シリカエアロゲルの断熱分野への応用

シリカエアロゲルの多くの優れた性能のため、触媒担体材料、防音材料、断熱材料、有毒ガス吸着材料、宇宙集塵材料などの多くの分野に応用することに成功した。巨大な応用の将来性。新エネルギー自動車、特にリチウムイオン電池のエネルギー密度の向上に伴い、電池の断熱と防火は最も重要な課題の一つとなっている。

01航空宇宙

高性能断熱材は航空宇宙飛行機の熱防護の重要な部品の一つである。超音速航空機にとって、長期的な空力加熱の条件下では、機体表面は極めて高い温度を発生する。航空機の主要構造や内部機器機器が熱浸食の被害を受けるのを防ぐためには、総合性能に優れた断熱材を選ぶことが重要である。

一方、断熱材は外部熱が身体内部に流れるのを効果的に阻止し、身体関連設備の正常な運行に影響を与えないようにする必要がある、ペイロードの向上と飛行距離の増加は重要な意義がある。シリカエアロゲルの密度はわずか約0.08 g/cm 3であり、室温での熱伝導率は0.016 W/（m・K）と低く、航空宇宙飛行による軽量高効率断熱材の需要を満たすことができる。

シリカエアロゲルの軽量性と低熱伝導性は航空宇宙断熱材料の中で最も注目されている材料の1つとなっているが、シリカエアロゲルの航空宇宙への応用にはまだ2つの問題がある：

①エアロゲル自体の機械的強度が低いため、航空宇宙用途ではエアロゲルと繊維材料を結合する必要がある

②シリカエアロゲルの限界動作温度は通常600℃未満であり、これは急速に発展している超音速又は超音速航空機の端面断熱には適用できない。将来的には、シリカエアロゲルの使用温度範囲をより高い温度に拡張するための多相融合と微細構造設計が考慮されるべきである。

02軍需産業分野

軍需産業では、民生分野よりも高性能技術製品の需要が強い。新型高性能断熱材の重要な構成部分として、シリカエアロゲルは軍需産業の愛顧を受けている。

また、米航空宇宙局エイムズ研究センターは、支持フレームとしてケイ酸アルミニウム繊維を使用し、耐火繊維フレーム中の孔をシリコンエアロゲルで充填して、原子力潜水艦、蒸気動力ミサイル駆逐艦の原子炉に応用されているケイ酸アルミニウム繊維強化SiO 2エアロゲル断熱煉瓦を製造した。この材料の熱伝導率は通常の耐火繊維材料より低く、断熱材料の使用量を効果的に減少させ、機内の空きスペースを増加させることができる。同時に、機内の温度を維持し、機内の作業環境を改善することができます。断熱瓦はまた武器動力装置に用いられ、熱放射を遮断し、武器装備の反赤外偵察に有利である。また、エアロゲルは軍用熱電池にも使用され、軍用熱電池の熱寿命を高めることができる。

シリカエアロゲルにより多くの機能を与えることは、軍事分野での応用と研究開発の主要な方向の一つである。例えば、軍用防護服は断熱機能を持つだけでなく、現代の戦争需要によりよく適応するために赤外線遮蔽機能（ステルス）を持つ必要がある。したがって、シリカエアロゲルの多機能設計をどのように実現するかは、軍事分野での応用において考慮すべき重要な問題である。

03産業用タンクと配管

現在、市場でよく見られる暖房エアコンやその他の生活管保温材は主にポリウレタンフォーム、フェノールフォーム、ポリスチレンフォームなどの有機ポリマーフォームである。しかし、これらの材料は燃えやすく、火災リスクが高い。シリカエアロゲルは安全、軽量、断熱性能がよく、総合性能の面で大きな優位性を持っている。

研究により、エアゲル断熱複合膜材料が金属管表面に被覆されると、被覆材料の熱伝導率は0.084 W/（m・K）に低下することができることが明らかになった。また、エアロゲル複合膜で覆われた配管材料の耐火限界時間は70分に達し、配管の安全性を効果的に向上させた。化学管保温の応用において、主にシリコンエアロゲル複合フェルトを使用し、特殊な防水措置（疎水率≧99%）がなく、依然として雨や湿気のある環境で施工することができる。

 化学工業用配管へのエアロゲルフェルトマットの使用

また、エアロゲル複合フェルトは良好な耐震性と引張性能を有し、使用中に粒子の蓄積と沈降がなく、使用寿命が長い。直埋蒸気管保温層の応用において、最大許容熱損失を満たす前提で、シリカエアロゲル複合フェルトに必要な保温層の厚さはガラス繊維フェルトに比べて40%〜54%節約できる。これにより、配管の直埋に使用されるスペースが減少します。シリカエアロゲルフェルトは優れた断熱性能を有し、高い蒸気温度と狭い劣悪な場所条件下でより良い発揮空間を有する。シリカガスゲルフェルトも石油パイプラインの保温と中海油海南液化天然ガス輸送パイプラインへの応用に成功した。配管の長期安定運転により、優れた断熱性能と安全安定性能が検証された。

04ボイラ

エアロゲルの優れた断熱性能を利用して、ボイラ表面断熱に応用することで、ボイラ表面温度とボイラ熱損失を大幅に低減することができる。実際の使用では、繊維マトリックスとシリカエアロゲルは通常、エアロゲルフェルトマットを形成するために結合され、次いでボイラ本体に適用される。ボイラーにエアロゲル複合材料を使用すると、炉体の表面温度を約39°C下げ、熱効率を79.7%から81.9%に上げ、2.2%省エネすることができる。

ボイラシステムにおけるエアロゲル複合材料の使用

ボイラの温度は通常高いので、シリカエアロゲル複合材料中の繊維は高温耐性を持たなければならない。高温に強い多結晶ムライト繊維とシリカエアロゲル複合材料を使用することがより好ましい解決策である。

シリカエアロゲルは現在、ボイラに使用されることが少なく、主に製造コストと関係がある。一方、工業ボイラの温度は比較的高く、エアロゲルの長期動作温度限界は一般的に600℃未満である。シリコーンエアロゲルの耐高温性を高めることは将来の発展傾向である。

05建築保温と家庭生活

シリカエアロゲルは軽量、低熱伝導性、長寿命と良好な疎水性を有し、建築分野の断熱、防火、防音、防水の要求を満たすことができる。現在、シリコンエアロゲルの使用形態は主にエアロゲル省エネガラス、エアロゲルコーティング、エアロゲルフェルトマット、エアロゲルフィルム、エアロゲルコンクリートとモルタル、屋根太陽熱集熱器を含む。

5.1シリコンエアロゲル省エネガラス

透明保護構造は建築省エネルギーの弱い一環であり、その中のガラスは透明保護構造の主要な材料であり、その省エネルギー性能は非常に重要である。シリカエアロゲルの良好な光透過性、断熱性、およびノイズ低減能力は、建築分野、特に建築ガラスの応用において顕著な利点をもたらす。

民間建築におけるエアロゲルガラスの使用

ガラスへのエアロゲルの適用は、ガラスの放熱を低減するだけでなく、照明要件を満たすことができる。外観と採光を保証する上で、シリカエアロゲルガラスはより良い耐熱性、より強い耐放射性を持ち、色調整と吸音にも使用でき、顕著な応用優位性がある。現在、建築ガラスにおけるシリカ材料の使用には、主にエアロゲルコーティングガラス、バルクエアロゲルガラス、粒子エアロゲル充填ガラスが含まれる。

エアロゲルガラスはまだ工業研究開発段階にあり、関連技術の障壁が高く、実践の中では少量の工事応用しかない。現在、粒子状エアロゲル充填ガラスの既存メーカーは主に欧米先進国に集中している。2015年、中国は初めて長沙で量産を実現した。しかし、エアロゲルガラスはまだ初期段階であり、実用化までにはまだ長い道のりがある。

5.2シリカエアロゲルコーティング

エアロゲル断熱コーティングはシリカエアロゲル応用の重要な分岐である。エアロゲル断熱コーティングの製造方法は、1。シリカエアロゲル粒子、安定剤（又は消泡剤）及び水を混合して研磨して均一なエアロゲルスラリーを形成する、2.その後、樹脂と分散剤を加えてさらに攪拌・分散する、③実際の必要に応じて、二酸化チタン、遠赤外線セラミックス粉、中空ガラスビーズなどの各種添加剤と染色剤を混合し、シリカエアロゲルコーティングを得た。

エアロゲルコーティングは熱伝導率が低く、構造が簡単で、応用潜在力が大きい。しかし、スラリー中のシリカエアロゲルの分散性が悪く、凝集しやすいという問題を解決するための良い方法は依然としてなく、これはコーティングの高熱伝導性をもたらしている。問題

5.3シリカエアロゲルフェルト

シリカエアロゲルフェルトとは、ゾル段階でシリカエアロゲルと繊維強化剤を混合し、その後ゲル化、老化、乾燥などの過程を経て製造される断熱フェルトマットを指す。

一方、シリカエアロゲルフェルトマットはエアロゲルの優れた断熱性能をよく保持し、熱伝導率は0.0142 W/（m・K）まで低くすることができる。一方、エアロゲルフェルトマットはシリカエアロゲルの機械的強度が低いことによる応用難題を効果的に解決した。

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.

現在市場に出回っているエアロゲルマットの繊維強化部分は主にガラス繊維針刺フェルトで作られ、使用温度は一般的に550°Cに達することができる。この製品は、送油パイプと都市熱力管網への応用に成功した。

5.4シリコーンエアロゲルコンクリートモルタル

セメントとコンクリートは最も一般的な建築工事材料である。シリカエアロゲルとコンクリートモルタルを混合することで、コンクリートモルタルの空隙率を高め、内部伝熱経路を最適化し、コンクリートモルタルの断熱性能を高めることができる。

5.5太陽熱集熱器用シリコンエアロゲル

エアロゲルは温水器の集熱板、貯水タンク、配管と集熱器断熱システムに応用でき、それによって集熱効率を高め、既存の太陽熱温水器の熱損失を減少する。

厚さ20 mmのエアロゲルを搭載した太陽熱集熱器は優れた断熱性能を持っている。従来の受信機と比較して、入口熱流温度が583-823 Kの範囲内で、垂直放射照度が400-1000 W・mの範囲内である場合、エアロゲルはコレクタの熱損失を7.3%-10.1%低減でき、装置効率は0.01%~ 2.92%向上できる。

06冷蔵コンテナ

冷蔵コンテナは良好な断熱性能を持ち、低温環境を維持し、各種の腐食しやすい物品の輸送に使用する必要がある。従来の冷蔵コンテナの断熱材としては、通常、ガラス繊維、石綿、岩綿、ポリスチレン発泡体ブロック、発泡ポリウレタンなどが用いられている。有機材料は優れた断熱効果を持っているが、環境に配慮していない。従来の無機材料は無毒無害であるが、絶縁性能はより一般的である。

冷蔵コンテナなどの低温システムの断熱材として従来の材料の代わりにシリカエアロゲルを使用することは、環境保護と断熱性能の必要性を考慮することができる。ドイツのヘルツェスト社とアメリカのカボット社はSiO 2エアロゲル複合材料に対して大量の研究作業を行い、彼らが開発した製品は冷蔵庫の保温システムに応用することに成功した。

07新エネルギー自動車

現在、一般的に使用されている断熱材には、ガラス繊維綿、ケイ酸アルミニウム綿、複合断熱板が含まれる。高温に強く、断熱性能がよく、寿命が長い防火断熱材を見つけることが切実である。

シリカエアロゲルは断熱性能の面で顕著な優位性を持っている。従来の断熱材に比べて、厚さの1/5〜1/3だけが同じ断熱効果を達成でき、動力電池のためにより多くのスペースを節約することができる。現在、寧徳時代や国軒ハイテクなどの大型リチウムイオン電池メーカーでテストされ、一部使用されている。

シリカエアロゲル断熱複合材料の新エネルギー自動車への応用には、以下の問題にも注意する必要がある：

①既存のシリカエアロゲルの耐熱温度は≦550°Cであるが、リチウムイオン電池のピーク熱暴走温度は600°Cを超えるため、より高い耐熱温度を有するエアロゲル材料の開発は研究傾向の一つである、

②超臨界乾燥技術を用いたエアロゲル複合材料の製造コストが高いため、開発コストが相対的に低い常圧乾燥技術は将来の大規模応用の重要な方向である、

③高負荷下でのエアロゲル断熱と電池熱放出との矛盾をどのようにバランスさせるかは研究すべきホットスポット問題である。

将来的には、シリカエアロゲルの断熱領域への応用は以下のいくつかの方面に集中することができる：

（1）シリカエアロゲルの使用温度は限られており、高温地域で増加する断熱需要を満たすことができない。高温でのエアロゲルの熱安定性を研究し、向上させることは重要な意義がある。

(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）エアロゲル粉末を断熱コーティング、複合板などに混合すると、相層化が起こりやすくなり、断熱材の性能低下を招く。複合材料中のエアロゲル粉末の均一分散性を高めるための研究の安全性と安定性は、その応用において解決すべき重要な問題の1つである。

（4）既存のシリカエアロゲルはコストの高い超臨界乾燥プロセスを採用し、これはその大規模な応用を制限した。常圧乾燥法などの低コスト製造方法を用いてその生産コストを低減することを研究することは将来の発展傾向の一つである。一