Aplicação de aerogel de sílica no campo da isolação térmica

Graças às muitas propriedades excelentes do aerogel de sílica, tem sido aplicado com sucesso em muitos campos, tais como materiais de transporte de catalisadores, materiais de isolamento acústico, materiais de isolamento térmico, materiais de adsorção de gás tóxico e materiais de coleta de poeira cósmica, etc. Com a melhoria contínua da densidade de energia de novos veículos de energia, especialmente baterias de íons de lítio, a isolação térmica e prevenção de incêndios de baterias tornou-se um dos tópicos mais importantes.

01 Aeroespacial

Materiais de isolamento térmico de alto desempenho são um dos principais componentes da proteção térmica para veículos aeroespaciais. Para veículos hipersônicos, sob a condição de aquecimento aerodinâmico a longo prazo, a superfície do corpo gerará temperaturas extremamente altas. A fim de evitar a estrutura principal da aeronave e instrumentos internos O equipamento é prejudicado pela erosão térmica, por isso é muito importante escolher um material de isolamento térmico com excelente desempenho abrangente.

Por um lado, o material de isolamento térmico precisa efetivamente bloquear o fluxo de calor externo para o interior do corpo, de modo a não afetar o funcionamento normal do equipamento relacionado do corpo; É de grande importância aumentar a carga útil e aumentar a distância de voo. A densidade do aerogel de sílica é apenas cerca de 0,08g / cm3, e a condutividade térmica à temperatura ambiente é tão baixa quanto 0,016W / (m·K), que pode atender às necessidades da aeroespacial para materiais de isolamento térmico leves e eficientes.

O peso leve e a baixa condutividade térmica do aerogel de sílica o tornam um dos materiais mais preocupados em materiais de isolamento aeroespacial, mas ainda há dois problemas na aplicação do aerogel de sílica no aeroespacial:

① A resistência mecânica do aerogel em si é baixa, por isso geralmente é necessário combinar aerogel com materiais de fibra em aplicações aeroespaciais.

②A temperatura de trabalho limite do aerogel de sílica é geralmente inferior a 600 ° C, que não pode ser aplicada ao isolamento térmico das faces finais de aeronaves supersônicas ou hipersônicas que estão se desenvolvendo rapidamente. No futuro, a fusão multifásica e o projeto da microestrutura devem ser considerados para integrar a escala da temperatura da aplicação do aerogel da sílica é estendida para a temperatura mais alta.

02 Domínio da indústria militar

A demanda por produtos técnicos de alto desempenho na indústria militar é mais forte do que a do campo civil. Como um membro importante de novos materiais de isolamento térmico de alto desempenho, o aerogel de sílica tem sido favorecido pela indústria militar.

Além disso, o NASA Ames Research Center dos Estados Unidos usou fibras de silicato de alumínio como estrutura de suporte, e encheu os poros na estrutura de fibra refratária com aerogel de sílica para preparar telhas de isolamento de aerogel SiO2 reforçadas com fibras de silicato de alumínio, que foram aplicadas a submarinos nucleares , O reator nuclear de um destruidor de mísseis movido a vapor. A condutividade térmica deste material é menor do que a dos materiais de fibra refratária comuns, o que pode efetivamente reduzir a quantidade de materiais de isolamento térmico e aumentar o espaço utilizável na cabine. Ao mesmo tempo, pode manter a temperatura na cabine e melhorar o ambiente de trabalho na cabine. A telha de isolamento térmico também é usada em dispositivos de energia de armas para bloquear a radiação térmica, o que é benéfico para o reconhecimento anti-infravermelho de armas e equipamentos; além disso, o aerogel também é usado em baterias térmicas militares, que podem melhorar a vida térmica de baterias térmicas militares.

Dar mais funções ao aerogel de sílica é uma das principais direções de sua aplicação e pesquisa e desenvolvimento no campo militar. Por exemplo, a roupa de proteção militar não só precisa ter a função de isolamento térmico, mas também precisa ter a função de blindagem infravermelha (furtividade), de modo a adaptar-se melhor às necessidades modernas da guerra. Portanto, como realizar o design multifuncional do aerogel de sílica é uma questão importante que precisa ser considerada em sua aplicação no campo militar.

03 Tanques e condutas industriais de armazenamento

Atualmente, os materiais de isolamento comuns para HVAC e outros tubos vivos no mercado são principalmente espumas de polímero orgânico, como espuma de poliuretano, espuma fenólica, espuma de poliestireno, etc No entanto, esses materiais são inflamáveis e têm um alto risco de incêndio. O aerogel de sílica é seguro, leve, bom no desempenho da isolação térmica e tem grandes vantagens no desempenho abrangente.

Estudos mostraram que a condutividade térmica do material coberto pode ser reduzida a 0,084W/(m·K) quando o material de filme composto de isolamento térmico aerogel é coberto na superfície do tubo de metal. Além disso, o tempo limite de resistência ao fogo do material da tubulação coberto com o filme composto de aerogel pode chegar a 70 minutos, o que efetivamente melhora a segurança da tubulação. Na aplicação do isolamento químico da tubulação, o feltro composto do aerogel da sílica é usado principalmente, sem medidas impermeáveis especiais (taxa hidrofóbica ≥ 99%), e ainda pode ser construído em ambientes chuvosos ou úmidos.

 Aplicação de almofadas de feltro aerogel em tubulações químicas

Além disso, o feltro composto aerogel tem boas propriedades anti-sísmicas e de tração, sem acúmulo de partículas e assentamento durante o uso e uma longa vida útil. Na aplicação da camada de isolamento térmico de tubulações de vapor diretamente enterradas, sob a premissa de atender a perda de calor máxima permitida, a espessura da camada de isolamento térmico exigida pelo feltro composto de aerogel de sílica pode ser economizada em 40% a 54% em comparação com o feltro de fibra de vidro. Reduzindo assim o espaço ocupado pelo enterramento direto dos dutos. O feltro aerogel da sílica tem o desempenho excelente da isolação térmica, e tem um espaço melhor para jogar sob as condições da temperatura alta do vapor e do espaço estreito e áspero do local. A esteira de feltro de aerogel de sílica também foi aplicada com sucesso ao isolamento do oleoduto e à tubulação de transmissão CNOOC Hainan LNG. A operação estável a longo prazo da tubulação verificou seu excelente isolamento térmico e desempenho de segurança e estabilidade.

04 Caldeira

Aproveitando o excelente desempenho de isolamento térmico do aerogel, aplicá-lo ao isolamento térmico da superfície da caldeira pode reduzir consideravelmente a temperatura da superfície da caldeira e a perda de calor da caldeira. No uso real, a matriz de fibra e o aerogel de sílica são frequentemente combinados para formar uma esteira de feltro de aerogel, que é então aplicada ao corpo da caldeira. Depois que a caldeira usa materiais compostos de aerogel, a temperatura de superfície do corpo do forno pode ser reduzida em cerca de 39 ° C, a eficiência térmica é aumentada de 79,7% para 81,9%, e a economia de energia é de 2,2%.

Aplicação de compósitos aerogel em sistemas de caldeiras

A temperatura da caldeira é geralmente alta, então as fibras no material composto de aerogel de sílica devem ter resistência a altas temperaturas. É uma solução mais preferida para usar fibras de mulita policristalina resistentes a altas temperaturas e compósitos de aerogel de sílica.

O aerogel de sílica é atualmente menos utilizado em caldeiras, principalmente relacionado ao seu custo de fabricação. Por outro lado, a temperatura das caldeiras industriais é relativamente alta, e o limite de temperatura de trabalho a longo prazo do aerogel é geralmente inferior a 600 ° C. Melhorar a resistência a altas temperaturas do aerogel de sílica é a tendência de desenvolvimento futuro.

05 Isolamento de edifícios e vida doméstica

O aerogel de sílica é leve, baixa condutividade térmica, longa vida útil e boa hidrofobicidade, que pode atender às necessidades de isolamento térmico, à prova de fogo, à insonorização e à impermeabilização no campo da construção. Atualmente, as formas de aplicação de aerogel de sílica incluem principalmente vidro de economia de energia de aerogel, revestimento de aerogel, almofada de feltro de aerogel, folha de aerogel, concreto e argamassa de aerogel e coletores solares de telhado.

5.1 Vidro aerogel de sílica economizador de energia

A estrutura transparente do envelope é o elo fraco da conservação de energia do edifício, entre os quais o vidro é o principal material da estrutura transparente do envelope, e seu desempenho de economia de energia é muito importante. As boas capacidades de transmissão de luz, isolamento térmico e redução de ruído do aerogel de sílica fazem com que tenha vantagens óbvias na aplicação do campo arquitetônico, especialmente vidro arquitetônico.

Aplicação de vidro aerogel em edifícios civis

Aplicar aerogel ao vidro não só pode reduzir a dissipação de calor do vidro, mas também atender aos requisitos de iluminação. Com base em garantir a aparência e iluminação, o vidro aerogel de sílica tem melhor resistência ao calor, resistência à radiação mais forte e também pode ser usado para ajuste de cor e absorção de som, o que tem vantagens significativas de aplicação. Atualmente, a aplicação de materiais de sílica em vidro arquitetônico inclui principalmente vidro revestido de aerogel, vidro de aerogel a granel e vidro preenchido de aerogel granular.

O vidro aerogel ainda está no estágio de pesquisa e desenvolvimento industrial, as barreiras técnicas relevantes são altas e há apenas um pequeno número de aplicações de engenharia na prática. Atualmente, os fabricantes existentes de vidro cheio de aerogel de partículas estão concentrados principalmente em países desenvolvidos na Europa e nos Estados Unidos. Em 2015, a China alcançou a produção em massa em Changsha pela primeira vez. No entanto, o vidro aerogel ainda está em sua infância, e ainda há um longo caminho a percorrer antes da aplicação prática.

5.2 Revestimento aerogel de sílica

O revestimento da isolação térmica do aerogel é um ramo importante da aplicação do aerogel da sílica. A preparação do revestimento de isolamento térmico aerogel compreende as seguintes etapas: 1. Misturam-se e trituram-se partículas de aerogel de sílica, estabilizador (ou defoamer) e água para formar uma pasta de aerogel uniforme; 2. em seguida, adicione resina e dispersante para agitar e dispersar ainda mais; De acordo com as necessidades reais, vários aditivos (como dióxido de titânio, pó cerâmico infravermelho distante e contas de vidro ocas, etc.) e agentes de tingimento são misturados para obter revestimentos de aerogel de sílica.

Os revestimentos aerogel têm baixa condutividade térmica, construção simples e grande potencial de aplicação. No entanto, ainda não há um bom método para resolver os problemas de má dispersão e fácil aglomeração de aerogel de sílica em pasta, o que leva a alta condutividade térmica dos revestimentos. problema.

5.3 Feltro aerogel de sílica

Silica aerogel feltro refere-se ao tapete de feltro de isolamento térmico preparado pela composição de sílica aerogel com reforço de fibra no estágio sol, seguido de gelação, envelhecimento, secagem e outros processos.

Por um lado, a esteira de feltro aerogel de sílica retém bem o excelente desempenho de isolamento térmico do aerogel, e a condutividade térmica pode ser tão baixa quanto 0,0142W / (m·K). Por outro lado, a almofada de feltro aerogel resolve eficazmente o problema difícil de aplicação causado pela baixa resistência mecânica do aerogel de sílica.

Atualmente, a matriz de fibra de tapetes de aerogel inclui principalmente fibras inorgânicas e fibras orgânicas. A matriz de fibra inorgânica inclui principalmente fibra de vidro, fibra de alumina e fibra de quartzo. As fibras inorgânicas têm alta estabilidade térmica e baixo coeficiente de expansão térmica, mas sua flexibilidade é pobre e a força de ligação com aerogel é fraca, o que é fácil de causar "queda de pó". Fibras orgânicas, como fibras de polipropileno, fibras de poliéster, fibras de aramida, fibras de celulose, etc., podem dar aos tapetes de aerogel melhor flexibilidade e força de ligação de aerogel, mas as fibras orgânicas têm baixa estabilidade térmica e não são adequadas para aplicações práticas de isolamento térmico.

Atualmente, a parte de reforço de fibra da esteira de aerogel no mercado é feita principalmente de feltro perfurado por agulha de fibra de vidro, e a temperatura de serviço geralmente pode chegar a 550 ° C. Este tipo de produto foi aplicado com sucesso a oleodutos e redes urbanas de tubos de calor.

5.4 Argamassa de concreto aerogel de sílica

Cimento e concreto são os materiais de engenharia de construção mais comuns. Compostar aerogel de sílica com argamassa de concreto pode aumentar a porosidade da argamassa de concreto e otimizar o caminho interno de transferência de calor, melhorando assim o desempenho de isolamento térmico da argamassa de concreto.

5.5 Aerogel de sílica para coletores solares

Aerogel pode ser aplicado em placas coletoras de calor, tanques de armazenamento de água, tubulações e sistemas de isolamento de coletores de calor de aquecedores de água, de modo a melhorar a eficiência de coleta de calor e reduzir a perda de calor de aquecedores de água solares existentes.

Coletores solares equipados com aerogel com uma espessura de 20mm têm excelentes propriedades de isolamento térmico. Comparado com receptores tradicionais, quando a temperatura do fluxo de calor da entrada está na faixa de 583-823K e a irradiância vertical está na faixa de 400-1000W·m, o aerogel pode reduzir a perda de calor do coletor em 7,3%-10,1%. a eficiência do dispositivo pode ser aumentada em 0,01%~2,92%.

06 Recipiente refrigerado

Recipientes refrigerados precisam ter bom desempenho de isolamento térmico, podem manter um ambiente de baixa temperatura e são usados para o transporte de vários itens perecíveis. Os materiais de isolamento térmico dos recipientes refrigerados tradicionais geralmente usam materiais como fibra de vidro, amianto, lã de rocha, blocos de espuma de poliestireno e poliuretano espumado. Os materiais orgânicos têm excelentes efeitos de isolamento térmico, mas não são ecológicos. Embora os materiais inorgânicos tradicionais sejam não tóxicos e inofensivos Mas o desempenho da isolação é mais geral.

O uso de aerogel de sílica para substituir materiais tradicionais como materiais de isolamento para sistemas de baixa temperatura, como recipientes refrigerados, pode levar em conta as necessidades de proteção ambiental e desempenho de isolamento térmico. A Herchester Company da Alemanha e a Cabot Company dos Estados Unidos realizaram muitos trabalhos de pesquisa em materiais compósitos de aerogel SiO2, e os produtos desenvolvidos por eles foram aplicados com sucesso ao sistema de isolamento de refrigeradores.

07 Veículos novos de energia

Atualmente, os materiais de isolamento térmico comumente usados incluem algodão de fibra de vidro, algodão de silicato de alumínio e placas compostas de isolamento térmico. Há uma necessidade urgente de encontrar um material à prova de fogo e isolamento térmico com resistência a altas temperaturas, bom desempenho de isolamento térmico e longa vida.

O aerogel de sílica tem vantagens significativas no desempenho da isolação térmica. Comparado com materiais tradicionais de isolamento térmico, apenas 1/5 ~ 1/3 da espessura pode alcançar o mesmo efeito de isolamento térmico, economizando mais espaço para baterias de energia. Atualmente, foi testado e parcialmente aplicado em grandes fabricantes de baterias de íons de lítio, como Ningde Times e Guoxuan Hi-Tech.

A aplicação de materiais compósitos de isolamento térmico aerogel de sílica em novos veículos de energia também precisa prestar atenção às seguintes questões:

①A temperatura resistente ao calor do aerogel de sílica existente é ≤550 ° C, mas a temperatura de fuga térmica máxima das baterias de íons de lítio excede 600 ° C, de modo que o desenvolvimento de materiais de aerogel com temperaturas resistentes ao calor mais altas é uma das tendências de pesquisa;

②Usar o processo de secagem supercrítico para preparar materiais compostos de aerogel é caro, então o desenvolvimento de processo de secagem atmosférica de custo relativamente baixo é uma direção importante para aplicação em larga escala no futuro;

① Como equilibrar a contradição entre isolamento térmico de aerogel e liberação de calor da bateria sob alta carga é um problema quente que precisa ser estudado.

No futuro, a aplicação de aerogel de sílica no campo do isolamento térmico pode se concentrar nos seguintes aspectos:

(1) A temperatura de uso do aerogel de sílica é limitada, e não pode atender à demanda crescente de isolamento térmico em áreas de alta temperatura. É importante estudar e melhorar a estabilidade térmica dos aerogéis em altas temperaturas.

(2) Os aerogéis de sílica são aplicados principalmente na forma de tapetes compostos, e há um problema de "queda de pó". Portanto, é necessário explorar métodos como modificação de superfície e otimização do arranjo de fibras para aumentar a força de ligação entre partículas de aerogel e fibras.

(3) Quando o pó de aerogel é misturado em revestimentos de isolamento térmico, painéis compostos, etc., é propenso à delaminação de fase e leva a uma diminuição no desempenho de materiais de isolamento térmico. Pesquisa sobre a melhoria da dispersão uniforme do pó de aerogel em materiais compósitos Segurança e estabilidade são uma das principais questões a serem resolvidas em sua aplicação.

(4) O processo de secagem supercrítico com alto custo é usado no aerogel de sílica existente, o que limita sua aplicação em larga escala. É uma das tendências futuras de desenvolvimento estudar o uso de métodos de preparação de baixo custo, como o processo de secagem por pressão atmosférica, para reduzir seu custo de produção. Um.