Ứng dụng Silica Aerogel trong lĩnh vực cách nhiệt

Do nhiều tính chất tuyệt vời của aerogel silica, nó đã được sử dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như vật liệu mang chất xúc tác, vật liệu cách âm, vật liệu cách nhiệt, vật liệu hấp phụ khí độc hại và vật liệu thu bụi vũ trụ, v.v. Triển vọng ứng dụng rộng lớn. Với mật độ năng lượng ngày càng tăng của xe năng lượng mới, đặc biệt là pin lithium-ion, cách nhiệt và chống cháy pin đã trở thành một trong những chủ đề quan trọng nhất.

01 Hàng không vũ trụ

Vật liệu cách nhiệt hiệu suất cao là một trong những thành phần quan trọng trong việc bảo vệ nhiệt của tàu vũ trụ. Đối với phương tiện siêu thanh, nhiệt độ cực cao được tạo ra trên bề mặt thân máy bay trong điều kiện làm nóng bằng khí động học kéo dài. Để ngăn chặn thiệt hại do xói mòn nhiệt đối với cấu trúc chính của máy bay và thiết bị đo đạc bên trong, điều quan trọng là phải chọn vật liệu cách nhiệt có hiệu suất toàn diện tuyệt vời.

Một mặt, vật liệu cách nhiệt cần ngăn chặn hiệu quả luồng nhiệt bên ngoài vào bên trong cơ thể để không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các thiết bị liên quan đến cơ thể; Việc tăng trọng tải và tăng khoảng cách bay có ý nghĩa quan trọng. Mật độ của aerogel silica chỉ khoảng 0,08g/cm3 và độ dẫn nhiệt thấp tới 0,016W/(m · K) ở nhiệt độ phòng, có thể đáp ứng nhu cầu của hàng không vũ trụ đối với vật liệu cách nhiệt nhẹ và hiệu quả cao.

Trọng lượng nhẹ và độ dẫn nhiệt thấp của aerogel silica làm cho nó trở thành một trong những vật liệu được quan tâm nhiều nhất trong vật liệu cách nhiệt hàng không vũ trụ, nhưng việc sử dụng aerogel silica trong hàng không vũ trụ vẫn còn hai vấn đề:

① Bản thân aerogel có độ bền cơ học thấp, do đó thường cần kết hợp aerogel với vật liệu sợi trong các ứng dụng hàng không vũ trụ.  

② Nhiệt độ hoạt động tối đa của aerogel silica thường dưới 600 ° C và không thể được áp dụng để cách nhiệt mặt cuối của máy bay siêu thanh hoặc siêu thanh đang phát triển nhanh chóng. Trong tương lai, cần xem xét hợp nhất đa pha và thiết kế vi cấu trúc để mở rộng phạm vi nhiệt độ ứng dụng của aerogel silica đến nhiệt độ cao hơn.

02 Công nghiệp quân sự

Nhu cầu của ngành công nghiệp quân sự đối với các sản phẩm công nghệ hiệu suất cao mạnh hơn so với lĩnh vực dân sự. Là một phần quan trọng của vật liệu cách nhiệt hiệu suất cao mới, aerogel silica luôn được ngành công nghiệp quân sự ưa chuộng.

Ngoài ra, Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA đã sử dụng sợi nhôm silicat làm khung hỗ trợ và lấp đầy các lỗ chân lông trong khung sợi chịu lửa bằng aerogel silica, chuẩn bị gạch cách nhiệt silica aerogel silicat được gia cố bằng sợi nhôm silicat, đã được áp dụng trong các lò phản ứng hạt nhân của tàu ngầm hạt nhân, tàu khu trục tên lửa dẫn đường chạy bằng hơi nước. Độ dẫn nhiệt của vật liệu này thấp hơn so với vật liệu sợi chịu lửa thông thường, có thể giảm hiệu quả lượng vật liệu cách nhiệt và tăng không gian có sẵn trong cabin. Đồng thời, nó có thể duy trì nhiệt độ trong cabin và cải thiện môi trường làm việc trong cabin. Gạch cách nhiệt cũng được sử dụng trong nhà máy điện vũ khí để ngăn chặn bức xạ nhiệt, có lợi cho trinh sát chống hồng ngoại của vũ khí và thiết bị; Ngoài ra, aerogel cũng được sử dụng trong pin nhiệt quân sự, có thể cải thiện tuổi thọ nhiệt của pin nhiệt quân sự.

Cung cấp cho aerogel silica nhiều chức năng hơn là một trong những hướng chính để ứng dụng và nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực quân sự. Ví dụ, quần áo bảo hộ quân sự không chỉ cần có khả năng cách nhiệt mà còn có khả năng che chắn hồng ngoại (tàng hình) để phù hợp hơn với nhu cầu của chiến tranh hiện đại. Do đó, làm thế nào để đạt được thiết kế linh hoạt của aerogel silica là một vấn đề quan trọng cần xem xét trong các ứng dụng quân sự.

03 Bể chứa và ống dẫn công nghiệp

Hiện nay, vật liệu cách nhiệt thường được sử dụng cho đường ống sinh hoạt như HVAC trên thị trường chủ yếu là bọt polymer hữu cơ, chẳng hạn như bọt polyurethane, bọt phenolic, bọt polystyrene, v.v. Tuy nhiên, những vật liệu này dễ cháy và có nguy cơ cháy cao. An toàn, trọng lượng nhẹ và cách nhiệt tốt, aerogel silica có lợi thế lớn về hiệu suất toàn diện.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi vật liệu màng composite cách nhiệt aerogel được phủ trên bề mặt ống kim loại, độ dẫn nhiệt của vật liệu phủ có thể giảm xuống 0,084W/(m · K). Ngoài ra, thời gian giới hạn chịu lửa của vật liệu đường ống được phủ màng composite aerogel lên đến 70 phút, giúp cải thiện hiệu quả độ an toàn của đường ống. Trong các ứng dụng cách nhiệt đường ống hóa học, chủ yếu sử dụng nỉ hợp chất silica aerogel, không có biện pháp chống thấm đặc biệt (kỵ nước ≥99%), vẫn có thể được xây dựng trong môi trường mưa hoặc ẩm ướt.

 Ứng dụng Airgel Felt Mat trên đường ống hóa chất

Ngoài ra, nỉ composite aerogel có đặc tính chống động đất và kéo dài tốt, không có sự tích tụ và lắng đọng hạt trong quá trình sử dụng và tuổi thọ dài. Trong các ứng dụng cách nhiệt của đường ống hơi chôn trực tiếp, độ dày của lớp cách nhiệt cần thiết cho silica aerogel composite nỉ có thể tiết kiệm từ 40 đến 54% so với nỉ sợi thủy tinh với điều kiện tổn thất nhiệt tối đa cho phép. Do đó làm giảm không gian chiếm bởi các đường ống chôn trực tiếp. Silica aerogel nỉ có đặc tính cách nhiệt tuyệt vời và có không gian chơi tốt hơn ở nhiệt độ hơi cao và điều kiện không gian hẹp và khắc nghiệt. Silicone Gasgel Felt Mat cũng đã được áp dụng thành công trong cách nhiệt đường ống dẫn dầu và đường ống dẫn khí CNOOC Hải Nam LNG. Hoạt động ổn định lâu dài của đường ống xác nhận hiệu suất cách nhiệt tuyệt vời và hiệu suất an toàn và ổn định của nó.

04 Nồi hơi

Sử dụng hiệu suất cách nhiệt tuyệt vời của aerogel, áp dụng nó cho cách nhiệt bề mặt nồi hơi, có thể làm giảm đáng kể nhiệt độ bề mặt nồi hơi và tổn thất nhiệt nồi hơi. Trong sử dụng thực tế, ma trận sợi và aerogel silica thường được kết hợp để tạo thành một tấm đệm aerogel, sau đó được áp dụng cho thân nồi hơi. Sau khi nồi hơi sử dụng vật liệu composite aerogel, nhiệt độ bề mặt lò có thể giảm khoảng 39 ° C, hiệu suất nhiệt tăng từ 79,7% lên 81,9%, tiết kiệm năng lượng 2,2%.

Ứng dụng vật liệu composite aerogel trong hệ thống nồi hơi

Nhiệt độ của nồi hơi thường cao, vì vậy các sợi trong hỗn hợp silica aerogel phải có khả năng chịu nhiệt độ cao. Giải pháp được ưa thích hơn là sử dụng sợi multitine đa tinh thể và vật liệu composite aerogel silica chịu nhiệt độ cao.

Aerogel silica hiện đang được sử dụng ít hơn trong nồi hơi và chủ yếu liên quan đến chi phí sản xuất của nó. Mặt khác, nhiệt độ của nồi hơi công nghiệp tương đối cao và giới hạn nhiệt độ hoạt động lâu dài của aerogel thường dưới 600 ° C. Cải thiện khả năng chịu nhiệt độ cao của aerogel silica là xu hướng phát triển trong tương lai.

05 Cách nhiệt xây dựng và đời sống gia đình

Với trọng lượng nhẹ, độ dẫn nhiệt thấp, tuổi thọ cao và kỵ nước tốt, aerogel silica có thể đáp ứng nhu cầu cách nhiệt, chống cháy, cách âm và chống thấm trong lĩnh vực xây dựng. Hiện nay, các hình thức ứng dụng của aerogel silica chủ yếu bao gồm thủy tinh tiết kiệm năng lượng aerogel, sơn aerogel, thảm nỉ aerogel, phim aerogel, bê tông và vữa aerogel và bộ thu năng lượng mặt trời trên mái nhà.

5.1 Thủy tinh tiết kiệm năng lượng Silicone Airgel

Cấu trúc bao vây trong suốt là liên kết yếu để tiết kiệm năng lượng xây dựng, trong đó kính là vật liệu chính của cấu trúc bao vây trong suốt, hiệu suất tiết kiệm năng lượng của nó là rất quan trọng. Khả năng truyền ánh sáng tốt, cách nhiệt và giảm tiếng ồn của aerogel silica mang lại cho nó những lợi thế khác biệt trong các ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng, đặc biệt là kính xây dựng.

Ứng dụng thủy tinh aerogel trong xây dựng dân dụng

Áp dụng aerogel cho kính không chỉ làm giảm tản nhiệt của kính mà còn đáp ứng các yêu cầu về ánh sáng. Trên cơ sở đảm bảo sự xuất hiện và ánh sáng ban ngày, kính aerogel silica có khả năng chịu nhiệt tốt hơn, chống bức xạ mạnh hơn và cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh màu sắc và hấp thụ âm thanh, có lợi thế ứng dụng đáng kể. Hiện nay, các ứng dụng của vật liệu silica trong thủy tinh xây dựng chủ yếu bao gồm thủy tinh tráng aerogel, thủy tinh aerogel khối và thủy tinh lấp đầy aerogel dạng hạt.

Kính aerogel vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển công nghiệp, các rào cản kỹ thuật liên quan cao hơn và số lượng ứng dụng kỹ thuật trong thực tế ít hơn. Hiện nay, các nhà sản xuất thủy tinh đầy aerogel dạng hạt hiện tại chủ yếu tập trung ở các nước phát triển ở châu Âu và Hoa Kỳ. Năm 2015, Trung Quốc lần đầu tiên thực hiện sản xuất quy mô lớn ở Trường Sa. Tuy nhiên, kính aerogel vẫn còn trong giai đoạn sơ khai và vẫn còn một chặng đường dài trước khi áp dụng thực tế.

5.2 Lớp phủ aerogel silica

Sơn cách nhiệt aerogel là một nhánh quan trọng của ứng dụng aerogel silica. Chuẩn bị sơn cách nhiệt aerogel bao gồm các bước sau: 1. Các hạt aerogel silica, chất ổn định (hoặc chất chống bọt) và nước được trộn và nghiền để tạo thành bùn aerogel đồng nhất; 2. Sau đó thêm nhựa và chất phân tán, tiếp tục khuấy và phân tán; ③ Theo nhu cầu thực tế, trộn các chất phụ gia khác nhau (như titanium dioxide, bột gốm hồng ngoại xa và hạt thủy tinh rỗng, v.v.) và chất nhuộm để có được sơn silica aerogel.

Sơn aerogel có độ dẫn nhiệt thấp, cấu trúc đơn giản và tiềm năng ứng dụng lớn. Tuy nhiên, hiện tại không có cách nào tốt để giải quyết vấn đề phân tán kém và dễ kết tụ của aerogel silica trong bùn dẫn đến độ dẫn nhiệt cao của lớp phủ. Câu hỏi.

5.3 Silica Airgel cảm thấy

Silica Airgel Felt đề cập đến sự kết hợp của silica Airgel với vật liệu gia cố sợi trong giai đoạn sol, sau đó tiến hành gel hóa, lão hóa, sấy khô và các quá trình khác để chuẩn bị tấm lót nỉ cách nhiệt.

Một mặt, miếng đệm aerogel silica giữ lại cách nhiệt tuyệt vời của aerogel và độ dẫn nhiệt có thể thấp tới 0,0142W/(m · K). Mặt khác, miếng đệm aerogel giải quyết hiệu quả các vấn đề ứng dụng gây ra bởi độ bền cơ học thấp của aerogel silica.

Hiện nay, ma trận sợi của nỉ aerogel chủ yếu bao gồm cả sợi vô cơ và hữu cơ. Ma trận sợi vô cơ chủ yếu bao gồm sợi thủy tinh, sợi nhôm oxit và sợi thạch anh. Sợi vô cơ có độ ổn định nhiệt cao hơn và hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn, nhưng chúng kém linh hoạt hơn và liên kết yếu với aerogel, dễ dẫn đến "bột rơi ra". Sợi hữu cơ, chẳng hạn như sợi polypropylene, sợi polyester, sợi aramid, sợi cellulose, v.v., có thể cung cấp cho miếng đệm aerogel tính linh hoạt tốt hơn và độ bền liên kết aerogel, nhưng sợi hữu cơ có độ ổn định nhiệt kém và không phù hợp cho các ứng dụng cách nhiệt thực tế.

Hiện nay, phần gia cố sợi của nỉ aerogel trên thị trường chủ yếu được làm từ nỉ kim sợi thủy tinh, nhiệt độ sử dụng nói chung có thể đạt 550 ° C. Sản phẩm này đã được áp dụng thành công trong đường ống dẫn dầu và mạng lưới đường ống nhiệt đô thị.

5.4 Vữa bê tông silicone aerogel

Xi măng và bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến nhất. Trộn silica aerogel với vữa bê tông có thể làm tăng độ xốp của vữa bê tông và tối ưu hóa đường dẫn truyền nhiệt bên trong, do đó cải thiện hiệu suất cách nhiệt của vữa bê tông.

5.5 Aerogel silica cho bộ thu năng lượng mặt trời

Aerogel có thể được áp dụng cho các tấm thu nhiệt, bể chứa nước, đường ống và hệ thống cách nhiệt thu nhiệt của máy nước nóng để cải thiện hiệu quả thu nhiệt và giảm tổn thất nhiệt từ các máy nước nóng năng lượng mặt trời hiện có.

Bộ thu năng lượng mặt trời được trang bị aerogel dày 20mm có khả năng cách nhiệt tuyệt vời. Aerogel có thể giảm tổn thất nhiệt của bộ thu 7,3% -10,1% khi nhiệt độ dòng nhiệt đầu vào nằm trong phạm vi 583-823K và bức xạ thẳng đứng nằm trong phạm vi 400-1000W · m so với máy thu thông thường. Hiệu suất thiết bị có thể được cải thiện 0,01%~2,92%.

06 container lạnh

Container lạnh cần có cách nhiệt tốt, có khả năng duy trì môi trường nhiệt độ thấp và được sử dụng để vận chuyển các mặt hàng dễ hỏng khác nhau. Vật liệu cách nhiệt của container lạnh truyền thống thường sử dụng sợi thủy tinh, amiăng, len đá, khối bọt polystyrene, polyurethane tạo bọt và các vật liệu khác. Vật liệu hữu cơ có tác dụng cách nhiệt tuyệt vời, nhưng không thân thiện với môi trường. Mặc dù vật liệu vô cơ truyền thống không độc hại và vô hại, nhưng tính năng giữ ấm là tương đối bình thường.

Việc sử dụng aerogel silica thay vì vật liệu thông thường làm vật liệu cách nhiệt cho các hệ thống nhiệt độ thấp như container lạnh có thể tính đến nhu cầu bảo vệ môi trường và cách nhiệt. Công ty Herchester của Đức và Cabot của Mỹ đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu về vật liệu composite SiO2 Aerogel và các sản phẩm mà họ đã phát triển đã được áp dụng thành công trong hệ thống cách nhiệt của tủ lạnh.

07 Xe năng lượng mới

Hiện nay, vật liệu cách nhiệt thường được sử dụng bao gồm bông sợi thủy tinh, bông nhôm silicat và tấm cách nhiệt composite. Cần phải tìm một vật liệu cách nhiệt chống cháy có khả năng chịu nhiệt độ cao, cách nhiệt tốt và tuổi thọ cao.

Aerogel silica có lợi thế đáng kể về tính chất cách nhiệt. So với vật liệu cách nhiệt truyền thống, chỉ cần 1/5~1/3 độ dày để đạt được hiệu ứng cách nhiệt tương tự, tiết kiệm nhiều không gian hơn cho pin điện. Hiện tại, nó đã được thử nghiệm và ứng dụng một phần trong các nhà sản xuất pin lithium-ion lớn như Ningde Age và Guoxuan Technology.

Việc áp dụng vật liệu composite cách nhiệt silica aerogel trong xe năng lượng mới cũng đòi hỏi sự chú ý đến các vấn đề sau:

① Nhiệt độ chịu nhiệt của aerogel silica hiện có ≤550 ° C, nhưng nhiệt độ cao nhất của pin lithium-ion vượt quá 600 ° C, do đó việc phát triển vật liệu aerogel với nhiệt độ chịu nhiệt cao hơn là một trong những xu hướng nghiên cứu;

② Sử dụng quá trình sấy siêu tới hạn để chuẩn bị vật liệu composite aerogel là tốn kém, do đó, việc phát triển quá trình sấy áp suất bình thường với chi phí tương đối thấp là một hướng quan trọng cho các ứng dụng quy mô lớn trong tương lai;

③ Mâu thuẫn giữa cách nhiệt aerogel cân bằng với tản nhiệt pin ở tải cao là một vấn đề nóng cần nghiên cứu.

Trong tương lai, ứng dụng của aerogel silica trong lĩnh vực cách nhiệt có thể tập trung vào các lĩnh vực sau:

(1) Aerogel silica được sử dụng ở nhiệt độ hạn chế và không thể đáp ứng nhu cầu cách nhiệt ngày càng tăng ở các vùng nhiệt độ cao. Điều quan trọng là nghiên cứu và cải thiện sự ổn định nhiệt của aerogel ở nhiệt độ cao.

(2) Aerogel silica chủ yếu được áp dụng dưới dạng miếng đệm composite, có vấn đề về "bột rơi". Do đó, cần phải khám phá các phương pháp như sửa đổi bề mặt và tối ưu hóa sắp xếp sợi để cải thiện lực liên kết giữa các hạt aerogel và sợi.

(3) Khi bột aerogel được trộn lẫn trong lớp phủ cách nhiệt, tấm composite, v.v., sự phân tầng pha dễ xảy ra, dẫn đến giảm hiệu suất của vật liệu cách nhiệt. Nghiên cứu an toàn và ổn định để cải thiện sự phân tán đồng đều của bột aerogel trong vật liệu composite là một trong những vấn đề chính cần được giải quyết trong ứng dụng của nó.

(4) Aerogel silica hiện có sử dụng một quá trình sấy siêu tới hạn chi phí cao, hạn chế các ứng dụng quy mô lớn của nó. Nghiên cứu sử dụng các phương pháp chuẩn bị chi phí thấp như quy trình sấy áp suất bình thường để giảm chi phí sản xuất là một trong những xu hướng trong tương lai. Một.