Приложение на силикаов аерогел в областта на топлоизолацията

Благодарение на многото отлични свойства на силициев аерогел, той е успешно приложен в много области, като катализаторни носители, звукоизолационни материали, топлоизолационни материали, материали за адсорбция на токсични газове и космически материали за събиране на прах и др.Огромни перспективи за приложение. С непрекъснатото подобряване на енергийната плътност на новите енергийни превозни средства, особено литиево-йонните батерии, топлоизолацията и противопожарната защита на батериите се превърнаха в една от най-важните теми.

01 Aerospace

Високоефективните топлоизолационни материали са един от ключовите компоненти на термичната защита на въздухоплавателните средства. За хиперзвукови превозни средства, при условие на дългосрочно аеродинамично отопление, повърхността на тялото ще генерира изключително високи температури. За да се предотврати основната структура на въздухоплавателното средство и вътрешните инструменти Оборудването е увредено от термична ерозия, така че е много важно да се избере топлоизолационен материал с отлична цялостна производителност.

От една страна, топлоизолационният материал трябва ефективно да блокира потока на външна топлина във вътрешността на тялото, за да не повлияе на нормалната работа на свързаното оборудване на тялото; От голямо значение е да се увеличи полезен товар и да се увеличи разстоянието на полета. Плътността на силициев аерогел е само около 0,08 г / см3, а топлопроводимостта при стайна температура е толкова ниска, колкото 0,016което може да отговори на нуждите на космическата авиация за леки и ефективни топлоизолационни материали.

Лекото тегло и ниската топлопроводимост на силициев аерогел го правят един от най-засегнатите материали в аерокосмическите изолационни материали, но все още има два проблема при прилагането на силициев аерогел в аерокосмическата промишленост:

① Механичната якост на самия аерогел е ниска, така че обикновено е необходимо да се комбинира аерогел с влакнести материали в аерокосмическите приложения.  

②Граничната работна температура на силициев аерогел обикновено е по-малка от 600 ° която не може да се приложи към топлоизолацията на крайните повърхности на свръхзвукови или хиперзвукови самолети, които се развиват бързо. В бъдеще, многофазовият синтез и микроструктурния дизайн трябва да се обмисли за интегриране. Температурният диапазон на приложение на силициев аерогел се разширява до по-висока температура.

02 Област на военната промишленост

Търсенето на висококачествени технически продукти във военната индустрия е по-силно от това в гражданската област. Като важен член на новите високоефективни топлоизолационни материали силициев аерогел е предпочитан от военната индустрия.

В допълнение, изследователският център на НАСА Еймс на САЩ използва алуминиеви силикатни влакна като поддържаща рамка и запълва порите в огнеупорната рамка от влакна със силициев аерогел, за да подготви аерогел изолационни плочки, подсилени с алуминиеви силикатни влакна, които са били приложени към ядрени подводници, ядреният реактор на парен ракетен разрушител. Топлопроводимостта на този материал е по-ниска от тази на обикновените огнеупорни влакна материали, което може ефективно да намали количеството топлоизолационни материали и да увеличи използваемото пространство в кабината, в същото време може да поддържа температурата в кабината и да подобри работната среда в кабината. Топлоизолационната плочка се използва и в оръжейни захранващи устройства за блокиране на топлинната радиация, което е полезно за антиинфрачервеното разузнаване на оръжия и оборудване; в допълнение, аерогел се използва и във военни термични батерии, които могат да подобрят топлинния живот на военните термични батерии.

Даването на силициев аерогел повече функции е едно от основните направления на неговото приложение и научноизследователска и развойна дейност във военната област. Например, военното защитно облекло не само трябва да има функция за топлоизолация, но също така трябва да има функция за инфрачервено екраниране (стелт), за да се адаптира по-добре към съвременните военни нужди. Ето защо, как да се реализира многофункционалният дизайн на силициев аерогел е важен въпрос, който трябва да се разгледа при прилагането му във военната област.

03 Промишлени складови резервоари и тръбопроводи

Понастоящем общите изолационни материали за ОВК и други живи тръби на пазара са предимно органични полимерни пяни, като полиуретанова пяна, фенолна пяна, полистиролова пяна и т.н. Въпреки това, тези материали са запалими и имат висок риск от пожар. Силициев аерогел е безопасен, лек, добър в топлоизолационните показатели и има големи предимства в цялостната производителност.

Изследванията показват, че топлопроводимостта на покрития материал може да бъде намалена до 0,084когато аерогеловият топлоизолационен композитен филм материал е покрит върху повърхността на металната тръба. В допълнение, времето за ограничаване на пожароустойчивостта на материала на тръбопровода, покрит с аерогеловия композитен филм, може да достигне 70 минути, което ефективно подобрява безопасността на тръбопровода. При прилагането на изолация на химически тръбопроводи се използва главно силициев аерогел композитен филц, без специални водоустойчиви мерки (хидрофобна скорост ≥ 99%) и все още може да бъде конструирана в дъждовна или влажна среда.

 Приложение на аерогелови филцови подложки върху химически тръбопроводи

В допълнение, аерогеловият композитен филц има добри анти-сеизмични и опън свойства, няма натрупване и утаяване на частици по време на употреба и дълъг експлоатационен живот. При прилагането на топлоизолационния слой на директно заровени паропроводи, при условие за постигане на максималната допустима топлинна загуба, дебелината на топлоизолационния слой, изискван от силициев аерогел композитен филц, може да бъде спестена с 40% до 54% в сравнение с филца от стъклени влакна. По този начин се намалява пространството, заето от директно погребване на тръбопроводи. Силициев аерогел филц има отлични топлоизолационни характеристики и има по-добро пространство за игра при условия на висока температура на парата и тясно и тежко място. Силициев аерогел филц мат също е успешно приложен за изолация на нефтопроводи и преносен тръбопровод Хайнан. Дългосрочната стабилна работа на тръбопровода е потвърдила отличната си топлоизолация и безопасност и стабилност.

04 Котел

Възползвайки се от отличните топлоизолационни характеристики на аерогел, прилагането му върху топлоизолацията на повърхността на котела може значително да намали температурата на повърхността на котела и топлинните загуби на котела. При действителна употреба фибровата матрица и силициев аерогел често се комбинират, за да образуват аерогел филц мат, който след това се прилага върху тялото на котела. След като котелът използва аерогел композитни материали, температурата на повърхността на корпуса на пещта може да бъде намалена с около 39 ° С, топлинната ефективност се увеличава от 79,7% на 81,9%, а икономията на енергия е 2,2%.

Приложение на аерогелови композити в котлови системи

Температурата на котела обикновено е висока, така че влакната в композитния материал от силициев аерогел трябва да имат висока температурна устойчивост. Това е по-предпочитано решение за използване на високотемпературни устойчиви поликристални муллитни влакна и силициев аерогел композити.

Силициев аерогел понастоящем се използва по-малко в котли, главно свързан с производствените му разходи. От друга страна, температурата на промишлените котли е сравнително висока, а дългосрочната работна температура на аерогел обикновено е по-ниска от 600 ° С. Подобряването на устойчивостта на висока температура на силициев аерогел е бъдещата тенденция на развитие.

05 Изолация на сгради и битов живот

Силициев аерогел е лек, ниска топлопроводимост, дълъг живот и добра хидрофобичност, която може да отговори на нуждите на топлоизолация, огнеупорност, шумоизолация и хидроизолация в строителната област. Понастоящем формите на приложение на силициев аерогел включват предимно аерогелово енергоспестяващо стъкло, аерогелово покритие, аерогелова филцова подложка, аерогелова листова плоча, аерогелов бетон и хоросан и покривни слънчеви колектори.

5.1 Силициев аерогел енергоспестяващо стъкло

Прозрачната структура на обвивката е слабото звено на енергоспестяването на сградата, сред което стъклото е основният материал на прозрачната структура на обвивката и нейното енергоспестяващо действие е много важно. Добрите възможности за пренос на светлина, топлоизолация и намаляване на шума на силициев аерогел го правят очевидни предимства в прилагането на архитектурното поле, особено архитектурното стъкло.

Приложение на аерогелово стъкло в граждански сгради

Прилагането на аерогел върху стъкло може не само да намали разсейването на топлината на стъклото, но и да отговори на изискванията за осветление. Въз основа на осигуряването на външния вид и осветлението, силициевото аерогело стъкло има по-добра топлоустойчивост, по-силна радиационна устойчивост и може да се използва и за регулиране на цвета и абсорбиране на звука, което има значителни предимства на приложението. Понастоящем прилагането на силициеви материали в архитектурното стъкло включва основно аерогелово покритие, насипно аерогелово стъкло и гранулирано аерогелово пълнено стъкло.

Аерогел стъклото все още е в етапа на индустриални изследвания и разработки, съответните технически бариери са високи и на практика има само малък брой инженерни приложения. Понастоящем съществуващите производители на стъкло с аерогел от частици са концентрирани главно в развитите страни в Европа и Съединените щати. През 2015 г. Китай постигна масово производство в Чанша за първи път. Въпреки това, аерогеловото стъкло е все още в ранна детска възраст и все още има дълъг път, преди практическото приложение.

5.2 Покритие от силициев аерогел

Аерогеловото топлоизолационно покритие е важен клон на силициев аерогел приложение. Подготовката на аерогелово топлоизолационно покритие включва следните стъпки: 1. силициев аерогел частици, стабилизатор (или депаратор) и вода се смесват и смилат, за да се образува равномерна аерогелна смес; 2. след това добавете смола и дисперсант за по-нататъшно разбъркване и разпръскване; Според действителните нужди различни добавки (като титанов диоксид, далечен инфрачервен керамичен прах и кухи стъклени мъниста и т.н.) и багрилни агенти се смесват, за да се получат силициев аерогел покрития.

Аерогеловите покрития имат ниска топлопроводимост, проста конструкция и голям потенциал на приложение. Все още няма добър метод за решаване на проблемите с лошата дисперсия и лесната агломерация на силициев аерогел в суспензия, което води до висока топлопроводимост на покритията. Проблем.

5. 3 Силициев аерогел филц

Силициев аерогел филц се отнася до топлоизолационната филцова подложка, приготвена чрез смесване на силициев аерогел с фиброусилване в стадия сол, последвано от желане, стареене, сушене и други процеси.

От една страна, силициевият аерогел филц мат добре запазва отличните топлоизолационни характеристики на аерогел, а топлопроводимостта може да бъде толкова ниска колкото 0,0142В / (м · К). От друга страна, аерогеловата филцова подложка ефективно решава трудния проблем с прилагането, причинен от ниската механична якост на силициев аерогел.

Понастоящем влакнестата матрица на аерогеловите стелки включва главно неорганични влакна и органични влакна. Неорганичната матрица от влакна включва главно стъклени влакна, алуминиеви влакна и кварцови влакна. Неорганичните влакна имат висока термична стабилност и нисък коефициент на термично разширение, но тяхната гъвкавост е лоша и силата на свързване с аерогел е слаба, което е лесно да причини "изпускане на прах". Органичните влакна, като полипропиленови влакна, полиестерни влакна, арамидни влакна, целулозни влакна и т.н., могат да дадат по-добра гъвкавост и якост на свързване на аерогел, но органичните влакна имат лоша термична стабилност и не са подходящи за практически приложения за топлоизолация.

Понастоящем частта за подсилване на влакната на аерогел мат на пазара е направена главно от стъклени влакна, пробит с игла филц, а температурата на обслужване обикновено може да достигне 550 ° С. Този вид продукт е успешно приложен към нефтопроводи и градски топлопроводни мрежи.

5.4 Силициев аерогел бетонен хоросан

Циментът и бетонът са най-често срещаните строителни инженерни материали. Съставянето на силициев аерогел с бетонен хоросан може да увеличи порьозността на бетоновия хоросан и да оптимизира вътрешния път на топлопренос, като по този начин подобрява топлоизолационните характеристики на бетоновия хоросан.

5.5 Силициев аерогел за слънчеви колектори

Аерогел може да се прилага в топлосъбиращи плочи, резервоари за съхранение на вода, тръби и топлоколектори изолационни системи на бойлери, за да се подобри ефективността на събирането на топлина и да се намали загубата на топлина на съществуващи слънчеви бойлери.

Слънчевите колектори, оборудвани с аерогел с дебелина 20 мм, имат отлични топлоизолационни свойства. В сравнение с традиционните приемници, когато температурата на входния топлинен поток е в диапазона от 583-823и вертикалната радиация е в диапазона от 400-1000аерогелът може да намали загубата на топлина на колектора с 7,3% -10,1%. Ефективността на устройството може да бъде увеличена с 0.01% ~ 2.92%.

06 Хладилни контейнери

Хладилните контейнери трябва да имат добра топлоизолация, да поддържат ниска температура среда и да се използват за транспортиране на различни нетрайни предмети. Топлоизолационните материали на традиционните хладилни контейнери обикновено използват материали като стъклени влакна, азбест, каменна вата, блокове от полистиролова пяна и пенен полиуретан. Органичните материали имат отлични топлоизолационни ефекти, но не са екологични. Въпреки че традиционните неорганични материали са нетоксични и безвредни, но изолационните характеристики са по-общи.

Използването на силициев аерогел за заместване на традиционните материали като изолационни материали за нискотемпературни системи като хладилни контейнери може да вземе предвид нуждите от опазване на околната среда и топлоизолационни характеристики. Компания Херчестър от Германия и компания Кабот от Съединените щати са извършили много изследователска работа върху аерогеловите композитни материали и продуктите, разработени от тях, са успешно приложени към изолационната система на хладилниците.

07 Нови енергийни превозни средства

Понастоящем често използваните топлоизолационни материали включват памук от стъклени влакна, алуминиев силикат памук и композитни топлоизолационни плочи. Налице е спешна необходимост от намиране на огнеупорен и топлоизолационен материал с висока температурна устойчивост, добра топлоизолация и дълъг живот.

Силициев аерогел има значителни предимства в топлоизолацията. В сравнение с традиционните топлоизолационни материали, само 1/5 ~ 1/3 от дебелината може да постигне същия топлоизолационен ефект, спестявайки повече място за захранващи батерии. Понастоящем той е тестван и частично прилаган в големи производители на литиево-йонни батерии като Нингде Таймс и Гуоксуан Хай-Тех.

Прилагането на силициев аерогел топлоизолационни композитни материали в нови енергийни превозни средства също трябва да обърне внимание на следните въпроси:

①Топлоустойчивата температура на съществуващия силициев аерогел е ≤ 550 ° но пиковата топлинна температура на литиево-йонните батерии надвишава 600 ° така че разработването на аерогелови материали с по-високи температури, устойчиви на топлина, е една от научноизследователските тенденции;

②Използването на свръхкритичен процес на сушене за подготовка на аерогел композитни материали е скъпо, така че развитието на сравнително нисък процес на атмосферно сушене е важна посока за широкомащабно приложение в бъдеще;

3 Как да балансираме противоречието между аерогеловата топлоизолация и освобождаването на топлината на батерията при високо натоварване е горещ проблем, който трябва да бъде проучен.

В бъдеще прилагането на силициев аерогел в областта на топлоизолацията може да се съсредоточи върху следните аспекти:

(1) Температурата на използване на силициев аерогел е ограничена и не може да отговори на нарастващото търсене на топлоизолация във високотемпературни райони. Важно е да се изследва и подобри термичната стабилност на аерогели при високи температури.

(2) Силициевите аерогели се прилагат главно под формата на композитни стелки и има проблем с "изпускане на прах". Ето защо е необходимо да се изследват методи като модификация на повърхността и оптимизация на подреждането на влакната, за да се подобри силата на свързване между аерогеловите частици и влакната.

(3) Когато аерогел прах се смесва в топлоизолационни покрития, композитни панели и т.н., той е склонен към фазово деламиниране и води до намаляване на производителността на топлоизолационните материали. Изследвания за подобряване на равномерната дисперсия на аерогел прах в композитни материали Безопасността и стабилността са един от ключовите въпроси, които трябва да бъдат решени при прилагането му.

(4) Суперкритичният процес на сушене с висока цена се използва в съществуващия силициев аерогел, което ограничава широкомащабното му приложение. Една от бъдещите тенденции за развитие е да се изучава използването на нискотарифни методи за подготовка, като процес на сушене под атмосферно налягане, за да се намалят производствените си разходи. Едно.