Анализ полей производительности теплоизоляции и применения композитов Aramid, усиленных аэрогелями,

Аэрогели представляют собой низкую плотность, в первую очередь мезопористые твердые тела с превосходными свойствами, включая низкую плотность, высокую удельную площадь поверхности, низкую диэлектрическую постоянную и ультра-низкую теплопроводность. Примеры включают в себя графеновые или углеродные аэрогели, полиуретановые и полиимидные аэрогели, биополимерные аэрогели, такие как целлюлоза, хитозан и белковые аэрогеры, а также их композиты и гибриды. В частности, в последнее десятилетие наблюдалось взрывное увеличение в научных статьях и патентах, описывающих новые материалы аэрогелей, производственные процессы и применение, охватывающие такие области, как теплоизоляция, системы доставки, восстановление окружающей среды, катализ и акустика.

Несмотря на растущую важность поля Airgel, или, возможно, из -за этого, определение "Airgel " остается спорным. Ранние определения часто основывались на методах сушки, используемых в производственном процессе, таких как аэрогеры из суперкритической сушки, криогели от замораживания и ксерогелей от испарительной сушки. Тем не менее, более поздние определения, как правило, фокусируются на свойствах материалов, в частности, на высокую долю мезопористости. В конечном счете, самое широкое определение аэрогелей относится к любому материалу, полученному из геля путем замены поровой жидкости воздухом, без ограничений на размер пор или другие характеристики. Это более широкое определение в первую очередь включает в себя макропористые материалы, которые не обладают мезопористостью, высокой площадью поверхности или сверхнизкой теплопроводности, обычно связанной с аэрогелями, такими как лиофилированные пены целлюлозы.

Силиковые аэрогели производятся с помощью процесса Sol-Gel, с различными модификациями, предлагаемыми для повышения ресурсов и эффективности затрат. Тем не менее, большинство процессов по -прежнему выполняют те же основные шаги. Гелация силикополса обычно запускается путем добавления кислот или оснований для снижения устойчивости заряда наночастиц. После гелея реакция расцветания растворения укрепляет межчастичные взаимодействия кремнезема, тем самым повышая механическую стабильность геля. Промышленный успех кремнезема Aerogels почти полностью связан с их эффективностью в приложениях теплоизоляции. Их теплопроводность может составлять всего 0,012 Вт/(M · K), в первую очередь из-за высокой пористости и извилистости сети частиц, что ограничивает твердофазную теплопровождение. Кроме того, из-за эффекта Кнудсена небольшой размер пор-средняя длина свободного пути молекул газа-уменьшает газофазную теплопровод. Эта сверхнизкая теплопроводность (только вдвое меньше, чем у окружающего воздуха и обычных изоляционных материалов) вызвала быстро растущий рынок стоимостью сотни миллионов долларов.

Общая теплопроводность тесно связана с плотностью материала, как показано на рисунке 1. У обычных изоляционных материалов излучение играет значительную роль, а в случаях больших размеров пор воздушная конвекция также становится неослабной. Когда плотность увеличивается, радиационная теплопередача уменьшается, в то время как твердофазная теплопровождение увеличивается. Из-за этих конкурирующих эффектов теплопроводность демонстрирует U-образную зависимость от плотности. То же самое влияет на материалы аэрогелей; Однако, поскольку размеры пор аэрогеля меньше среднего свободного пути воздуха, газофазная проводимость резко снижается. Это уменьшает частоту столкновений молекул воздуха, тем самым снижая газообразную теплопередачу. Следовательно, минимальная общая теплопроводности сдвигается в сторону более высоких плотностей и областей с (множественной) низкой электропроводности.

Наночастицы авиация кремнезема конструируют многосековую структуру посредством взаимосвязи, но слабая связь между частицами приводит к плохим механическим свойствам, низкой прочности и высокой хребте в чистых аэрогелях кремнезема. Чтобы решить эти проблемы, исследователи изучили различные стратегии подкрепления. Арамидное волокно, с его низкой плотностью, низкой теплопроводности и высокой механической прочностью, стало идеальным выбором для улучшения аэрогелей кремнезема. При температуре разложения приблизительно 450 ° C в воздухе арамидное волокно особенно подходит для высокотемпературных изоляционных применений.

В 2016 году были успешно изготовлены композиты аэродинамических аэродинамических аэродинамических авиация арамида (AF/Airgel). Впоследствии были введены глицидилопропилокси триметоксизилановые (GPTMS) арамидные волокно и политетрафторэтилен (PTFE), покрытые арамидными волокнами. Эти композиты не только сохранили низкую плотность и низкую теплопроводность, но также значительно улучшали прочность на сжатие и изгиб.

Дальнейшие исследования показали, что тепловые и механические свойства арамидного волокна делают его высокоэффективным для баллистической защиты. По сравнению с только арамидной тканью, аэрогель-интегрированные баллистические испытательные образцы показали снижение скорости перфорации ткани на 72%. В 2021 году Almeida et al. Сравнивало усиливающие эффекты аэрогелей кремния с арамидным волокном и войлоком, обнаружив, что композиты, включающие удлиненные волокна, демонстрируют более низкую объемную плотность и большую гибкость, что делает их хорошо подходящими для применения с адаптированием формы и вибрации.

Комбинация арамидного волокна и Airgel достигает дополнительного улучшения свойств материала. В качестве усиливающего компонента Aramid Fiber обеспечивает сильную механическую поддержку аэрогелям, улучшая их механические характеристики, в то время как аэрогели вносят свои возможности теплоизоляции и поглощения звука, работая синергетически, работая с волокнами Aramid.

Например, композиты Aramid/Airgel, приготовленные с использованием сдержанного процесса, выполняют не только функциональные свойства арамидной бумаги, но также демонстрируют улучшенную теплостойкость. Эти композиты имеют широкие перспективы применения в термической изоляции, предлагая новые идеи и возможности для развития материаловедения.