seva resistència a la humitat i la resistència al temps. Actualment, la modificació hidrofòbica de superfície i els envasos de capa externa s’utilitzen generalment per millorar la seva estabilitat i durabilitat en entorns exteriors com la humitat, el vent i la pluja i l’alt ultraviolet.
En el futur, el desenvolupament d’aerogels no només hauria de resoldre els problemes de “fràgil, difícil de produir i no resistents al clima”, sinó que també evoluciona en la direcció d’una integració multifuncional, com ara donar-li retardant la flama, blindatge electromagnètic, regulació de temperatura de canvi de fase i altres funcions compostes per satisfer les necessitats d’aplicació d’escenes complexes de gran rendiment, com a aeroespace, equips intel·ligents i equips de protecció.
Amb el progrés continu de la ciència de materials i la tecnologia de preparació, el desenvolupament d’aerogels es dirigeix cap a una direcció més diversificada i d’alt rendiment, i la integració multifuncional es convertirà en el focus de la investigació d’Airgel. A més de l'excel·lent rendiment d'aïllament tèrmic tradicional, els materials compostos que combinen l'aïllament sonor, el blindatge electromagnètic, la protecció contra el foc i altres funcions es desenvolupen gradualment. Aquests materials no només poden satisfer les necessitats de rendiment múltiple en els camps de construcció, transport, electrònica, etc., sinó que també ampliar l’espai d’aplicació dels aerogels en equips intel·ligents i equips de gamma alta.
El disseny bònic és una altra direcció important per millorar les propietats mecàniques dels aerogels. A partir de les estructures de la natura, com l’estructura composta en capes de la mare de perla o l’ordenació de nanofibra de pèl d’ós polar, els investigadors estan dissenyant materials d’aire amb una major resistència i resistència a l’impacte. Aquesta estratègia bionica estructural no només millora la força mecànica del material, sinó que també manté les seves propietats ultra-llum i poroses, ampliant molt el potencial d’aplicació dels aerogels en roba de protecció flexible, aeroespacial i altres camps.
El concepte de protecció mediambiental verda ha impulsat el procés de preparació dels aerogels a ser sostenible. El desenvolupament de materials Airgel basats en matèries primeres basades en bio, com ara Airgel de cel·lulosa, no només redueix la dependència dels recursos tradicionals fòssils, sinó que també millora la biodegradabilitat dels materials. Al mateix temps, l’optimització de les tecnologies de reciclatge i reutilització i promoure el desenvolupament econòmic circular de la indústria d’Airgel es convertirà en una direcció important per a la futura fabricació respectuosa amb el medi ambient.
Airgel s’ha convertit en un suplement important per als materials d’aïllament tèrmic tradicionals a causa del seu excel·lent rendiment d’aïllament tèrmic i una estructura porosa lleugera. Malgrat reptes com ara una gran incidència, un elevat cost de preparació i una adaptabilitat ambiental insuficient, el progrés del reforç de fibra, els materials compostos i la tecnologia de preparació verda promouen constantment el seu procés de millora i industrialització del rendiment. En el futur, Airgel es desenvoluparà cap a la integració multifuncional i el disseny bionic, adonar -se de la integració de múltiples funcions com l’aïllament tèrmic, l’aïllament sonor, el blindatge electromagnètic i centrar -se en la protecció i la sostenibilitat ambiental. A mesura que la tecnologia continua madurant, Airgel jugarà un paper més gran en la creació de la conservació de l’energia, la protecció industrial d’alta temperatura, els tèxtils, els aeroespacials i altres camps, ajudant a assolir la conservació d’energia, la reducció d’emissions i els objectius de fabricació intel·ligents.