In the fields of construction, industrial equipment, and personal protection, thermal insulation materials have always played a key role. As a new type of nanomaterial that has developed rapidly in recent years, aerogel stands out among many thermal insulation technologies with its ultra-low thermal conductivity, extremely low density, and excellent thermal stability. Its unique nanoporous structure not only effectively inhibits heat Condução, convecção e radiação, mas também possui boa adaptabilidade mecânica e potencial de integração funcional . Este artigo analisará o princípio de isolamento térmico do airgel e explorará suas vantagens e perspectivas de aplicação nos modernos sistemas de isolamento térmico .
Contente
1. análise científica dos princípios de isolamento térmico
2. áreas e casos de aplicativos
3. desafios e instruções existentes para melhorias
1. análise científica dos princípios de isolamento térmico
The reason why aerogel has excellent thermal insulation performance is mainly due to its unique structural characteristics and heat transfer inhibition mechanism. Aerogel is a porous material composed of a nanoscale solid skeleton, with a porosity of usually 90%–99.8% and an extremely low density. This three-dimensional nanoporous structure not only greatly reduces O caminho de condução de calor do componente sólido, mas também forma uma "barreira" para transferência de calor na escala microscópica.
In terms of heat conduction, the solid skeleton of aerogel is extremely sparse, which significantly reduces the thermal conductivity inside the material. Unlike continuous and dense solids, the heat in aerogel must bypass a large number of pores, and this "intermittent path" effectively weakens the efficiency of heat conduction. Secondly, the pore size of aerogel is generally less than tens of Os nanômetros, que são menores que o caminho livre médio das moléculas de ar, inibindo assim a ocorrência de convecção de gás . esse efeito de tamanho significa que as moléculas de ar não podem formar um fluxo efetivo nos poros, reduzindo bastante a contribuição da transferência de calor da convecção de gás .}
Em termos de radiação, a estrutura do airgel pode aumentar sua capacidade de reflexão ou absorção da radiação térmica, dopando com agentes de espalhamento infravermelho, inibindo ainda mais a transferência de calor radiativa em ambientes de média e alta temperatura .} esse mecanismo é particularmente valioso em aplicações de alta temperatura .}}
Os dados experimentais também suportam fortemente o excelente desempenho de isolamento térmico do airgel . A condutividade térmica do airgel de sílica típica pode ser tão baixo quanto 0 . 015–0 . 03 w/m · k a temperatura ambiente e o que é significativamente melhor do que os materiais tradicionais térmicos. Esses dados não apenas refletem a vantagem de isolamento térmico do airgel em um ambiente estático, mas também fornece uma base experimental para sua promoção e aplicação em aeroespacial, construção, roupas de proteção térmica e outros campos.
2. áreas e casos de aplicativos
With its excellent thermal insulation performance and lightweight characteristics, aerogel materials have shown broad application prospects in many fields. In terms of building energy conservation, aerogel sheets can be used for insulation layers of walls, roofs, doors and windows, effectively reducing energy consumption and improving living comfort, and are particularly suitable for passive building renovation. In industrial high-temperature equipment, O Airgel pode ser usado como uma camada de isolamento para equipamentos como reatores e tubos de vapor, com a capacidade de suportar altas temperaturas acima de 600 graus, enquanto reduz a carga do equipamento e estendendo a vida útil do serviço .
In the field of textiles and personal protection, flexible aerogel composites are widely used in cold-proof clothing, firefighting clothing and military equipment. Some bionic designs, such as aerogel fibers that "imitate the structure of polar bear hair", combine efficient thermal insulation and breathability, and are suitable for lightweight wearable equipment in extremely cold environments.
Além disso, no campo do aeroespacial, o airgel tem sido usado em escudos de calor da nave espacial, sistemas de aterrissagem rover Mars e camadas de proteção térmica para roupas de astronautas, atendendo aos duplos requisitos de fluxo de calor extremo e controle de peso . seus excelentes recursos de controle térmico foram verificados em múltiplas missões espaciais, como Nasa {{{{1 1
3. desafios e instruções existentes para melhorias
Embora os materiais de airgel tenham excelente desempenho no campo do isolamento térmico devido à sua condutividade térmica ultra-baixa e estrutura ultra-light, eles ainda enfrentam uma série de desafios em aplicações práticas . O primeiro é o problema que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que está sendo o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que há de um pouco de regressão linear. e ocasiões deformáveis . Atualmente, os pesquisadores estão melhorando sua resistência e flexibilidade compressiva por meio de reforço de fibra e compósitos de polímero orgânico, e percebendo gradualmente produtos de airgel flexíveis que podem ser rolados e costurados para atender às necessidades de uso nos campos de isolamento de construção e aquecimento de roupas.
The second is the cost problem of large-scale preparation. Although the current mainstream sol-gel method combined with supercritical CO₂ drying process can obtain high-performance aerogels with complete structures, the equipment is expensive, the energy consumption is high, and the process cycle is long, which makes it difficult to support large-scale industrial production. To this end, the research explores low-energy alternative Tecnologias como a secagem de pressão atmosférica avançada e a secagem de congelamento e combina a otimização do precursor com o controle automático para melhorar a eficiência da preparação e reduzir os custos gerais .
Além disso, a baixa adaptabilidade ambiental também é um dos principais fatores que limitam a promoção de aerogéis ., porque sua estrutura de alta porosidade é fácil de absorver a umidade, a entrada de água causará colapso dos poros e degradação de desempenho e resistência ao temperamento e resistência ao tempo.}, portanto, é particularmente importante para melhorar a resistência e a resistência do tempo.}}}}}}}}}}}}}}}}.}}. Melhore sua estabilidade e durabilidade em ambientes externos, como umidade, vento e chuva e alto ultravioleta .
In the future, the development of aerogels should not only solve the problems of "fragile, difficult to produce, and not weather-resistant", but also evolve in the direction of multifunctional integration, such as giving it flame retardant, electromagnetic shielding, phase change temperature regulation and other composite functions to meet the application needs of high-end complex scenes such as aerospace, smart wearables, and protective equipment.
With the continuous progress of materials science and preparation technology, the development of aerogels is moving towards a more diversified and high-performance direction, and multifunctional integration will become the focus of aerogel research. In addition to the traditional excellent thermal insulation performance, composite aerogel materials that combine sound insulation, electromagnetic shielding, fire protection and other functions are gradually being developed. Such materials can not atenda apenas às necessidades de desempenho múltiplo nos campos de construção, transporte, eletrônica, etc ., mas também expandem o espaço de aplicação de aerogéis em fabricação inteligente e equipamento de ponta .
O projeto biônico é outra direção importante para melhorar as propriedades mecânicas dos aerogéis ., baseando-se em estruturas na natureza, como a estrutura composta em camadas de madrepérola ou o arranjo de nanofibra dos pêlos polares, mas os pesquisadores são os materiais que não são mais altos e de resistência ao impacto, mas também os principais materiais de areia, mas os materiais não são mais importantes, mas os materiais não são mais importantes, mas os materiais não são mais importantes, mas os materiais não são os materiais que não são mais altos e de resistência ao impacto, mas também os principais materiais de areia, mas os materiais não estão projetando os materiais que não são mais altos e de resistência ao impacto.}}}}}} Propriedades ultra-light e porosa, ampliando bastante o potencial de aplicação de aerogéis em roupas de proteção flexíveis, aeroespacial e outros campos .
O conceito de proteção ambiental verde levou ao processo de preparação dos aerogéis a se tornar sustentável . o desenvolvimento de materiais de airgel com base em matérias-primas de base biológica, como a airgel de celulose, não apenas reduz a dependência de recursos fósseis tradicionais, mas também melhora a recebção da gipóia, otimizador de romance, mas também melhora a recebção do mesmo tempo, otimizador de recursos do mesmo tempo, otimizador, otimizando o rolo-de-integridade, mas também o que otimiza o que otimiza o que otimiza o que otimiza o que é o que é o que é o mesmo que o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que há de um pouco de regressão linear. A indústria se tornará uma direção importante para futuras fabricação ambientalmente amigável .
Aerogel has become an important supplement to traditional thermal insulation materials due to its excellent thermal insulation performance and lightweight porous structure. Despite challenges such as high brittleness, high preparation cost and insufficient environmental adaptability, the progress of fiber reinforcement, composite materials and green preparation technology is constantly promoting its performance improvement and industrialization process. In the future, aerogel will develop towards multifunctional integration and bionic design, realize the integration of multiple functions such as thermal insulation, sound insulation, electromagnetic shielding, and focus on environmental protection and sustainability. As the technology continues to mature, aerogel will play a greater role in building energy conservation, industrial high temperature protection, textiles, aerospace and other fields, helping to achieve energy conservation, emission reduction and intelligent manufacturing objetivos .