Применение аэрогеля диоксида кремния в области теплоизоляции

Благодаря многим превосходным свойствам аэрогеля диоксида кремния, он успешно применяется во многих областях, таких как каталитические носители, звукоизоляционные материалы, теплоизоляционные материалы, адсорбционные материалы токсичных газов и космические пылесосы. По мере того, как плотность энергии новых энергетических транспортных средств, особенно литий - ионных батарей, продолжает расти, изоляция и пожарная защита батарей стали одной из самых важных тем.

01 Авиация

Высокопроизводительные изоляционные материалы являются одним из ключевых компонентов тепловой защиты аэрокосмических аппаратов. Для гиперзвуковых летательных аппаратов при длительном аэродинамическом нагревании поверхность тела производит очень высокие температуры. Для того, чтобы предотвратить термическую эрозию основных конструкций и внутренних приборов самолета, важно выбрать теплоизоляционные материалы с отличными комплексными характеристиками.

С одной стороны, изоляционные материалы должны эффективно препятствовать притоку внешнего тепла внутрь тела, чтобы не влиять на нормальную работу оборудования, связанного с телом; Важное значение имеет увеличение полезной нагрузки и дальности полета. Плотность аэрогеля диоксида кремния составляет всего около 0,08 г / см3, а теплопроводность при комнатной температуре ниже 0016 Вт / (m · K), что удовлетворяет потребности аэрокосмической промышленности в легких и эффективных теплоизоляционных материалах.

Легкость и низкая теплопроводность аэрогеля диоксида кремния делают его одним из наиболее важных материалов для аэрокосмической изоляции, но применение аэрогеля диоксида кремния в аэрокосмической промышленности по - прежнему вызывает две проблемы:

Аэрогель сам по себе имеет низкую механическую прочность, поэтому в аэрокосмических применениях его часто нужно связывать с волокнистыми материалами.

Предельная рабочая температура аэрогеля диоксида кремния обычно ниже 600 °C, что не может быть применено к торцевой изоляции быстро развивающихся сверхзвуковых или гиперзвуковых самолетов. В будущем следует рассмотреть многофазное слияние и микроструктурную конструкцию для расширения диапазона температур применения аэрогеля диоксида кремния до более высоких температур.

02 Военная сфера

Спрос на высокотехнологичную продукцию в военной промышленности выше, чем в гражданской сфере. В качестве важной части нового высокопроизводительного изоляционного материала аэрогель диоксида кремния пользуется поддержкой военной промышленности.

Кроме того, Исследовательский центр НАСА в Эймсе использует силикатно - алюминиевое волокно в качестве опорной рамы и заполняет поры в раме огнеупорного волокна силиконовым аэрогелем для подготовки термоизоляционного кирпича SiO2, усиленного силикатно - алюминиевым волокном, который используется в ядерных реакторах атомных подводных лодок и ракетных эсминцев с паровым двигателем. Теплопроводность этого материала ниже, чем у обычных огнеупорных волокнистых материалов, что может эффективно уменьшить использование изоляционных материалов и увеличить доступное пространство в кабине. В то же время он может поддерживать температуру в кабине и улучшать рабочую среду в кабине. Изоляционная плитка также используется в силовых установках вооружения для защиты от теплового излучения, что способствует противоинфракрасной разведке оружия и оборудования; Кроме того, аэрогель также используется в военных тепловых батареях, которые могут увеличить тепловой срок службы военных тепловых батарей.

Предоставление аэрогелю диоксида кремния большей функциональности является одним из основных направлений его применения и исследований и разработок в военной области. Например, военная защитная одежда должна иметь не только изоляционную функцию, но и функцию инфракрасного экранирования (стелс), чтобы лучше адаптироваться к потребностям современной войны. Поэтому реализация многофункциональной конструкции аэрогеля диоксида кремния является важным вопросом, который необходимо учитывать при его применении в военной области.

03 Промышленные резервуары и трубопроводы

В настоящее время распространенными на рынке теплоизоляционными материалами для кондиционирования воздуха и других бытовых трубопроводов являются в основном органические полимерные пены, такие как полиуретановые пены, фенолоальдегидные пены, полистирольные пены и т. Д. Однако эти материалы легковоспламеняются и имеют высокий риск пожара. Диоксид кремния аэрогель безопасен, легкий вес, хорошая теплоизоляция, в общей производительности имеет большие преимущества.

Исследования показывают, что при покрытии поверхности металлической трубы аэрогелевым изоляционным композитным покрытием теплопроводность покрытия может быть уменьшена до 0084W / (m · K). Кроме того, огнестойкость материала трубопровода, покрытого аэрогелевой композитной пленкой, может достигать 70 минут, что эффективно повышает безопасность трубопровода. В применении химической изоляции трубопроводов в основном используется силиконовый аэрогель композитный войлок без специальных водонепроницаемых мер (гидрофобный коэффициент ≥99%), который все еще может быть построен в дождливой или влажной среде.

Применение аэрогелевых войлочных прокладок в химических трубопроводах

Кроме того, аэрогелевый композитный войлок обладает хорошими сейсмическими и растягивающими свойствами, не накапливается и не оседает частиц во время использования и имеет длительный срок службы. При применении изоляционного слоя для трубопроводов прямого захоронения толщина изоляционного слоя, необходимая для аэрогелевого композитного войлока из диоксида кремния, может быть сэкономлена на 40 - 54% по сравнению со стекловолокнистым войлоком при условии удовлетворения максимально допустимых тепловых потерь. Таким образом, уменьшается площадь, занимаемая прямым захоронением труб. Аэрогелевый войлок из диоксида кремния обладает отличными теплоизоляционными свойствами и имеет лучшее пространство для игры при высоких температурах пара и узких и суровых условиях площадки. Диоксид кремния газогель войлок также был успешно применен для изоляции нефтяных трубопроводов и трубопроводов для транспортировки сжиженного природного газа CNOOC Хайнань. Долгосрочная стабильная эксплуатация трубопровода подтверждает его превосходную теплоизоляцию и безопасность и стабильность.

04 Котлы

Используя отличные теплоизоляционные свойства аэрогеля, он применяется к изоляции поверхности котла, что может значительно снизить температуру поверхности котла и потерю тепла котла. В практическом использовании волокнистая матрица и аэрогель диоксида кремния обычно сочетаются, чтобы сформировать аэрогелевую войлочную прокладку, которая затем применяется к основной части котла. После использования аэрогелевых композиционных материалов в котле температура поверхности корпуса печи может быть снижена примерно на 39°C, тепловая эффективность повышена с 79,7% до 81,9%, энергосбережение 2,2%.

Применение аэрогелевых композиционных материалов в котельных системах

Температура в котлах обычно высока, поэтому волокна в аэрогелевых композиционных материалах из диоксида кремния должны быть высокотемпературными. Использование высокотемпературных поликристаллических моллитовых волокон и аэрогелевых композиционных материалов из диоксида кремния является более предпочтительным решением.

Аэрогель диоксида кремния в настоящее время используется в меньшей степени в котлах, главным образом из - за его производственных затрат. С другой стороны, температура в промышленных котлах относительно высока, а предельная долгосрочная рабочая температура аэрогеля, как правило, ниже 600 °C. Повышение термостойкости силиконового аэрогеля - это будущая тенденция.

5 Строительная изоляция и бытовая жизнь

Аэрогель из диоксида кремния обладает легкой, низкой теплопроводностью, долголетием и хорошей гидрофобностью для удовлетворения требований к изоляции, пожаротушению, звукоизоляции и водонепроницаемости в области строительства. В настоящее время силиконовый аэрогель используется в основном в виде аэрогелевого энергосберегающего стекла, аэрогелевого покрытия, аэрогелевых войлочных прокладок, аэрогелевой пленки, аэрогелевого бетона и раствора, а также солнечных коллекторов крыши.

5.1 Силиконовый аэрогель энергосберегающее стекло

Прозрачная ограждающая конструкция является слабым звеном в энергосбережении зданий, из которых стекло является основным материалом прозрачной ограждающей конструкции, ее энергосберегающие свойства очень важны. Хорошая светопроницаемость, теплоизоляция и шумоподавление аэрогеля диоксида кремния дают ему очевидные преимущества в области строительства, особенно в строительстве стекла.

Применение аэрогелевого стекла в гражданских зданиях

Применение аэрогеля на стекле не только уменьшает теплоотдачу от стекла, но и отвечает требованиям освещения. На основе обеспечения внешнего вида и освещения, диоксиднокремниевое аэрогелевое стекло обладает лучшей термостойкостью, большей радиационной стойкостью, а также может использоваться для регулировки цвета и звукопоглощения, имеет значительные преимущества применения. В настоящее время применение диоксида кремния в строительном стекле в основном включает в себя стекло с аэрогелевым покрытием, большие куски аэрогелевого стекла и гранулированное аэрогелевое наполнение стекла.

Аэрогелевое стекло все еще находится на стадии промышленных исследований и разработок, связанные с ним технические барьеры высоки, на практике только небольшое количество инженерных применений. В настоящее время существующие производители гранулированного аэрогеля, заполненного стеклом, в основном сосредоточены в развитых странах Европы и США. В 2015 году Китай впервые осуществил массовое производство в Чанша. Тем не менее, аэрогелевое стекло все еще находится в зачаточном состоянии, и до практического применения еще далеко.

5.2 Аэрогелевые покрытия из диоксида кремния

Аэрогелевые изоляционные покрытия являются важной отраслью применения аэрогеля диоксида кремния. Подготовка аэрогелевых изоляционных покрытий включает следующие этапы: 1. Частицы аэрогеля диоксида кремния, стабилизаторы (или пеногасители) и вода смешиваются и измельчаются, чтобы сформировать однородную аэрогелевую пасту; Затем добавьте смолу и диспергирующий агент для дальнейшего перемешивания и рассеивания; В соответствии с фактическими потребностями различные добавки (например, диоксид титана, керамический порошок дальней инфракрасной области спектра и полые стеклянные шарики) и красители смешиваются, чтобы получить аэрогелевое покрытие диоксида кремния.

Аэрогелевое покрытие имеет низкий коэффициент теплопроводности, простую структуру и большой потенциал применения. Тем не менее, до сих пор нет хорошего способа решить проблему плохой дисперсии и легкости воссоединения аэрогеля диоксида кремния в суспензии, что приводит к высокой теплопроводности покрытия. Вопросы

5.3 Аэрогелевый войлок из диоксида кремния

Аэрогелевый войлок из диоксида кремния означает теплоизоляционный войлочный коврик, который смешивается с аэрогелем из диоксида кремния и усилителем волокна на стадии раствора, а затем готовится в процессе гелирования, старения, сушки и т. Д.

С одной стороны, аэрогелевые прокладки из диоксида кремния хорошо сохраняют превосходные теплоизоляционные свойства аэрогеля, теплопроводность может быть ниже 00142W / (m · K). С другой стороны, прокладки из аэрогеля эффективно решают прикладные проблемы, вызванные низкой механической прочностью аэрогеля из диоксида кремния.

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.

В настоящее время на рынке армированная волокном часть аэрогелевой прокладки в основном изготовлена из стекловолокна иглоукалывания войлок, использование температуры обычно может достигать 550°C. Продукт успешно применяется в трубопроводах и городских тепловых сетях.

5.4 Силиконовый аэрогель бетонный раствор

Цемент и бетон являются наиболее распространенными строительными материалами. Смешивание аэрогеля диоксида кремния с бетонным раствором может увеличить пористость бетонного раствора и оптимизировать внутренний путь теплопередачи, тем самым улучшая изоляционные свойства бетонного раствора.

5.5 Силиконовый аэрогель для солнечных коллекторов

Аэрогель может использоваться в коллекторных панелях водонагревателей, резервуарах для хранения воды, трубопроводах и изоляционных системах коллекторов, что повышает эффективность сбора тепла и уменьшает потерю тепла в существующих солнечных водонагревателях.

Солнечные коллекторы, оснащенные аэрогелем толщиной 20 мм, обладают отличными теплоизоляционными свойствами. По сравнению с традиционными приемниками, когда температура теплового потока на входе находится в диапазоне 583 - 823K, а вертикальное облучение в диапазоне 400 - 1000Вт.м, аэрогель может снизить тепловую потерю коллектора на 7,3 - 10,1%, эффективность устройства может быть увеличена на 0,01% до 2,92%.

06 Холодильные контейнеры

Контейнеры - рефрижераторы должны обладать хорошей теплоизоляцией, поддерживать криогенную среду и использоваться для перевозки различных скоропортящихся грузов. В изоляционных материалах, используемых в традиционных рефрижераторных контейнерах, обычно используются такие материалы, как стекловолокно, асбест, асбест, пенополистирол и пенополиуретан. Органические материалы обладают отличным теплоизоляционным эффектом, но не являются экологически чистыми. Хотя традиционные неорганические материалы нетоксичны и безвредны, изоляционные свойства более общие.

Использование аэрогеля диоксида кремния вместо традиционных материалов в качестве теплоизоляционных материалов для низкотемпературных систем, таких как рефрижераторные контейнеры, может учитывать необходимость защиты окружающей среды и теплоизоляционных свойств. Немецкая компания Herchester и американская компания Cabott провели большую исследовательскую работу по аэрогелевым композитам SiO2, и их продукты были успешно применены в системах изоляции холодильников.

07 Новый энергетический автомобиль

В настоящее время широко используемые изоляционные материалы включают стекловолокнистый хлопок, силикат алюминия и комбинированные изоляционные панели. Существует настоятельная необходимость найти огнеупорный изоляционный материал с высокой температурой, хорошей изоляцией и длительным сроком службы.

Аэрогель диоксида кремния имеет значительные преимущества с точки зрения теплоизоляционных свойств. По сравнению с традиционными изоляционными материалами только толщина от 1 / 5 до 1 / 3 может достигать того же эффекта изоляции, экономя больше места для силовых батарей. В настоящее время он был протестирован и частично применен в крупных производителях литий - ионных батарей, таких как Ningde и Guoxuan High Technology.

Применение аэрогелевых изоляционных композитов из диоксида кремния в автомобилях с новыми источниками энергии также требует внимания к следующим вопросам:

Существующая температура термостойкости аэрогеля диоксида кремния составляет более 550°C, но пиковая температура термической неконтролируемости литий - ионных батарей превышает 600°C, поэтому разработка аэрогелевых материалов с более высокой температурой является одной из тенденций исследований;

б) использование сверхкритического процесса сушки для подготовки аэрогелевых композиционных материалов является дорогостоящим, поэтому разработка относительно недорогого процесса сушки под давлением является важным направлением для будущего крупномасштабного применения;

Противоречие между изоляцией аэрогеля при высокой нагрузке и тепловым высвобождением батареи является горячей проблемой, которая требует изучения.

В будущем применение аэрогеля диоксида кремния в области теплоизоляции может быть сосредоточено на следующих областях:

(1) Использование аэрогеля диоксида кремния имеет ограниченную температуру и не может удовлетворить растущий спрос на изоляцию в высокотемпературных районах. Важно изучать и улучшать термическую стабильность аэрогеля при высоких температурах.

(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) Когда порошок аэрогеля смешивается в теплоизоляционном покрытии, композитной пластине и т. Д. Он подвержен фазовому расслоению и приводит к снижению производительности теплоизоляционного материала. Повышение равномерной дисперсии аэрогелевых порошков в композиционных материалах исследование безопасности и стабильности является одной из ключевых проблем, которые необходимо решить в его применении.

(4) Существующие аэрогели диоксида кремния используют более дорогостоящие сверхкритические процессы сушки, что ограничивает их массовое применение. Исследования по использованию недорогих методов приготовления, таких как сушка под атмосферным давлением, для снижения производственных затрат являются одной из будущих тенденций. Один.