ในสาขาวิทยาศาสตร์วัสดุ Aerogels ได้กลายเป็น "วัสดุดาว" ในอุตสาหกรรมเนื่องจากโครงสร้าง nanoporous ที่เป็นเอกลักษณ์และคุณสมบัติที่ครอบคลุมเป็นพิเศษ จากการป้องกันความร้อนสำหรับยานพาหนะการบินและอวกาศไปจนถึงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ในยานพาหนะพลังงานใหม่ตั้งแต่การสร้างประสิทธิภาพการใช้พลังงานไปจนถึงอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงการใช้งานของ Aerogels ยังคงขยายตัวต่อไป อย่างไรก็ตามด้วยผลิตภัณฑ์ Airgel ที่หลากหลายในตลาดคุณจะเลือกวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความต้องการของคุณได้อย่างไร? บทความนี้วิเคราะห์คุณสมบัติหลักเพื่อจัดลำดับความสำคัญเมื่อเลือก Aerogels จากหลายมุมโดยรวมความคืบหน้าการวิจัยล่าสุดและกรณีแอปพลิเคชันในโลกแห่งความเป็นจริงเพื่อให้คำแนะนำที่เป็นประโยชน์สำหรับผู้อ่าน
ประสิทธิภาพความร้อน: การทดสอบสองครั้งของฉนวนกันความร้อนและความต้านทานอุณหภูมิสูง
ประสิทธิภาพความร้อนของชาวแอรเจลส์ เป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบในการแข่งขันหลักของพวกเขาส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นในสองด้าน:การนำความร้อนและความต้านทานอุณหภูมิสูง.
การนำความร้อนเป็นตัวบ่งชี้สำคัญสำหรับการวัดประสิทธิภาพการทำให้ความร้อนของวัสดุ ตัวอย่างเช่นในสนามของแบตเตอรี่พลังงานรถยนต์พลังงานใหม่แผ่นฉนวนกันความร้อน Airgel มักจะต้องใช้ค่าการนำความร้อนต่ำกว่า 0 025 W\/(m · k) เพื่อป้องกันการถ่ายโอนความร้อนระหว่างเซลล์แบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ ในการสร้างประสิทธิภาพการใช้พลังงาน Aerogels ซีเมนต์ใหม่ใช้การออกแบบช่องว่างหลายระดับนาโน-ไมโครเพื่อขยายเส้นทางการถ่ายเทความร้อนอย่างมีนัยสำคัญเพื่อให้ได้การปิดกั้นอย่างมีประสิทธิภาพของการนำความร้อนการพาความร้อนและการนำไฟฟ้าด้วยความร้อนต่ำกว่าแอโรเจลแบบดั้งเดิม
ความต้านทานอุณหภูมิสูงกำหนดสถานการณ์แอปพลิเคชันของวัสดุโดยตรง airgel nanoribbon ออกไซด์ที่พัฒนาโดยมหาวิทยาลัย Tongji รักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างหลังการรักษาความร้อนที่ 1300 องศาเป็นเวลา 2 ชั่วโมง หลังจากถูกไฟคบเพลิง (ถูกเผา) โดยเปลวไฟบิวเทนเป็นเวลา 300 วินาทีอุณหภูมิหลังเฉลี่ยของมันอยู่ที่ 68.6 องศาแสดงให้เห็นถึงความเสถียรอุณหภูมิสูงที่ยอดเยี่ยม ในทางตรงกันข้าม Aerogels แบบดั้งเดิมมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนเฟสการเผาที่อุณหภูมิสูง จำกัด การใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
ประสิทธิภาพเชิงกล: ศิลปะแห่งการสร้างสมดุลระหว่างความเปราะบางและความทนทาน
ประสิทธิภาพเชิงกลของ Aerogels เป็นคอขวดสำหรับการค้า aerogels อนินทรีย์แบบดั้งเดิมที่มีโครงสร้างรูพรุนอนุภาคนาโนที่ประกอบไปด้วยอนุภาคนาโนมักจะแสดงความเปราะบางและการบีบอัดที่ไม่ดี ตัวอย่างเช่น Alumina Aerogels แบบดั้งเดิมสามารถทนต่อการบีบอัดได้ 4% เท่านั้นในขณะที่ AL-MNB Aerogels ที่เตรียมโดยใช้วิธีพอลิเมอร์ไมโคร-เทมเพลตสามารถทนได้ถึง 80% การบีบอัดโดยไม่ต้องแตกหัก
เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลนักวิจัยได้เสนอกลยุทธ์ต่าง ๆ ทีมงานของศาสตราจารย์ Liu Tianxi ที่ Jiangnan University ได้พัฒนาคอมโพสิตเซลลูโลส-ซิลิกา Airgel โดยใช้กลยุทธ์การแช่แข็งโพลีเมอไรเซชัน โครงสร้างเมทริกซ์ nanofiber เมทริกซ์หลักของพวกเขาทำให้วัสดุมีความยืดหยุ่นเชิงกลที่ยอดเยี่ยมรักษาเสถียรภาพแม้หลังจากการเผาอากาศในระยะยาวที่ 800 องศา นอกจากนี้การเสริมแรงไฟเบอร์คอมโพสิต (เช่นเส้นใยก่อนออกซิไดซ์และเส้นใยแก้ว) เป็นวิธีการทั่วไปในการเพิ่มความทนทานของ airgel รักษาน้ำหนักเบาในขณะที่ปรับปรุงความต้านทานต่อแรงกระแทก
ความเสถียรทางเคมี: ความสามารถในการเอาชีวิตรอดในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
Aerogels อาจเผชิญกับความท้าทายทางเคมีเช่นการกัดกร่อนของกรดและออกซิเดชันในการใช้งานจริง ตัวอย่างเช่นในฉนวนกันท่อทางเคมีวัสดุจะต้องทนต่อสื่อการกัดกร่อนในระยะยาว ผ้าใยแอร์เจลพอลิเมอร์บริสุทธิ์ที่พัฒนาโดยสถาบัน Suzhou แห่งนาโนเทคโนโลยีและนาโน-ไบออนนิกส์ยังคงมีเสถียรภาพที่ 650 องศาและรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างหลังจากแช่ในกรดที่แข็งแรงหรืออัลคาไลมานานกว่าครึ่งปี
ความเสถียรทางเคมีมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับองค์ประกอบของวัสดุ aerogels อินทรีย์ (เช่น polyimide aerogels) ให้ความต้านทานทางเคมีที่สูงขึ้นในขณะที่ aerogels อนินทรีย์ (เช่นซิลิกา aerogels) อาจได้รับการเปลี่ยนแปลงเฟสผลึกที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นการเลือกวัสดุควรพิจารณาสภาพแวดล้อมที่เฉพาะเจาะจง (เช่นค่า pH, เงื่อนไขรีดอกซ์)
ความสามารถในการปรับตัวด้านสิ่งแวดล้อม: กลยุทธ์สำหรับความชื้นและความผันผวนของอุณหภูมิ
ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของอากาศ ในแง่ของความชื้นAerogels ที่ชอบน้ำจะดูดซับความชื้นได้อย่างง่ายดายซึ่งนำไปสู่ความเสียหายของโครงสร้างในขณะที่ Aerogels ที่ไม่ชอบน้ำ (เช่นซิลิกา Aerogels ที่มีกลุ่มการทำงานอินทรีย์) ยังคงมีความเสถียรในสภาพแวดล้อมที่มีอารมณ์สูง ตัวอย่างเช่น Airgel ซีเมนต์ของมหาวิทยาลัยตะวันออกเฉียงใต้ประสบความสำเร็จในการเปลี่ยนแปลงจาก hydrophilic เป็นไฮโดรโฟบิกผ่านการปรับเปลี่ยนระดับไฮโดรโฟบิก
การปั่นจักรยานอุณหภูมิเป็นการทดสอบที่สำคัญอีกครั้ง aerogels aerospace ต้องทนต่อความแตกต่างของอุณหภูมิสูงจาก -230 องศาถึง 1,400 องศา ใหม่ polyimide aerogels เพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างโครงกระดูกของพวกเขาไม่เพียง แต่ให้ฉนวนกันความร้อนที่มีประสิทธิภาพ แต่ยังดูดซับพลังงานเสียงสั่นสะเทือนลดเสียงรบกวนในระหว่างการเปิดตัว
ความต้านทานไฟและการหน่วงไฟ: ยากต่อประสิทธิภาพความปลอดภัย
ในการก่อสร้างการขนส่งและสาขาอื่น ๆ ความต้านทานไฟเป็นข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับวัสดุ Airgel ตามมาตรฐานแห่งชาติผ้าห่ม Airgel จะต้องได้รับการจัดอันดับไฟ A1 (วัสดุที่ไม่ติดไฟ) รักษาความสมบูรณ์ของเปลวไฟโดยไม่ต้องผลิตหยดหลอมเหลว ตัวอย่างเช่นฉนวนกันความร้อนของ Airgel Flame-retardant ฉนวนกันความร้อนที่พัฒนาโดยฝ่ายวิศวกรรมการก่อสร้างที่แปดของจีนมีค่าการนำความร้อนต่ำและมีความเสถียรทางโครงสร้างภายใต้เปลวไฟอุณหภูมิสูงชะลอ
นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ของ Aerogels มีความสำคัญที่จะต้องพิจารณา การทดสอบแสดงให้เห็นว่า aerogels ที่มีคุณภาพสูงส่วนใหญ่ผลิตไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์เมื่อถูกเผาไหม้ทำให้เกิดอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและมาตรฐานความปลอดภัยสีเขียวของมนุษย์
คุณสมบัติที่ชอบน้ำ\/ไม่ชอบน้ำ: ตัวเลือกที่สำคัญสำหรับสภาพแวดล้อมที่ชื้น
คุณสมบัติที่ไม่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำส่งผลโดยตรงต่อการบังคับใช้ airgel ในสภาพแวดล้อมที่เปียก Aerogels Hydrophilic (เช่นซิลิกาอนินทรินทรีย์บริสุทธิ์) มีค่าใช้จ่ายต่ำกว่า แต่มีแนวโน้มที่จะดูดซับความชื้นและความเปราะบางเหมาะสำหรับสภาพแห้ง Aerogels ที่ไม่ชอบน้ำ (เช่น aerogels ดัดแปลงอินทรีย์) โดยมีกลุ่มที่ไม่ชอบน้ำที่แนะนำผ่านการปรับเปลี่ยนพื้นผิวต้านทานความชื้นและการกัดกร่อนเหมาะสำหรับสถานการณ์ความร้อนสูงหรือใต้น้ำ
ยกตัวอย่างเช่น aerogels ที่ไม่ชอบน้ำป้องกันการแทรกซึมของน้ำแบบย่อในฉนวนกันความร้อนของท่อแช่แข็ง LNG เพื่อให้มั่นใจว่าฉนวนกันความร้อนที่มีเสถียรภาพในระยะยาว ในการใช้งานการดูดซับ (เช่นการบำบัดน้ำเสีย), Aerogels ที่ชอบน้ำนั้นเป็นที่ต้องการสำหรับพื้นที่ผิวที่เฉพาะเจาะจงและความสามารถในการดูดซับสูง
ความหนาแน่นและความพรุน: การแลกเปลี่ยนระหว่างน้ำหนักเบาและฟังก์ชั่น
ความหนาแน่นต่ำของ Aerogels (เช่นความหนาแน่นของซิลิกา airgel ต่ำสุด 0. 2 g\/cm³) และความพรุนสูง (80%-99. 8%) เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญ แต่จำเป็นต้องมีการแลกเปลี่ยนสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน การบินและอวกาศต้องการน้ำหนักเบามากในขณะที่การก่อสร้างอาจจัดลำดับความสำคัญของรูพรุนสำหรับฉนวนกันความร้อน
ความพรุนมีความสัมพันธ์เชิงลบกับการนำความร้อน แต่ความพรุนสูงมากเกินไปอาจลดคุณสมบัติเชิงกล การออกแบบวัสดุ (เช่นการแนะนำการเสริมแรงนาโนไฟเบอร์) ทำให้สมดุลและฟังก์ชั่นการใช้งานมีน้ำหนักเบาและการใช้งาน ยกตัวอย่างเช่นทีมงานของมหาวิทยาลัย Tongji ปรับโครงสร้าง nanoribbon ของ Aerogels โลหะออกไซด์เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของแรงอัดในขณะที่ยังคงมีความพรุนสูง
ความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและความยั่งยืน: ข้อกำหนดที่หลีกเลี่ยงไม่ได้สำหรับการพัฒนาสีเขียว
ด้วยการเพิ่มความตระหนักด้านสิ่งแวดล้อมการพัฒนาอย่างยั่งยืนของกระบวนการผลิตและวัสดุของ Airgel นั้นได้รับความสนใจ Airgel ปูนซีเมนต์ของมหาวิทยาลัย Southeast ใช้กระบวนการอบแห้งแบบแช่แข็งหลีกเลี่ยงการใช้พลังงานสูงของการอบแห้งที่สำคัญยิ่งขึ้นด้วยวัตถุดิบรีไซเคิลที่สอดคล้องกับหลักการผลิตสีเขียว
อายุการใช้งานยังเป็นการพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อม aerogels คุณภาพสูงจะลดลงอย่างช้าๆเมื่อเวลาผ่านไปลดความถี่ในการทดแทนและของเสีย ตัวอย่างเช่น Aerogels ที่ไม่ชอบน้ำสำหรับอาคารสามารถให้บริการกลางแจ้งที่มีเสถียรภาพมานานหลายทศวรรษ
ต้นทุน-ประสิทธิผล: การพิจารณาทางเทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลังอัตราส่วนราคาตามราคา
ค่าใช้จ่ายของ Airgel ขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตวัตถุดิบและขนาด การอบแห้งแบบยิ่งใหญ่แบบดั้งเดิมนั้นมีราคาแพง แต่เทคโนโลยีใหม่ ๆ เช่นการอบแห้งด้วยแรงดันโดยรอบและการทำให้แห้งทำให้ลดค่าใช้จ่ายลงอย่างมาก ยกตัวอย่างเช่น Airgel ปูนซีเมนต์ของ Southeast University มีค่าใช้จ่ายเพียง 1\/20th ของ Aerogels แบบดั้งเดิมเพื่อส่งเสริมการใช้งานในการก่อสร้าง
การเลือกต้องใช้ประสิทธิภาพและค่าใช้จ่าย ตลาดที่มีความอ่อนไหวด้านต้นทุนเช่นการสร้างฉนวนกันความร้อนชอบ Aerogels ราคาต่ำในขณะที่สาขาไฮเอนด์เช่นการบินและอวกาศจัดลำดับความสำคัญด้านประสิทธิภาพมากกว่าต้นทุน
คุณสมบัติทางแสง: การพัฒนานวัตกรรมในสาขาที่เกิดขึ้นใหม่
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาคุณสมบัติทางแสงของ Aerogels ได้กลายเป็นฮอตสปอตการวิจัย ยกตัวอย่างเช่น Silica Aerogels มีอัตราส่วนของค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์สำหรับอินฟราเรดต่อแสงที่มองเห็นได้เกิน 100 และดัชนีการหักเหของแสงใกล้กับ 1 ทำให้เหมาะกับวัสดุฉนวนกันความร้อนความร้อนที่โปร่งใสสำหรับหน้าต่างอัจฉริยะและนักสะสมแสงอาทิตย์ วัสดุ "Super-Black" ที่พัฒนาโดย Suzhou Nano-Tech บรรลุอัตราการดูดซับแสงที่ 99.72% โดยการระงับอนุภาคนาโนดูดซับแสงใน Aerogels การสะท้อนแสงต่ำเป็นพิเศษพร้อมการใช้งานที่กว้างในการถ่ายภาพและ pyroelectricity
ในการสร้างประสิทธิภาพการใช้พลังงานแก้ว Airgel ที่มีฉนวนความร้อนโปร่งใสช่วยให้การส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้ในขณะที่ปิดกั้นรังสีอินฟราเรดลดการใช้พลังงานของอาคาร ยกตัวอย่างเช่นกระจกคอมโพสิต Airgel ใหม่ลดการถ่ายเทความร้อนประมาณ 50% เมื่อเทียบกับส่วนประกอบกลวงทั่วไปในขณะที่ตอบสนองความต้องการในเวลากลางวัน
บทสรุป
เมื่อเลือกวัสดุ Airgel ตัวบ่งชี้หลักเช่นประสิทธิภาพความร้อน, คุณสมบัติเชิงกล, ความเสถียรทางเคมี, ความสามารถในการปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อม, ความต้านทานต่อไฟ, คุณสมบัติที่ชอบน้ำ\/น้ำ, ความหนาแน่นและความพรุน, ความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม, ประสิทธิภาพ, และคุณสมบัติทางแสงต้องได้รับการประเมินตามแอปพลิเคชันเฉพาะ ตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่พลังงานพลังงานใหม่จัดลำดับความสำคัญการนำความร้อนและการชะลอการชะลอเปลวไฟ การบินและอวกาศมุ่งเน้นไปที่ความต้านทานอุณหภูมิสูงและความต้านทานต่อแรงกระแทก และการสร้างประสิทธิภาพการใช้พลังงานทำให้เกิดฉนวนกันความร้อนและต้นทุนความร้อน