Applicazione di silice aerogel nel campo dell'isolamento termico

Grazie alle molte proprietà eccellenti del silice aerogel, è stato applicato con successo in molti campi, come i materiali del vettore catalizzatore, i materiali dell'isolamento acustico, i materiali dell'isolamento termico, i materiali di adsorbimento dei gas tossici e i materiali di raccolta delle polveri cosmiche, ecc. Con il continuo miglioramento della densità energetica dei nuovi veicoli energetici, in particolare le batterie agli ioni di litio, l'isolamento termico e la prevenzione antincendio delle batterie è diventato uno degli argomenti più importanti.

01 Aerospaziale

I materiali isolanti termici ad alte prestazioni sono uno dei componenti chiave della protezione termica dei veicoli aerospaziali. Per i veicoli ipersonici, in condizioni di riscaldamento aerodinamico a lungo termine, la superficie del corpo genererà temperature estremamente elevate. Al fine di prevenire la struttura principale dell'aeromobile e gli strumenti interni L'attrezzatura è danneggiata dall'erosione termica, quindi è molto importante scegliere un materiale isolante termico con eccellenti prestazioni complete.

Da un lato, il materiale isolante termico deve bloccare efficacemente il flusso di calore esterno all'interno del corpo, in modo da non influenzare il normale funzionamento delle apparecchiature correlate del corpo; È di grande importanza aumentare il carico utile e aumentare la distanza di volo. La densità dell'aerogel di silice è solo di circa 0,08g/cm3 e la conducibilità termica a temperatura ambiente è bassa come 0,016W/(m·K), che può soddisfare le esigenze dell'aerospaziale per materiali di isolamento termico leggeri ed efficienti.

Il peso leggero e la bassa conducibilità termica dell'aerogel di silice lo rendono uno dei materiali più interessati nei materiali isolanti aerospaziali, ma ci sono ancora due problemi nell'applicazione dell'aerogel di silice nel settore aerospaziale:

① La resistenza meccanica dell'aerogel stesso è bassa, quindi è solitamente necessario combinare aerogel con materiali in fibra nelle applicazioni aerospaziali.

②La temperatura di lavoro limite dell'aerogel di silice è solitamente inferiore a 600 ° C, che non può essere applicata all'isolamento termico delle facce finali di aerei supersonici o ipersonici che si stanno sviluppando rapidamente. In futuro, la fusione multi-fase e la progettazione di microstrutture dovrebbero essere prese in considerazione per integrare L'intervallo di temperatura di applicazione dell'aerogel di silice è esteso a temperature più elevate.

02 Settore industriale militare

La domanda di prodotti tecnici ad alte prestazioni nell'industria militare è più forte di quella in campo civile. Come membro importante dei nuovi materiali di isolamento termico ad alte prestazioni, l'aerogel di silice è stato favorito dall'industria militare.

Inoltre, il Centro di ricerca Ames della NASA degli Stati Uniti ha utilizzato fibre di silicato di alluminio come struttura portante, e ha riempito i pori nella struttura della fibra refrattaria con aerogel di silice per preparare SiO2 piastrelle di isolamento aerogel rinforzate con fibre di silicato di alluminio, che sono state applicate ai sottomarini nucleari, Il reattore nucleare di un cacciatorpediniere missilistico alimentato a vapore. La conducibilità termica di questo materiale è inferiore a quella dei materiali in fibra refrattaria ordinaria, che può efficacemente ridurre la quantità di materiali isolanti termici e aumentare lo spazio utilizzabile nella cabina. Allo stesso tempo, può mantenere la temperatura in cabina e migliorare l'ambiente di lavoro in cabina. La piastrella dell'isolamento termico è utilizzata anche nei dispositivi di potenza delle armi per bloccare la radiazione di calore, che è utile alla ricognizione anti-infrarossa di armi e attrezzature; Inoltre, l'aerogel è utilizzato anche nelle batterie termiche militari, che possono migliorare la vita termica delle batterie termiche militari.

Dare più funzioni all'aerogel di silice è una delle principali direzioni della sua applicazione e ricerca e sviluppo in campo militare. Ad esempio, gli indumenti protettivi militari non solo devono avere funzione di isolamento termico, ma devono anche avere funzione di schermatura infrarossa (stealth), in modo da adattarsi meglio alle moderne esigenze belliche. Pertanto, come realizzare il design multifunzionale di silice aerogel è una questione importante che deve essere considerata nella sua applicazione in campo militare.

03 Serbatoi e tubazioni di stoccaggio industriali

Attualmente, i materiali isolanti comuni per HVAC e altri tubi viventi sul mercato sono principalmente schiume polimeriche organiche, come schiuma poliuretanica, schiuma fenolica, schiuma polistirolica, ecc Tuttavia, questi materiali sono infiammabili e hanno un alto rischio di incendio. L'aerogel di silice è sicuro, leggero, buono nelle prestazioni di isolamento termico e presenta grandi vantaggi nelle prestazioni complete.

Gli studi hanno dimostrato che la conducibilità termica del materiale coperto può essere ridotta a 0,084W/(m·K) quando il materiale composito dell'isolamento termico aerogel è coperto sulla superficie del tubo metallico. Inoltre, il tempo limite di resistenza al fuoco del materiale della conduttura coperto con il film composito aerogel può raggiungere 70 minuti, il che migliora efficacemente la sicurezza della conduttura. Nell'applicazione dell'isolamento chimico della conduttura, viene utilizzato principalmente feltro composito aerogel di silice, senza misure impermeabili speciali (tasso idrofobico ≥ 99%), e può ancora essere costruito in ambienti piovosi o umidi.

 Applicazione di cuscinetti in feltro aerogel su tubazioni chimiche

Inoltre, il feltro composito aerogel ha buone proprietà antisismiche e di trazione, nessun accumulo e insediamento di particelle durante l'uso e una lunga durata. Nell'applicazione dello strato di isolamento termico di condotte di vapore direttamente interrate, sotto la premessa di soddisfare la perdita di calore massima consentita, lo spessore dello strato di isolamento termico richiesto dal feltro composito aerogel silice può essere risparmiato dal 40% al 54% rispetto al feltro in fibra di vetro. Riducendo così lo spazio occupato dalla sepoltura diretta delle condotte. Il feltro aerogel di silice ha eccellenti prestazioni di isolamento termico e ha uno spazio migliore per giocare nelle condizioni di alta temperatura del vapore e spazio del sito stretto e duro. Il tappetino in feltro aerogel di silice è stato applicato con successo anche all'isolamento della conduttura petrolifera e alla conduttura di trasmissione CNOOC Hainan LNG. Il funzionamento stabile a lungo termine della conduttura ha verificato il suo eccellente isolamento termico e la sicurezza e la prestazione di stabilità.

04 Caldaia

Sfruttando le eccellenti prestazioni di isolamento termico di aerogel, applicandolo all'isolamento termico superficiale della caldaia può ridurre notevolmente la temperatura superficiale della caldaia e la perdita di calore della caldaia. Nell'uso effettivo, la matrice della fibra e l'aerogel della silice sono spesso combinati per formare un tappetino in feltro aerogel, che viene poi applicato al corpo caldaia. Dopo che la caldaia utilizza materiali compositi aerogel, la temperatura superficiale del corpo del forno può essere ridotta di circa 39 ° C, l'efficienza termica è aumentata dal 79,7% all'81,9% e il risparmio energetico è del 2,2%.

Applicazione di compositi aerogel nei sistemi di caldaie

La temperatura della caldaia è generalmente alta, quindi le fibre nel materiale composito aerogel di silice devono avere resistenza alle alte temperature. È una soluzione più preferita per utilizzare fibre policristalline di mullite resistenti alle alte temperature e compositi aerogel di silice.

L'aerogel di silice è attualmente meno utilizzato nelle caldaie, principalmente legato al suo costo di produzione. D'altra parte, la temperatura delle caldaie industriali è relativamente alta e il limite di temperatura di lavoro a lungo termine dell'aerogel è generalmente inferiore a 600 ° C. Migliorare la resistenza alle alte temperature dell'aerogel di silice è la tendenza di sviluppo futura.

05 Isolamento degli edifici e vita domestica

Silica aerogel è leggero, bassa conducibilità termica, lunga durata e buona idrofobia, che può soddisfare le esigenze di isolamento termico, isolamento antincendio, insonorizzazione e impermeabilizzazione nel campo delle costruzioni. Attualmente, le forme di applicazione dell'aerogel di silice includono principalmente vetro a risparmio energetico dell'aerogel, rivestimento dell'aerogel, pad di feltro dell'aerogel, strato dell'aerogel, calcestruzzo e malta dell'aerogel e collettori solari del tetto.

5.1 Vetro a risparmio energetico aerogel di silice

La struttura trasparente dell'involucro è l'anello debole del risparmio energetico dell'edificio, tra cui il vetro è il materiale principale della struttura trasparente dell'involucro e le sue prestazioni di risparmio energetico sono molto importanti. La buona trasmissione della luce, l'isolamento termico e le capacità di riduzione del rumore del silice aerogel lo rendono avere evidenti vantaggi nell'applicazione del campo architettonico, in particolare del vetro architettonico.

Applicazione del vetro aerogel in edifici civili

L'applicazione di aerogel al vetro non solo può ridurre la dissipazione del calore del vetro, ma anche soddisfare i requisiti di illuminazione. Sulla base di garantire l'aspetto e l'illuminazione, il vetro aerogel di silice ha una migliore resistenza al calore, una più forte resistenza alle radiazioni e può anche essere utilizzato per la regolazione del colore e l'assorbimento acustico, che presenta vantaggi applicativi significativi. Attualmente, l'applicazione dei materiali di silice nel vetro architettonico comprende principalmente vetro rivestito di aerogel, vetro aerogel sfuso e vetro granulare riempito di aerogel.

Il vetro Aerogel è ancora in fase di ricerca e sviluppo industriale, le barriere tecniche rilevanti sono elevate e ci sono solo un piccolo numero di applicazioni ingegneristiche nella pratica. Attualmente, i produttori esistenti di vetro riempito di particelle aerogel sono concentrati principalmente nei paesi sviluppati in Europa e negli Stati Uniti. Nel 2015, la Cina ha raggiunto la produzione di massa a Changsha per la prima volta. Tuttavia, il vetro aerogel è ancora agli inizi e c'è ancora molta strada da fare prima dell'applicazione pratica.

5.2 Rivestimento aerogel di silice

Il rivestimento dell'isolamento termico dell'aerogel è un ramo importante dell'applicazione dell'aerogel della silice. La preparazione del rivestimento di isolamento termico aerogel comprende le seguenti fasi: 1. particelle di aerogel di silice, stabilizzatore (o defoamer) e acqua sono mescolate e macinate per formare un liquame aerogel uniforme; 2. quindi aggiungere resina e disperdente per ulteriormente mescolare e disperdere; ② In base alle esigenze reali, vari additivi (come biossido di titanio, polvere ceramica a infrarossi lontano e perline di vetro cavo, ecc.) e coloranti sono mescolati per ottenere rivestimenti aerogel di silice.

I rivestimenti Aerogel hanno bassa conducibilità termica, costruzione semplice e grande potenziale di applicazione. Tuttavia, non c'è ancora un buon metodo per risolvere i problemi di scarsa dispersione e facile agglomerazione di aerogel di silice nei liquami, che portano ad alta conducibilità termica dei rivestimenti. problema.

5.3 Feltro di silice aerogel

Il feltro aerogel di silice si riferisce al tappetino di feltro di isolamento termico preparato dalla composizione di aerogel di silice con rinforzo in fibra nella fase sol, seguito dalla gelatina, invecchiamento, essiccazione e altri processi.

Da un lato, il tappetino in feltro aerogel di silice mantiene bene le eccellenti prestazioni di isolamento termico dell'aerogel e la conducibilità termica può essere bassa fino a 0,0142W/(m·K). Dall'altro lato, il tappetino in feltro aerogel risolve efficacemente il difficile problema di applicazione causato dalla bassa resistenza meccanica dell'aerogel di silice.

Attualmente, la matrice della fibra dei tappetini aerogel comprende principalmente fibre inorganiche e fibre organiche. La matrice di fibra inorganica comprende principalmente fibra di vetro, fibra di allumina e fibra di quarzo. Le fibre inorganiche hanno alta stabilità termica e basso coefficiente di espansione termica, ma la loro flessibilità è scarsa e la forza di legame con l'aerogel è debole, che è facile causare "caduta della polvere". Le fibre organiche, come le fibre di polipropilene, fibre di poliestere, fibre aramidiche, fibre di cellulosa, ecc., possono dare ai tappetini aerogel una migliore flessibilità e resistenza all'adesione aerogel, ma le fibre organiche hanno scarsa stabilità termica e non sono adatte per applicazioni pratiche di isolamento termico.

Attualmente, la parte di rinforzo della fibra del tappetino aerogel sul mercato è principalmente fatta di feltro forato con ago in fibra di vetro e la temperatura di servizio può generalmente raggiungere 550 ° C. Questo tipo di prodotto è stato applicato con successo ai gasdotti petroliferi e alle reti di tubi termici urbani.

5.4 Malta cementizia aerogel silicea

Cemento e calcestruzzo sono i materiali di ingegneria edile più comuni. Componendo aerogel di silice con malta di calcestruzzo può aumentare la porosità della malta di calcestruzzo e ottimizzare il percorso interno di trasferimento del calore, migliorando così le prestazioni di isolamento termico della malta di calcestruzzo.

5.5 Aerogel di silice per collettori solari

Aerogel può essere applicato in piastre di raccolta del calore, serbatoi di stoccaggio dell'acqua, tubi e sistemi di isolamento del collettore di calore degli scaldacqua, in modo da migliorare l'efficienza di raccolta del calore e ridurre la perdita di calore degli scaldacqua solari esistenti.

I collettori solari dotati di aerogel con uno spessore di 20mm hanno eccellenti proprietà di isolamento termico. Rispetto ai ricevitori tradizionali, quando la temperatura del flusso di calore in ingresso è nell'intervallo di 583-823K e l'irradianza verticale è nell'intervallo di 400-1000W·m, l'aerogel può ridurre la perdita di calore del collettore del 7,3% -10,1%. L'efficienza del dispositivo può essere aumentata di 0,01% ~2,92%.

06 Contenitore refrigerato

I contenitori refrigerati devono avere buone prestazioni di isolamento termico, possono mantenere un ambiente a bassa temperatura e sono utilizzati per il trasporto di vari oggetti deperibili. I materiali di isolamento termico dei contenitori refrigerati tradizionali utilizzano generalmente materiali come fibra di vetro, amianto, lana di roccia, blocchi di polistirolo espanso e poliuretano espanso. I materiali organici hanno eccellenti effetti di isolamento termico ma non sono rispettosi dell'ambiente. Anche se i materiali inorganici tradizionali sono atossici e innocui Ma le prestazioni di isolamento sono più generali.

L'uso di silice aerogel per sostituire i materiali tradizionali come materiali isolanti per sistemi a bassa temperatura come contenitori refrigerati può tenere conto delle esigenze di protezione ambientale e prestazioni di isolamento termico. Herchester Company of Germany e Cabot Company of the United States hanno svolto molti lavori di ricerca sui materiali compositi SiO2 aerogel, e i prodotti da essi sviluppati sono stati applicati con successo al sistema di isolamento dei frigoriferi.

07 Veicoli di nuova energia

Attualmente, i materiali di isolamento termico comunemente usati includono cotone in fibra di vetro, cotone silicato di alluminio e pannelli isolanti termici compositi. C'è una necessità urgente di trovare un materiale ignifugo e isolante termico con resistenza alle alte temperature, buone prestazioni di isolamento termico e lunga durata.

L'aerogel di silice presenta vantaggi significativi nelle prestazioni di isolamento termico. Rispetto ai materiali tradizionali dell'isolamento termico, solo 1/5~1/3 dello spessore può raggiungere lo stesso effetto dell'isolamento termico, risparmiando più spazio per le batterie di alimentazione. Attualmente, è stato testato e parzialmente applicato in grandi produttori di batterie agli ioni di litio come Ningde Times e Guoxuan Hi-Tech.

L'applicazione di materiali compositi isolanti termici aerogel di silice nei veicoli di nuova energia deve anche prestare attenzione ai seguenti aspetti:

① La temperatura resistente al calore dell'aerogel di silice esistente è ≤550 ° C, ma la temperatura termica di picco delle batterie agli ioni di litio supera 600 ° C, quindi lo sviluppo di materiali aerogel con temperature resistenti al calore più elevate è una delle tendenze della ricerca;

②Utilizzando il processo di essiccazione supercritico per preparare i materiali compositi aerogel è costoso, quindi lo sviluppo di un processo di essiccazione atmosferica relativamente a basso costo è una direzione importante per l'applicazione su larga scala in futuro;

② Come bilanciare la contraddizione tra l'isolamento termico aerogel e il rilascio di calore della batteria sotto carico elevato è un problema caldo che deve essere studiato.

In futuro, l'applicazione di silice aerogel nel campo dell'isolamento termico può concentrarsi sui seguenti aspetti:

(1) La temperatura di utilizzo dell'aerogel di silice è limitata e non può soddisfare la crescente domanda di isolamento termico nelle aree ad alta temperatura. È importante studiare e migliorare la stabilità termica degli aerogel ad alte temperature.

(2) Gli aerogel della silice sono applicati principalmente sotto forma di tappetini compositi e c'è un problema di "caduta della polvere". Pertanto, è necessario esplorare metodi come la modifica della superficie e l'ottimizzazione della disposizione delle fibre per migliorare la forza di legame tra particelle e fibre aerogel.

(3) Quando la polvere di aerogel è mescolata nei rivestimenti dell'isolamento termico, nei pannelli compositi, ecc., è incline alla delaminazione di fase e porta ad una diminuzione delle prestazioni dei materiali dell'isolamento termico. Ricerca sul miglioramento della dispersione uniforme della polvere di aerogel nei materiali compositi Sicurezza e stabilità sono uno dei problemi chiave da risolvere nella sua applicazione.

(4) Il processo di essiccazione supercritico ad alto costo è utilizzato nell'aerogel di silice esistente, che limita la sua applicazione su larga scala. È una delle tendenze di sviluppo future studiare l'uso di metodi di preparazione a basso costo come il processo di essiccazione a pressione atmosferica per ridurre il suo costo di produzione. uno.