Application d'aérogels de silice dans le domaine de l'adiabatique

En raison des nombreuses excellentes propriétés de l'aérogel de silice, il a été utilisé avec succès dans de nombreux domaines, tels que les matériaux de support de catalyseur, les matériaux d'isolation acoustique, les matériaux d'isolation thermique, les matériaux d'adsorption de gaz toxiques et les matériaux de collecte de poussière cosmique, etc. grandes perspectives d'application. Avec l'augmentation continue de la densité d'énergie des véhicules à énergie nouvelle, en particulier des batteries lithium - ion, l'isolation thermique et la prévention des incendies des batteries sont devenues l'un des sujets les plus importants.

01 aérospatiale

L'isolation thermique haute performance est l'un des composants clés de la protection thermique des véhicules aérospatiaux. Pour les véhicules hypersoniques, des températures extrêmement élevées peuvent être générées à la surface du corps dans des conditions de chauffage aérodynamique à long terme. Afin d'éviter les risques d'érosion thermique de la structure principale et de l'équipement d'instrumentation interne de l'avion, il est important de choisir un matériau d'isolation thermique avec d'excellentes performances combinées.

D'une part, le matériau isolant doit bloquer efficacement le flux de chaleur externe vers l'intérieur du corps afin de ne pas affecter le bon fonctionnement des équipements liés au corps; L'augmentation de la charge utile et l'augmentation de la distance de vol sont importantes. Avec une densité de seulement environ 0,08 G / cm3 et une conductivité thermique aussi faible que 0016 W / (m·k) à température ambiante, l'aérogel de silice peut répondre aux besoins de l'aérospatiale en matière d'isolation thermique légère et efficace.

La légèreté et la faible conductivité thermique de l'aérogel de silice en font l'un des matériaux les plus préoccupants dans l'isolation thermique de l'aérospatiale, mais l'application de l'aérogel de silice dans l'aérospatiale pose encore deux problèmes:

① la résistance mécanique de l'aérogel lui - même est faible, il est donc souvent nécessaire de combiner l'aérogel avec des matériaux fibreux dans les applications aérospatiales

② la température limite de fonctionnement des aérogels de silice est généralement inférieure à 600°c, ce qui ne peut être appliqué à l'isolation thermique des surfaces d'extrémité des avions supersoniques ou hypersoniques en évolution rapide. À l'avenir, la fusion polyphasique et la conception microstructurale devraient être envisagées pour étendre la plage de température d'application des aérogels de silice à des températures plus élevées.

02 secteur militaire

La demande de produits technologiques de haute performance est plus forte dans l'industrie militaire que dans le domaine civil. En tant que composant essentiel du nouveau matériau isolant thermique haute performance, l'aérogel de silice est favorisé par l'industrie militaire.

En outre, le Centre de recherche Eames de la NASA utilise des fibres de silicate d'aluminium comme cadre de support et remplit les pores du cadre en fibres réfractaires avec un aérogel de silicium pour préparer des briques isolantes en aérogel SiO2 renforcées de fibres de silicate d'aluminium qui ont été appliquées aux réacteurs nucléaires des sous - marins nucléaires, destroyers de missiles à vapeur. La conductivité thermique de ce matériau est inférieure à celle des matériaux en fibres réfractaires ordinaires, ce qui peut réduire efficacement la quantité de matériau isolant utilisée et augmenter l'espace disponible dans la nacelle. Dans le même temps, il peut maintenir la température dans la cabine et améliorer l'environnement de travail dans la cabine. Les bardeaux isolants sont également utilisés dans les unités de puissance d'armes pour bloquer le rayonnement thermique, favorisant la reconnaissance anti - infrarouge des équipements d'armes; En outre, l'aérogel est également utilisé dans les batteries thermiques militaires, ce qui peut améliorer la durée de vie thermique des batteries thermiques militaires.

Donner plus de fonctionnalités à l'aérogel de silice est l'une de ses principales orientations pour l'application et la recherche et le développement dans le domaine militaire. Par exemple, les vêtements de protection militaires doivent avoir non seulement une fonction d'isolation thermique, mais également une fonction de blindage infrarouge (furtivité) pour mieux s'adapter aux besoins de la guerre moderne. Par conséquent, comment réaliser la conception multifonctionnelle d'un aérogel de silice est une question importante à considérer dans son application dans le domaine militaire.

03 réservoirs et tuyaux industriels

À l'heure actuelle, les matériaux d'isolation HVAC et autres tuyaux domestiques couramment disponibles sur le marché sont principalement des mousses de polymères organiques telles que la mousse de polyuréthane, la mousse phénolique, la mousse de polystyrène, etc. cependant, ces matériaux sont inflammables et présentent un risque élevé d'incendie. L'aérogel de silice est sûr, léger et bien isolé thermiquement, il présente de grands avantages en termes de performance globale.

Des études ont montré que la conductivité thermique du matériau de revêtement peut être réduite à 0084 W / (m·k) Lorsque le matériau composite d'isolation aérogel est recouvert sur la surface du tube métallique. En outre, le temps limite de résistance au feu des matériaux de tuyauterie recouverts par le film composite aérogel peut atteindre 70 minutes, ce qui améliore efficacement la sécurité des tuyaux. Dans l'application de l'isolation des tuyaux chimiques, principalement en utilisant le feutre composite d'aérogel de silicium, il n'y a pas de mesures spéciales d'étanchéité (taux d'hydrophobie ≥ 99%) et peut encore être construit dans un environnement pluvieux ou humide.

Application de tapis de feutre d'aérogel sur les tuyaux chimiques

En outre, le feutre Composite aérogel a de bonnes propriétés sismiques et de traction, il n'y a pas d'accumulation et de sédimentation de particules pendant l'utilisation et a une longue durée de vie. Dans les applications d'isolation de tuyaux de vapeur enterrés directement, l'épaisseur de la couche d'isolation requise pour les feutres composites aérogel de silice peut être économisée de 40 à 54% par rapport aux feutres en fibre de verre, à condition de respecter les pertes thermiques maximales admissibles. Réduisant ainsi l'espace occupé par l'enfouissement direct des tuyaux. Le feutre d'aérogel de silice a une excellente isolation thermique et un meilleur espace de jeu dans des températures de vapeur élevées et des conditions de site étroites et difficiles. Le feutre d'aérogel de silice a également été utilisé avec succès dans l'isolation des pipelines pétroliers et dans les pipelines de transport de GNL de cnool hainan. Le fonctionnement stable à long terme du tuyau valide ses excellentes propriétés d'isolation thermique et ses propriétés de sécurité et de stabilité.

04 chaudière

En utilisant l'excellente isolation thermique de l'aérogel, son application à l'isolation de la surface de la chaudière peut réduire considérablement la température de surface de la chaudière et la perte de chaleur de la chaudière. En utilisation pratique, la matrice fibreuse et l'aérogel de silice sont généralement combinés pour former un coussin de feutre d'aérogel qui est ensuite appliqué sur le corps de la chaudière. Après l'utilisation d'un composite aérogel dans la chaudière, la température de surface du corps du four peut être réduite d'environ 39 ° C, le rendement thermique amélioré de 79,7% à 81,9% et les économies d'énergie de 2,2%.

Application des composites aérogel dans les systèmes de chaudières

La température de la chaudière est généralement élevée, de sorte que les fibres du composite aérogel de silice doivent être résistantes aux températures élevées. L'utilisation de fibres polycristallines de Mullite résistantes aux hautes températures et de composites d'aérogel de silice est une solution plus préférée.

Les aérogels de silice sont actuellement moins utilisés dans les chaudières, principalement en raison de leur coût de fabrication. D'autre part, la température des chaudières industrielles est relativement élevée et la limite de température de fonctionnement à long terme des aérogels est généralement inférieure à 600°c. L'amélioration de la résistance à haute température des aérogels de silicium est une tendance de développement future.

05 isolation du bâtiment et vie à la maison

Léger, faible conductivité thermique, longue durée de vie et bonne hydrophobie, l'aérogel de silice peut répondre aux exigences d'isolation thermique, ignifuge, acoustique et étanche dans le domaine de la construction. Actuellement, les formes d'application des aérogels de silicium comprennent principalement le verre à économie d'énergie aérogel, les revêtements aérogel, les tapis de feutre aérogel, les films aérogel, les bétons et mortiers aérogel et les capteurs solaires de toit.

5.1 verre d'économie d'énergie d'aérogel de silicone

L'enveloppe transparente est le maillon faible de l'économie d'énergie du bâtiment, où le verre est le matériau principal de l'enveloppe transparente, sa performance d'économie d'énergie est importante. Les bonnes capacités de transmission de la lumière, d'isolation thermique et de réduction du bruit de l'aérogel de silice lui confèrent des avantages évidents dans le domaine de la construction et en particulier dans l'application du verre architectural.

Application du verre aérogel dans la construction civile

L'application d'aérogel sur le verre peut non seulement réduire la dissipation de chaleur du verre, mais également répondre aux exigences d'éclairage. Sur la base de la garantie de l'apparence et de la lumière du jour, le verre d'aérogel de silice a une meilleure résistance à la chaleur, une résistance aux radiations plus forte et peut également être utilisé pour le réglage de la couleur et l'absorption du son, avec des avantages d'application significatifs. Actuellement, les applications des matériaux de silice dans le verre architectural comprennent principalement le verre revêtu d'aérogel, le verre aérogel massif et le verre rempli d'aérogel granulaire.

Le verre aérogel est encore au stade de la recherche et du développement industriels, les barrières techniques associées sont élevées et il n'y a qu'un petit nombre d'applications d'ingénierie dans la pratique. Actuellement, les fabricants existants de verre rempli d'aérogel granulaire sont principalement concentrés dans les pays développés européens et américains. En 2015, la Chine a réalisé sa première production de masse à Changsha. Cependant, le verre aérogel en est encore à ses balbutiements et est encore loin d'une application pratique.

5.2 revêtement d'aérogel de silice

Le revêtement d'isolation thermique d'aérogel est une branche importante de l'application d'aérogel de silice. La préparation du revêtement isolant thermique en aérogel comprend les étapes suivantes: 1. Mélanger et broyer les particules d'aérogel de silice, le stabilisant (ou agent anti - mousse) et l'eau pour former une pâte aérogel homogène; 2. La résine et le Dispersant sont ensuite ajoutés pour agitation et dispersion supplémentaires; ③ En fonction des besoins réels, on obtient un revêtement d'aérogel de silice en mélangeant divers additifs tels que le dioxyde de titane, la poudre de céramique infrarouge lointain et les billes de verre isolantes, entre autres, et des colorants.

Le revêtement d'aérogel a une faible conductivité thermique, une structure simple et un grand potentiel d'application. Cependant, il n'existe toujours pas de bon moyen de résoudre le problème de la mauvaise dispersion et de l'agglomération aisée des aérogels de silice dans le slurry, ce qui conduit à une conductivité thermique élevée du revêtement. Le problème

5.3 feutre d'aérogel de silice

Par feutre d'aérogel de silice, on entend un feutre isolant thermiquement préparé en mélangeant un aérogel de silice avec un renfort fibreux au stade du sol, puis en passant par un processus de gélification, de vieillissement, de séchage, etc.

D'une part, le tapis de feutre d'aérogel de silice conserve bien les excellentes propriétés d'isolation thermique de l'aérogel, la conductivité thermique pouvant être aussi faible que 00142 W / (m·k). D'autre part, le tapis de feutre d'aérogel résout efficacement les problèmes d'application dus à la faible résistance mécanique de l'aérogel de silice.

At present, the fiber matrix of aerogel mats mainly includes inorganic fibers and organic fibers. The inorganic fiber matrix mainly includes glass fiber, alumina fiber and quartz fiber. Inorganic fibers have high thermal stability and low thermal expansion coefficient, but their flexibility is poor and the binding force with aerogel is weak, which is easy to cause "powder dropping". Organic fibers, such as polypropylene fibers, polyester fibers, aramid fibers, cellulose fibers, etc., can give aerogel mats better flexibility and aerogel bonding strength, but organic fibers have poor thermal stability and are not suitable For practical thermal insulation applications.

La partie de renfort fibreux des coussins d'aérogel actuellement sur le marché est principalement réalisée en feutre aiguilleté de fibres de verre dont la température d'utilisation peut généralement atteindre 550°c. Ce produit a été utilisé avec succès dans les pipelines d'oléoducs et les réseaux thermiques urbains.

5.4 mortier de béton aérogel de silicone

Le ciment et le béton sont les matériaux de construction les plus courants. Le mélange d'un aérogel de silice avec un mortier de béton permet d'augmenter la porosité du mortier de béton et d'optimiser le chemin de transfert de chaleur interne, améliorant ainsi les propriétés d'isolation thermique du mortier de béton.

5.5 aérogels de silicium pour capteurs solaires

L'aérogel peut être appliqué aux panneaux collecteurs, aux réservoirs de stockage, aux tuyaux et aux systèmes d'isolation des collecteurs de chaleur des chauffe - eau, améliorant ainsi l'efficacité de la collecte et réduisant les pertes de chaleur des chauffe - eau solaires existants.

Le capteur solaire équipé d'un aérogel de 20 mm d'épaisseur offre une excellente isolation thermique. Par rapport aux récepteurs traditionnels, lorsque la température du flux de chaleur d'entrée est comprise entre 583 et 823k et que l'irradiance verticale est comprise entre 400 et 1000 W · M, l'aérogel peut réduire la perte de chaleur du collecteur de 7,3% à 10,1% et améliorer l'efficacité de l'unité de 0,01% ~ 2,92%.

06 conteneurs réfrigérés

Les conteneurs réfrigérés doivent avoir une bonne isolation thermique, être capables de maintenir un environnement à basse température et être utilisés pour le transport de divers articles périssables. L'isolation thermique des conteneurs réfrigérés traditionnels utilise généralement des matériaux tels que la fibre de verre, l'amiante, la laine de roche, les blocs de mousse de polystyrène et le polyuréthane expansé. Les matériaux organiques ont une excellente isolation thermique, mais ne sont pas respectueux de l'environnement. Bien que les matériaux inorganiques traditionnels ne soient pas toxiques et inoffensifs, les propriétés isolantes sont plus générales.

L'utilisation d'aérogels de silice au lieu de matériaux traditionnels comme isolant thermique pour les systèmes cryogéniques tels que les conteneurs réfrigérés permet de prendre en compte les besoins de protection de l'environnement et les propriétés d'isolation thermique. De nombreux travaux de recherche ont été réalisés sur les composites aérogel SiO2 par la société allemande herchester et la société américaine cabot, qui ont mis au point des produits qui ont été appliqués avec succès aux systèmes d'isolation des réfrigérateurs.

07 véhicules à énergie nouvelle

Actuellement, les matériaux isolants couramment utilisés comprennent la laine de fibre de verre, la laine de silicate d'aluminium et les panneaux isolants composites. Il est urgent de trouver un matériau d'isolation résistant au feu qui résiste aux températures élevées, offre une bonne isolation thermique et une longue durée de vie.

Les aérogels de silice présentent des avantages significatifs en termes de propriétés d'isolation thermique. Comparé à l'isolation thermique traditionnelle, seulement 1 / 5 ~ 1 / 3 de l'épaisseur peut atteindre le même effet d'isolation thermique, économisant plus d'espace pour la batterie de puissance. À l'heure actuelle, il a été testé et partiellement appliqué chez les grands fabricants de batteries lithium - ion tels que ningder Times et guoxian high tech.

L'application de composites d'isolation thermique en aérogel de silice dans les véhicules à énergies nouvelles nécessite également de prêter attention aux problèmes suivants:

① la température de résistance à la chaleur des aérogels de silice existants est ≤ 550 ° C, mais la température maximale de perte de contrôle thermique des batteries lithium - ion est supérieure à 600 ° C, de sorte que le développement de matériaux aérogels avec des températures de résistance à la chaleur plus élevées est l'une des tendances de La recherche;

② L'utilisation du procédé de séchage supercritique pour la préparation de composites aérogels est coûteuse, de sorte que le développement d'un procédé de séchage à pression normale relativement peu coûteux est une direction importante pour les applications à grande échelle futures;

③ comment équilibrer la contradiction entre l'isolation de l'aérogel sous charge élevée et la libération de chaleur de la batterie est une question brûlante à étudier.

À l'avenir, les applications des aérogels de silice dans le domaine de l'isolation thermique peuvent se concentrer sur plusieurs aspects:

(1) La température d'utilisation de l'aérogel de silice est limitée et ne peut pas répondre à la demande croissante d'isolation thermique dans les régions à haute température. Il est important d'étudier et d'améliorer la stabilité thermique des aérogels à haute température.

(2) Silica aerogels are mainly applied in the form of composite mats, and there is a problem of "powder dropping". Therefore, it is necessary to explore methods such as surface modification and fiber arrangement optimization to enhance the bonding force between aerogel particles and fibers.

(3) Lorsque la poudre d'aérogel est mélangée dans un revêtement d'isolation thermique, un panneau composite, etc., elle est sujette à la stratification de phase et entraîne une diminution des performances du matériau d'isolation thermique. Recherche la sécurité et la stabilité de l'amélioration de la dispersion homogène des poudres d'aérogel dans les matériaux composites sont l'un des principaux problèmes à résoudre dans leurs applications.

(4) Les aérogels de silice existants utilisent un procédé de séchage supercritique plus coûteux, ce qui limite leur application à grande échelle. La recherche sur l'utilisation de méthodes de préparation à faible coût (telles que le séchage à pression normale) pour réduire leurs coûts de production est l'une des tendances futures. Un