Aplicación de aerogeles de sílice en el campo del aislamiento térmico

Debido a sus muchas excelentes propiedades, El aerogel de sílice se ha aplicado con éxito en muchos campos, como materiales de soporte de catalizadores, materiales de aislamiento acústico, materiales de aislamiento térmico, materiales de absorción de gases tóxicos y materiales de recolección de polvo cósmico. enormes perspectivas de aplicación. Con el aumento continuo de la densidad energética de los vehículos de Nueva energía, especialmente las baterías de iones de litio, el aislamiento térmico y la prevención de incendios de las baterías se han convertido en uno de los temas más importantes.

01 aeroespacial

Los materiales de aislamiento térmico de alto rendimiento son uno de los componentes clave de la protección térmica de los vehículos aeroespaciales. Para los vehículos hipersónicos, en condiciones de calentamiento aerodinámico a largo plazo, la superficie del cuerpo producirá temperaturas extremadamente altas. Para evitar que la estructura principal y los instrumentos y equipos internos de la aeronave se vean afectados por la erosión térmica, es muy importante elegir materiales de aislamiento térmico con excelentes propiedades integrales.

Por un lado, los materiales de aislamiento térmico deben evitar efectivamente que el calor externo fluya hacia el interior del cuerpo para no afectar el funcionamiento normal de los equipos relacionados con el cuerpo; Es de gran importancia aumentar la carga útil y aumentar la distancia de vuelo. La densidad del aerogel de sílice es de solo unos 0,08g / cm3, y la conductividad térmica a temperatura ambiente es tan baja como 0016w / (m · k), lo que puede satisfacer la demanda aeroespacial de materiales de aislamiento térmico ligeros y eficientes.

La conductividad ligera y baja térmica de los aerogeles de sílice los convierte en uno de los materiales más preocupados en el aislamiento térmico aeroespacial, pero la aplicación de los aerogeles de sílice en aeroespacial todavía tiene dos problemas:

① la resistencia mecánica del aerogel en sí es baja, por lo que en las aplicaciones aeroespacial, generalmente es necesario combinar el aerogel con materiales de fibra.

② la temperatura de trabajo límite del aerogel de sílice suele ser inferior a 600 ° c, lo que no se puede aplicar al aislamiento térmico final de los aviones supersónicos o hipersónicos en rápido desarrollo. En el futuro, se debe considerar la fusión multifase y el diseño de microestructura para ampliar el rango de temperatura de aplicación del aerogel de sílice a temperaturas más altas.

02 Área Militar

La demanda de productos tecnológicos de alto rendimiento en la industria militar es más fuerte que en el campo civil. Como parte importante de los nuevos materiales de aislamiento térmico de alto rendimiento, El aerogel de sílice es favorecido por la industria militar.

Además, el Centro de investigación Ames de la NASA utiliza fibra de silicato de aluminio como marco de apoyo y llena los poros del marco de fibra refractaria con aerogel de silicio para preparar un ladrillo térmico de aerogel de sio2 reforzado con fibra de silicato de aluminio, que se ha aplicado a reactores nucleares de submarinos nucleares y destructores de misiles de propulsión Al vapor. La conductividad térmica de este material es menor que la de los materiales de fibra refractaria ordinarios, lo que puede reducir efectivamente la cantidad de materiales de aislamiento térmico y aumentar el espacio disponible en la cabina. Al mismo tiempo, puede mantener la temperatura en la cabina y mejorar el entorno de trabajo en la cabina. Las tejas de aislamiento térmico también se utilizan en unidades de potencia de armas para bloquear la radiación térmica, lo que favorece el reconocimiento antiinfrarrojo de armas y equipos; Además, El aerogel también se utiliza en baterías térmicas militares, lo que puede aumentar la vida térmica de las baterías térmicas militares.

Dar más funciones a los aerogeles de sílice es una de sus principales direcciones de aplicación e investigación y desarrollo en el campo militar. Por ejemplo, la ropa protectora militar no solo necesita tener una función de aislamiento térmico, sino también una función de blindaje infrarrojo (sigilo) para adaptarse mejor a las necesidades de la guerra moderna. Por lo tanto, cómo lograr el diseño multifuncional del aerogel de sílice es una cuestión importante a considerar en sus aplicaciones en el campo militar.

03 tanques y tuberías industriales

En la actualidad, los materiales de aislamiento térmico comunes en el mercado para calefacción, ventilación, aire acondicionado y otras tuberías domésticas son principalmente espumas de polímeros orgánicos, como espumas de poliuretano, espumas de polifenol, espumas de poliestireno, etc. sin embargo, estos materiales son inflamables y tienen un alto riesgo de incendio. El aerogel de sílice es seguro, ligero y tiene buenas propiedades de aislamiento térmico, y tiene grandes ventajas en propiedades integrales.

Los estudios han demostrado que la conductividad térmica del material de cobertura se puede reducir a 0084w / (m · k) cuando el material de película compuesta de aislamiento térmico aerogel está cubierto en la superficie del tubo metálico. Además, el tiempo límite de resistencia al fuego del material de tubería cubierto por la película compuesta de aerogel puede alcanzar los 70 minutos, lo que mejora efectivamente la seguridad de la tubería. En las aplicaciones de aislamiento térmico de tuberías químicas, se utilizan principalmente fieltro compuesto de aerogel de silicona, sin medidas especiales de impermeabilización (tasa hidrofóbica ≥ 99%), que todavía se pueden construir en ambientes lluviosos o húmedos.

Aplicación de fieltro aerogel en tuberías químicas

Además, el fieltro compuesto de aerogel tiene buenas propiedades sísmicas y de tracción, sin acumulación y asentamiento de partículas durante su uso, y tiene una larga vida útil. En la aplicación de la capa de aislamiento térmico de la tubería de vapor enterrada directamente, bajo la premisa de satisfacer la pérdida máxima permitida de calor, el espesor de la capa de aislamiento térmico necesaria para el fieltro compuesto de aerogel de sílice puede ahorrarse entre un 40% y un 54% en comparación con el fieltro de fibra de vidrio. Esto reduce así el espacio ocupado por el enterramiento directo de la tubería. El fieltro aerogel de sílice tiene excelentes propiedades de aislamiento térmico y un mejor espacio de juego en condiciones de alta temperatura de vapor y campo estrecho y duro. El fieltro aerogel de sílice también se ha aplicado con éxito al aislamiento térmico del oleoducto y al oleoducto de transporte de gas natural licuado CNOOC hainan. El funcionamiento estable a largo plazo de la tubería ha verificado su excelente rendimiento de aislamiento térmico y rendimiento de Seguridad y estabilidad.

04 caldera

Utilizando las excelentes propiedades de aislamiento térmico del aerogel, su aplicación al aislamiento térmico de la superficie de la caldera puede reducir en gran medida la temperatura de la superficie de la caldera y la pérdida de calor de la caldera. En uso práctico, la matriz de fibra y el aerogel de sílice generalmente se combinan para formar una yurta de aerogel, que luego se aplica al cuerpo principal de la caldera. Después de que la caldera utilice materiales compuestos de aerogel, la temperatura de la superficie del cuerpo de la caldera puede reducirse en unos 39 ° c, la eficiencia térmica puede aumentar del 79,7% al 81,9%, y el ahorro de energía es del 2,2%.

Aplicación de materiales compuestos de aerogel en el sistema de calderas

La temperatura de la caldera suele ser alta, por lo que las fibras en los compuestos de aerogel de sílice deben ser resistentes a altas temperaturas. El uso de fibras de mullita policristalinas resistentes a altas temperaturas y materiales compuestos de aerogel de sílice es la solución más preferida.

El aerogel de sílice se utiliza actualmente menos en calderas y está relacionado principalmente con sus costos de fabricación. Por otro lado, la temperatura de las calderas industriales es relativamente alta, y el límite de temperatura de trabajo a largo plazo del aerogel es generalmente inferior a 600 ° c. Mejorar la resistencia a altas temperaturas de los aerogeles de silicio es la tendencia de desarrollo futuro.

05 aislamiento térmico de edificios y vida doméstica

El aerogel de sílice tiene propiedades ligeras, de baja conductividad térmica, de larga vida y buena hidrofobicidad, y puede cumplir con los requisitos de aislamiento térmico, prevención de incendios, aislamiento acústico e impermeabilización en el campo de la construcción. En la actualidad, las formas de aplicación de aerogel de silicio incluyen principalmente vidrio de ahorro de energía de aerogel, recubrimiento de aerogel, fieltro de aerogel, película de aerogel, hormigón y mortero de aerogel y colectores solares de techo.

5.1 vidrio de ahorro de energía aerogel de silicio

La estructura de contención transparente es un eslabón débil en el ahorro de energía de los edificios, en el que el vidrio es el material principal de la estructura de contención transparente, y su rendimiento de ahorro de energía es muy importante. Las buenas capacidades de transmisión de luz, aislamiento térmico y reducción de ruido de los aerogeles de sílice le dan ventajas obvias en el campo de la construcción, especialmente en la aplicación de vidrio arquitectónico.

Aplicación de vidrio aerogel en edificios civiles

La aplicación de aerogel en el vidrio no solo puede reducir la disipación de calor del vidrio, sino también cumplir con los requisitos de iluminación. Sobre la base de garantizar la apariencia y la iluminación, el vidrio aerogel de sílice tiene una mejor resistencia al calor y una mayor resistencia a la radiación, y también se puede utilizar para la regulación del color y la absorción de sonido, con ventajas de aplicación significativas. En la actualidad, las aplicaciones de materiales de sílice en vidrio de construcción incluyen principalmente vidrio recubierto de aerogel, vidrio de aerogel a granel y vidrio relleno de aerogel de partículas.

El vidrio aerogel todavía se encuentra en la etapa de investigación y desarrollo industrial, con altas barreras técnicas relacionadas y solo una pequeña cantidad de aplicaciones de ingeniería en la práctica. En la actualidad, los fabricantes existentes de vidrio relleno de aerogel de partículas se concentran principalmente en los países desarrollados de Europa y los Estados Unidos. En 2015, China logró la producción en masa en Changsha por primera vez. Sin embargo, el vidrio aerogel todavía está en su infancia y todavía queda un largo camino por recorrer para su aplicación práctica.

5.2 recubrimiento aerogel de sílice

El recubrimiento térmico de aerogel es una rama importante de la aplicación de aerogel de sílice. La preparación del recubrimiento térmico aerogel incluye los siguientes pasos: 1. Mezclar y moler partículas de aerogel de sílice, estabilizadores (o defoamers) con agua para formar un tamaño de aerogel uniforme; 2. luego agregue la resina y el dispersante para mezclar y dispersar más; ③ De acuerdo con las necesidades reales, se mezclan varios aditivos (como dióxido de titanio, polvo cerámico de infrarrojo lejano y perlas de vidrio hueco, etc.) con agentes de teñido para obtener un recubrimiento de aerogel de sílice.

El recubrimiento de aerogel tiene una baja conductividad térmica, una estructura simple y un gran potencial de aplicación. Sin embargo, todavía no hay una buena manera de resolver el problema de la mala dispersión y fácil aglomeración de aerogeles de sílice en el tamaño, lo que conduce a la Alta conductividad térmica del recubrimiento. Problemas

5.3 fieltro aerogel de sílice

El fieltro de aerogel de sílice se refiere al fieltro de aislamiento térmico preparado mezclando el aerogel de sílice con el refuerzo de fibra en la etapa de sol y luego después de los procesos de gelificación, envejecimiento y secado.

Por un lado, las alfombras de aerogel de sílice conservan bien las excelentes propiedades térmicas del aerogel, que puede tener una conductividad térmica tan baja como 00142w / (m · k). por otro lado, las almohadillas de fieltro de aerogel resuelven eficazmente los problemas de aplicación causados por la baja resistencia mecánica del aerogel de sílice.

At present, the fiber matrix of aerogel mats mainly includes inorganic fibers and organic fibers. The inorganic fiber matrix mainly includes glass fiber, alumina fiber and quartz fiber. Inorganic fibers have high thermal stability and low thermal expansion coefficient, but their flexibility is poor and the binding force with aerogel is weak, which is easy to cause "powder dropping". Organic fibers, such as polypropylene fibers, polyester fibers, aramid fibers, cellulose fibers, etc., can give aerogel mats better flexibility and aerogel bonding strength, but organic fibers have poor thermal stability and are not suitable For practical thermal insulation applications.

En la actualidad, la parte reforzada con fibra de las almohadillas de aerogel en el mercado está hecha principalmente de fieltro de aguja de fibra de vidrio, y la temperatura de uso generalmente puede alcanzar los 550 ° c. Este producto se ha aplicado con éxito a oleoductos y redes de tuberías térmicas urbanas.

5.4 mortero de hormigón aerogel de silicona

El cemento y el hormigón son los materiales de ingeniería de construcción más comunes. La mezcla de aerogel de sílice con mortero de hormigón puede aumentar la permeabilidad del mortero de hormigón y optimizar la ruta de transferencia de calor interna, mejorando así el rendimiento térmico del mortero de hormigón.

5.5 aerogeles de silicio para colectores solares

El aerogel se puede aplicar a los paneles de recolección de calor, tanques de almacenamiento de agua, tuberías y sistemas de aislamiento térmico de los calentadores de agua, mejorando así la eficiencia de recolección de calor y reduciendo la pérdida de calor de los calentadores de agua solares existentes.

Los colectores solares equipados con aerogeles de 20 mm de espesor tienen excelentes propiedades de aislamiento térmico. En comparación con los receptores tradicionales, cuando la temperatura del flujo de calor de entrada está dentro del rango de 583 - 823k y la irradiancia vertical está dentro del rango de 400 - 1000w · m, El aerogel puede reducir la pérdida de calor del coleccionista en un 7,3% - 10,1% y mejorar la eficiencia del dispositivo en un 0,01% - 2,92%.

06 contenedores refrigerados

Los contenedores refrigerados deben tener buenas propiedades de aislamiento térmico, ser capaces de mantener un ambiente de baja temperatura y utilizarse para el transporte de varios artículos perecederos. Los materiales de aislamiento térmico de los contenedores refrigerados tradicionales suelen utilizar materiales como fibra de vidrio, amianto, lana de roca, bloques de espuma de poliestireno y poliuretano de espuma. Los materiales orgánicos tienen un excelente efecto de aislamiento térmico, pero no son respetuosos con el medio ambiente. Aunque los materiales inorgánicos tradicionales son no tóxicos e inofensivos, las propiedades de aislamiento son más Generales.

El uso de aerogeles de sílice en lugar de materiales tradicionales como materiales de aislamiento térmico para sistemas de baja temperatura, como contenedores refrigerados, puede tener en cuenta las necesidades de protección ambiental y propiedades de aislamiento térmico. La empresa alemana hercester y la empresa estadounidense Cabot han llevado a cabo una gran cantidad de investigación sobre materiales compuestos de aerogel sio2, y los productos que han desarrollado se han aplicado con éxito al sistema de aislamiento térmico del refrigerador.

07 vehículos de nueva energía

En la actualidad, los materiales de aislamiento térmico comunes incluyen algodón de fibra de vidrio, algodón de silicato de aluminio y paneles de aislamiento térmico compuestos. Es urgente encontrar un material de aislamiento térmico ignífugo resistente a altas temperaturas, bueno rendimiento de aislamiento térmico y larga vida útil.

El aerogel de sílice tiene ventajas significativas en las propiedades de aislamiento térmico. En comparación con los materiales de aislamiento térmico tradicionales, solo 1 / 5 a 1 / 3 de espesor puede lograr el mismo efecto de aislamiento térmico, ahorrando más espacio para la batería de energía. En la actualidad, se ha probado y aplicado parcialmente en grandes fabricantes de baterías de iones de litio, como Ningde Times y guoxuan High - Tech.

La aplicación de materiales compuestos de aislamiento térmico aerogel de sílice en vehículos de nueva energía también requiere prestar atención a los siguientes problemas:

① la temperatura resistente al calor de los aerogeles de sílice existentes es ≤ 550 ° c, pero la temperatura máxima fuera de control térmico de las baterías de iones de litio supera los 600 ° c, por lo que el desarrollo de materiales de aerogeles con temperaturas resistentes al calor más altas es una de las tendencias de investigación;

② el proceso de secado supercrítico para preparar materiales compuestos de aerogel es costoso, por lo que el proceso de secado atmosférico con costos de desarrollo relativamente bajos es una dirección importante para futuras aplicaciones a gran escala;

③ cómo equilibrar la contradicción entre el aislamiento térmico de aerogel y la liberación de calor de la batería bajo alta carga es un tema candente que debe estudiarse.

En el futuro, las aplicaciones de aerogeles de sílice en el campo del aislamiento térmico pueden centrarse en los siguientes aspectos:

(1) la temperatura de uso del aerogel de sílice es limitada y no puede satisfacer la creciente demanda de aislamiento térmico en áreas de alta temperatura. Es de gran importancia estudiar y mejorar la estabilidad térmica de los aerogeles a altas temperaturas.

(2) Silica aerogels are mainly applied in the form of composite mats, and there is a problem of "powder dropping". Therefore, it is necessary to explore methods such as surface modification and fiber arrangement optimization to enhance the bonding force between aerogel particles and fibers.

(3) cuando el polvo de aerogel se mezcla en recubrimientos de aislamiento térmico, placas compuestas, etc., es propenso a la estratificación de fases y conduce a una disminución de las propiedades del material de aislamiento térmico. Mejorar la seguridad y estabilidad de la investigación de la dispersión uniforme del polvo de aerogel en materiales compuestos es uno de los problemas clave que deben resolverse en su aplicación.

(4) los aerogeles de sílice existentes utilizan un proceso de secado supercrítico de alto costo, lo que limita su aplicación a gran escala. Estudiar el uso de métodos de preparación de bajo costo (como el método de secado atmosférico) para reducir sus costos de producción es una de las tendencias futuras. Uno