Ces dernières années, les matériaux aérogel ont montré un grand potentiel d'application dans l'aérospatiale, l'énergie et la protection de l'environnement, l'isolation du bâtiment et d'autres champs en raison de leur structure nanoporeuse unique, de leur conductivité thermique extrêmement faible et de leurs excellentes propriétés mécaniques. Cependant, les aérogels ont de nombreux paramètres de performance et différents scénarios d'application ont des exigences différentes pour leurs performances clés. Donc, lors du choix des matériaux AirGel, quels indicateurs de performance sont les plus critiques? Est-ce une conductivité thermique ultra-bas, une excellente résistance mécanique ou une excellente hydrophobicité ou une stabilité environnementale? Cet article analysera les performances de base des aérogels, explorera les points clés de la sélection des matériaux dans différents scénarios d'application et fournira aux lecteurs des suggestions de sélection scientifique et pratiques pour les aider à prendre les meilleures décisions dans la recherche scientifique ou l'ingénierie.
Contenu
3. Résistance à haute température et retard de flamme
5. Exigences spécifiques à l'application
The core value of aerogel lies in its ultra-low thermal conductivity (0.013–0.03 W/m·K), making it one of the best known solid-state materials for thermal conductivity, and it can effectively block three heat transfer modes: conduction, convection, and radiation. Taking silica aerogel as an example, its extremely low thermal conductivity enables it to play a key role in aerospace, energy, and other fields. For example, the Zhurong Mars rover uses aerogel to protect key components, allowing it to work stably in extreme environments ranging from -100°C to high temperatures. In the field of power batteries, the thermal conductivity of aerogel insulation pads usually needs to be controlled below 0.03 W/m·K to effectively suppress the risk of thermal runaway. However, in high temperature environments (>600 degrés), les performances d'isolation thermique de certains aérogels organiques baisseront considérablement, il est donc nécessaire d'utiliser des matériaux résistants à haute température composites pour améliorer leur stabilité à haute température. Ces caractéristiques font de l'aérogel un matériau clé irremplaçable dans des scénarios avec des besoins d'isolation thermique extrêmes.
Les propriétés mécaniques des aérogels se reflètent principalement dans la résistance à la traction, la résilience de la compression et la résistance aux fractures, qui affectent directement leur durabilité et leur adaptabilité de traitement dans les applications pratiques. Les aérogels purs affichent généralement une fragilité élevée, et leur résistance à la traction est souvent inférieure à {{0}}. 1 MPa, ce qui est difficile à répondre aux exigences d'ingénierie. Par conséquent, ils doivent souvent être composés de matériaux de fibres pour améliorer les propriétés mécaniques. Par exemple, les composites Airgel renforcés par les fibres aramides peuvent augmenter la résistance à la traction à 1,2 MPa et ont été utilisés avec succès dans des environnements difficiles tels que les couches d'isolation sous-marine nucléaire. La résistance à la traction des composites d'aérogel optimisées peut atteindre 0. 5-2 MPA, qui peut répondre aux exigences de résistance du matériau de la construction, de l'aérospatiale et d'autres champs. Cependant, il convient de noter que le processus de renforcement mécanique peut sacrifier partiellement ses excellentes performances d'isolation thermique en raison de la réduction de la porosité. Par conséquent, il est nécessaire d'équilibrer la résistance mécanique et les performances d'isolation thermique pendant la conception.
3. Résistance à haute température et retard de flamme
La résistance à haute température et les propriétés ignifuges des aérogels se reflètent principalement dans la stabilité structurelle du matériau et sa capacité à inhiber la combustion dans des environnements à haute température. Les aérogels de différentes compositions présentent des caractéristiques de résistance à la température significativement différentes. Prenant l'exemple de Polyimide Airgel, sa résistance à la température peut atteindre 600 degrés, tandis que l'aérogel de carbone peut rester stable dans des conditions extrêmes dépassant 3000 degrés, montrant un excellent potentiel de résistance à la température élevée. En termes de propriétés ignifuges, les aérogels de haute qualité doivent répondre à des spécifications strictes telles que UL 94 V -0 ou construire des normes de protection contre les incendies pour assurer leur sécurité dans les scénarios d'incendie. Cependant, il convient de noter que les aérogels organiques sont à risque de décomposition à des températures élevées, et leur stabilité n'est généralement pas aussi bonne que celle des aérogels inorganiques. Par conséquent, le système de matériau doit être soigneusement sélectionné lorsqu'il est utilisé dans des applications à haute température. Il convient de noter que certains aérogels spécialement modifiés, tels que les aérogels à base de cellulose, peuvent non seulement maintenir leurs performances à des températures élevées de 600 degrés, mais aussi avoir des propriétés biodégradables. Cette combinaison unique le fait montrer une valeur d'application importante dans les champs émergents tels que la furtivité infrarouge.
Le coût et l'évolutivité des aérogels sont principalement affectés par le coût de la production de matériaux, le potentiel de mise à l'échelle et la maturité de la chaîne d'approvisionnement. L'industrie est toujours confrontée au défi d'équilibrer les coûts élevés avec l'industrialisation. En tant que méthode de préparation traditionnelle, le coût du séchage supercritique représente jusqu'à 40% du coût total, tandis que la technologie de séchage atmosphérique émergente peut réduire le coût de production d'environ 30%, offrant la possibilité d'une application à grande échelle. La Chine est devenue le pays avec la plus grande capacité de production aérogel au monde, avec une capacité de production de 500 mètres cubes 000 en 2023, mais elle repose toujours sur les importations dans le domaine des produits haut de gamme, reflétant l'écart entre le niveau d'industrialisation et la technologie de base. Il convient de noter que bien que les solutions à faible coût aient amélioré l'efficacité économique, elles se font souvent au détriment de la cohérence des performances matérielles. Des sociétés internationales de premier plan telles qu'Aspen Airgel ont réussi à obtenir une production à grande échelle grâce à la technologie des composites de fibres, en gardant les coûts à 50 $ \/ mètre carré, offrant à l'industrie une voie d'industrialisation de référence, mais comment réduire davantage les coûts tout en garantissant les performances est toujours un problème clé pour l'application commerciale à grande échelle d'aérogels.
5. Exigences spécifiques à l'application
Les exigences spécifiques à l'application des aérogels se reflètent dans l'optimisation des performances personnalisée pour différents scénarios d'utilisation, tels que des exigences fonctionnelles spéciales telles que l'absorption saine, le blindage électromagnétique ou la stabilité chimique. Dans le domaine de l'aérospatiale, le léger est la demande de base, et la densité des aérogels est généralement nécessaire pour être inférieure à 1 0} 0 kg \/ m³, tandis que les applications architecturales accordent plus d'attention à la facilité de traitement des matériaux, et nécessitent souvent des aérogels pour être préfabriqués sous forme de feuille pour une construction facile. Afin d'atteindre la fonction de blindage électromagnétique, les charges conductrices doivent être ajoutées à l'aérogel, mais cela se fait généralement au détriment de certaines performances d'isolation thermique. Il convient de noter que la structure nanoporeuse des aérogels lui donne une excellente performance d'absorption du son, avec un coefficient d'absorption sonore allant jusqu'à 0,95 (2000 Hz). Cette caractéristique a été appliquée avec succès aux scènes qui nécessitent une réduction du bruit, telles que les voitures ferroviaires à grande vitesse. Cependant, bien que l'intégration de plusieurs fonctions dans un seul matériau aérogel puisse étendre la portée de l'application, elle augmentera inévitablement la complexité du processus de préparation et le coût global, qui est devenu le principal goulot d'étranglement restreint l'application commerciale des aérogels multifonctionnels.
Les matériaux aérogel, avec leur conductivité thermique ultra-bas, leur structure poreuse légère et leurs propriétés mécaniques et fonctionnelles réglables, ont montré une valeur d'application irremplaçable dans des champs de pointe tels que l'aérospatiale, la nouvelle énergie et l'isolation du bâtiment. Cependant, leur sélection réelle nécessite une considération complète de facteurs multidimensionnels tels que la conductivité thermique, la résistance mécanique, la résistance à la température et le retard de flamme, la rentabilité et les exigences fonctionnelles de scénarios spécifiques. À l'avenir, avec des percées dans les technologies de préparation à faible coût telles que le séchage de la pression atmosphérique, et l'optimisation des processus de renforcement tels que les composites de fibres et la nano-modification, les matériaux aérogel devraient obtenir de plus grandes percées dans l'équilibre entre les performances et les coûts, et favoriser leur application à grande échelle dans une plage plus large de champs industriels. Comment faire correspondre avec précision les exigences des applications au stade de la conception des matériaux deviendra une question centrale de préoccupation commune à la recherche scientifique et à l'industrie.