Dans les domaines de la construction, de l'équipement industriel et de la protection personnelle, les matériaux d'isolation thermique ont toujours joué un rôle clé. En tant que nouveau type de nanomatériau qui s'est développé rapidement ces dernières années, Airgel se démarque parmi de nombreuses technologies d'isolation thermique avec sa conductivité thermique ultra-bas, sa densité extrêmement faible et sa stabilité thermique excellente. Sa structure nanoporeuse unique inhibe non seulement efficacement la conduction, la convection et le rayonnement de la chaleur, mais a également une bonne adaptabilité mécanique et un bon potentiel d'intégration fonctionnelle. Cet article analysera le principe d'isolation thermique de l'aérogel et explorera ses avantages et ses perspectives d'application dans les systèmes d'isolation thermique modernes.
Contenu
1. Analyse scientifique des principes d'isolation thermique
3. Défis et orientations existantes pour l'amélioration
1. Analyse scientifique des principes d'isolation thermique
La raison pour laquelle AirGel a d'excellentes performances d'isolation thermique est principalement due à ses caractéristiques structurelles uniques et à son mécanisme d'inhibition du transfert de chaleur. AirGel est un matériau poreux composé d'un squelette solide à l'échelle nanométrique, avec une porosité de 90% –99,8% généralement et une densité extrêmement faible. Cette structure nanoporeuse tridimensionnelle réduit non seulement considérablement le chemin de conduction thermique du composant solide, mais forme également une "barrière" pour le transfert de chaleur à l'échelle microscopique.
En termes de conduction thermique, le squelette solide de l'aérogel est extrêmement rare, ce qui réduit considérablement la conductivité thermique à l'intérieur du matériau. Contrairement aux solides continus et denses, la chaleur dans Airgel doit contourner un grand nombre de pores, et ce "chemin intermittent" affaiblit efficacement l'efficacité de la conduction thermique. Deuxièmement, la taille des pores de l'aérogel est généralement inférieure à des dizaines de nanomètres, ce qui est plus petit que le libre parcours moyen des molécules d'air, inhibant ainsi la survenue de convection de gaz. Cet effet de taille signifie que les molécules d'air ne peuvent pas former un débit efficace dans les pores, réduisant ainsi considérablement la contribution du transfert de chaleur à la convection de gaz.
En termes de rayonnement, la structure de l'aérogel peut améliorer sa réflexion ou sa capacité d'absorption du rayonnement thermique en dopant avec des agents de diffusion infrarouge, inhibant davantage le transfert de chaleur radiatif dans des environnements à température moyenne et élevée. Ce mécanisme est particulièrement précieux dans les applications à haute température.
Les données expérimentales soutiennent également fortement les excellentes performances d'isolation thermique d'AirGel. La conductivité thermique de l'aérogel de silice typique peut être aussi faible que {{0}}. 015–0.03 W / M · K à température ambiante, ce qui est nettement meilleur que les matériaux d'isolation thermique traditionnels tels que la fibre de verre et la laine minérale. Ces données reflètent non seulement l'avantage d'isolation thermique de l'aérogel dans un environnement statique, mais fournissent également une base expérimentale pour sa promotion et son application dans l'aérospatiale, la construction, les vêtements de protection thermique et d'autres champs.
Avec ses excellentes performances d'isolation thermique et ses caractéristiques légères, les matériaux aérogel ont montré de larges perspectives d'application dans de nombreux domaines. En termes de conservation de l'énergie de construction, des feuilles d'aérogel peuvent être utilisées pour les couches d'isolation des murs, des toits, des portes et des fenêtres, réduisant efficacement la consommation d'énergie et l'amélioration du confort de la vie, et conviennent particulièrement à la rénovation passive des bâtiments. Dans l'équipement industriel à haute température, Airgel peut être utilisé comme couche d'isolation pour des équipements tels que les réacteurs et les tuyaux de vapeur, avec la capacité de résister à des températures élevées supérieures à 600 degrés, tout en réduisant la charge d'équipement et en prolongeant la durée de vie.
Dans le domaine des textiles et de la protection personnelle, les composites d'aérogel flexibles sont largement utilisés dans les vêtements à l'épreuve du froid, les vêtements de lutte contre les incendies et l'équipement militaire. Certaines conceptions bioniques, telles que les fibres d'aérogel qui "imitent la structure des poils d'ours polaire", combinent une isolation thermique et une respirabilité efficaces et conviennent à un équipement portable léger dans des environnements extrêmement froids.
De plus, dans le domaine de l'aérospatiale, Airgel a été utilisé dans les boucliers thermiques des vaisseaux spatiaux, les systèmes d'atterrissage de Mars Rover et les couches de protection thermique pour les vêtements d'astronaute, répondant aux deux besoins en débit de chaleur et en contrôle de poids extrême. Ses excellentes capacités de contrôle thermique ont été vérifiées dans plusieurs missions spatiales telles que la NASA.
3. Défis et orientations existantes pour l'amélioration
Bien que les matériaux AirGel aient d'excellentes performances dans le domaine de l'isolation thermique en raison de leur conductivité thermique ultra-bas et de leur structure ultra-légère, ils sont toujours confrontés à une série de défis dans les applications pratiques. Le premier est le problème de la fragilité mécanique. Les aérogels de silice traditionnels sont extrêmement fragiles en raison de leur nano-squelette lâche et sont facilement brisés pendant le transport ou l'utilisation, ce qui limite leur utilisation dans des occasions flexibles et déformables. À l'heure actuelle, les chercheurs améliorent leur résistance à la compression et leur flexibilité grâce à des composites de renforcement des fibres et de polymères organiques, et réalisant progressivement des produits flexibles aérogeaux qui peuvent être roulés et cousus pour répondre aux besoins d'utilisation dans les champs de la chaleur de l'isolation et des vêtements du bâtiment.
Le second est le problème de coût de la préparation à grande échelle. Bien que la méthode de sol-gel courant actuelle combinée à un processus de séchage supercritique puisse obtenir des aérogels haute performance avec des structures complètes, l'équipement est coûteux, la consommation d'énergie est élevée et le cycle de processus est long, ce qui rend difficile la prise en charge de la production industrielle à grande échelle. À cette fin, la recherche explore les technologies alternatives à faible énergie telles que le séchage et le lyophilisation de la pression atmosphérique avancée, et combine l'optimisation des précurseurs avec un contrôle automatique pour améliorer l'efficacité de la préparation et réduire les coûts globaux.
De plus, une mauvaise adaptabilité environnementale est également l'un des facteurs clés limitant la promotion des aérogels. Parce que sa structure de porosité élevée est facile à absorber l'humidité, la pénétration de l'eau entraînera un effondrement des pores et une dégradation des performances. Par conséquent, il est particulièrement important d'améliorer sa résistance à l'humidité et sa résistance aux intempéries. À l'heure actuelle, la modification hydrophobe de surface et l'emballage de couche externe sont généralement utilisés pour améliorer sa stabilité et sa durabilité dans des environnements extérieurs tels que l'humidité, le vent et la pluie, et un ultraviolet élevé.
À l'avenir, le développement d'aérogels devrait non seulement résoudre les problèmes de "fragile, difficile à produire et non résistant aux intempéries", mais également à évoluer dans le sens d'une intégration multifonctionnelle, tel que lui donnant un retard de flamme, un blindage électromagnétique, une réglementation à température de phase et d'autres fonctions composites pour répondre aux besoins en complexe haut de gamme tels que les aérospatives d'aérospiement, les usages intelligents et les équipements smart et protège.
Avec le progrès continu de la science des matériaux et de la technologie de préparation, le développement des aérogels se dirige vers une direction plus diversifiée et haute performance, et l'intégration multifonctionnelle deviendra au centre de la recherche sur les aérogel. En plus des excellentes performances d'isolation thermique traditionnelles, les matériaux composites d'aérogel qui combinent l'isolation saine, le blindage électromagnétique, la protection contre les incendies et d'autres fonctions sont progressivement développés. Ces matériaux peuvent non seulement répondre aux besoins des performances multiples dans les champs de construction, de transport, d'électronique, etc., mais aussi d'étendre l'espace d'application des aérogels dans la fabrication intelligente et les équipements haut de gamme.
La conception bionique est une autre direction importante pour améliorer les propriétés mécaniques des aérogels. En s'appuyant sur des structures dans la nature, telles que la structure composite en couches de la mère de la mère ou la disposition des nanofibres des poils d'ours polaire, les chercheurs conçoivent des matériaux aérogel avec une ténacité plus élevée et une résistance à l'impact. Cette stratégie bionique structurelle améliore non seulement la résistance mécanique du matériau, mais maintient également ses propriétés ultra-légères et poreuses, élargissant considérablement le potentiel d'application des aérogels dans les vêtements de protection flexibles, l'aérospatiale et d'autres champs.
Le concept de protection de l'environnement vert a incité le processus de préparation des aérogels à devenir durable. Le développement de matériaux aérogel basés sur des matières premières bio-basés, telles que la cellulose aérogel, réduit non seulement la dépendance aux ressources fossiles traditionnelles, mais améliore également la biodégradabilité des matériaux. Dans le même temps, l'optimisation des technologies de recyclage et de réutilisation et la promotion du développement économique circulaire de l'industrie de l'aérogel deviendra une direction importante pour la fabrication future de l'environnement.
AirGel est devenu un supplément important pour les matériaux d'isolation thermique traditionnels en raison de ses excellentes performances d'isolation thermique et de sa structure poreuse légère. Malgré des défis tels que la fragilité élevée, le coût élevé de préparation et l'adaptabilité environnementale insuffisante, les progrès du renforcement des fibres, des matériaux composites et de la technologie de préparation verte favorisent constamment son processus d'amélioration et d'industrialisation des performances. À l'avenir, AirGel se développera vers l'intégration multifonctionnelle et la conception bionique, réalisera l'intégration de plusieurs fonctions telles que l'isolation thermique, l'isolation saine, le blindage électromagnétique et la concentration sur la protection de l'environnement et la durabilité. Alors que la technologie continue de mûrir, Airgel jouera un plus grand rôle dans la conservation de l'énergie, la protection industrielle à haute température, les textiles, l'aérospatiale et d'autres domaines, aidant à atteindre la conservation de l'énergie, la réduction des émissions et les objectifs de fabrication intelligents.