Aerogel là gì?

Sự ra đời của Aerogel

Năm 1931, Kistler đã tách chất lỏng ra khỏi chất rắn bằng cách sử dụng kỹ thuật sấy siêu tới hạn bằng cồn và giữ cho cấu trúc của khí không bị co lại và sụp đổ, tạo ra khí gel trên thế giới.

Định nghĩa của Aerogel
Aerogel là vật liệu rắn vô định hình có kích thước nano nhẹ với các hạt vi mô có kích thước nano kết tụ với nhau để tạo thành cấu trúc mạng lưới xốp có kích thước nano và chứa một lượng lớn môi trường phân tán khí trong bộ khung mạng lưới.

Aerogel không chỉ là vật liệu chức năng mà còn là trạng thái vật chất mới. Trạng thái aerogel về cơ bản khác với các trạng thái vật chất khác ở nhiều tính chất. Nó có kích thước và hình dạng cố định giống như vật chất rắn, nhưng mật độ biểu kiến ​​của nó có thể trải dài từ tối đa 1 g/cm³ đến 0.001 g/cm³ (thấp hơn mật độ không khí); đồng thời, nó có cấu trúc xốp giống như bọt biển, với nhiều tính chất của các đặc điểm vi mô (bộ xương nano), vĩ mô (vật chất ngưng tụ) và vi mô (cấu trúc đa cấp và fractal), khiến aerogel sở hữu nhiều tính chất độc đáo. Nó thể hiện độ dẫn nhiệt rất thấp, mô đun đàn hồi rất thấp, tốc độ phonon rất thấp, chiết suất rất thấp, hằng số điện môi thấp, tốc độ âm thanh rất thấp, diện tích bề mặt riêng cao, mật độ và phân bố chiết suất rất rộng, v.v.

Phân loại Aerogel
Có nhiều loại aerogel, bao gồm hầu hết các hệ thống vật liệu. Nhìn chung, theo thành phần hóa học, chúng có thể được chia thành aerogel hữu cơ, aerogel vô cơ và aerogel tổng hợp, v.v. Aerogel cũng có thể được phân loại thành các hệ thống silicon, carbon, lưu huỳnh, oxit kim loại và kim loại theo thành phần chính của chúng.

Tình trạng và vai trò của Aerogel
Các nhà khoa học cho biết aerogel sẽ thay đổi thế giới.

Aerogel được liệt kê là một trong 10 vấn đề khoa học và công nghệ nóng hổi nhất trong ấn bản thứ 250 của tạp chí Science của Hoa Kỳ. Vào ngày 20 tháng 2007 năm 1, tờ The Times đưa tin rằng aerogel là chất rắn nhẹ nhất thế giới có thể chịu được sức nổ của 1300kg thuốc nổ và giúp bạn tránh xa sức nóng của đèn khò trên 1930°C. Các nhà khoa học đang khám phá việc sử dụng aerogel trong mọi thứ, từ bộ đồ du hành vũ trụ siêu cách nhiệt đến siêu tụ điện, chất xúc tác cho đến thế hệ vợt tennis tiếp theo. Aerogel hứa hẹn sẽ cạnh tranh với nhiều thế hệ vật liệu huyền thoại như nhựa phenolic từ những năm 1980, sợi carbon từ những năm 1990 và silicon từ những năm XNUMX.

Aerogel đã được Sách Kỷ lục Guinness Thế giới nhiều lần ghi nhận là chất rắn nhẹ nhất thế giới. Aerogel cũng có độ dẫn nhiệt và chiết suất rất thấp và cách nhiệt tốt hơn 39 lần so với sợi thủy tinh tốt nhất. Aerogel đã được sử dụng để cách nhiệt cho trạm vũ trụ Mir của Nga và xe tự hành Mars Pathfinder của Hoa Kỳ, và đã đóng vai trò quan trọng trong ngành hàng không vũ trụ.

Lịch sử phát triển của Aerogel
Năm 1931, khí gel lần đầu tiên được Kistler chế tạo tại Đại học Stanford, Hoa Kỳ.
Năm 1985, hội thảo đầu tiên về khí gel, được gọi là ISA, được tổ chức bởi Viện Vật lý tại Đại học Würzburg, Đức.
1993, khí gel được sử dụng để cách nhiệt cho bộ đồ du hành vũ trụ, tàu vũ trụ và tàu con thoi.
Năm 2002, Aspen Aerogel, một công ty của NASA, được thành lập để phát triển và sản xuất aerogel.
Năm 2004, nghiên cứu về khí gel được tiến hành bởi các viện nghiên cứu trong nước của Trung Quốc.
Năm 2006, các công ty sản xuất aerogel trong nước tại Trung Quốc bắt đầu phát triển aerogel.
2017, Trung Quốc ban hành, GB/T 34336-201, Sản phẩm cách nhiệt composite Aerogel không xốp
Năm 2021, Quốc vụ viện đã ban hành “Kế hoạch hành động đưa lượng carbon đạt đỉnh vào năm 2023” về việc đẩy nhanh nghiên cứu và phát triển sợi carbon, khí gel, thép đặc biệt và các vật liệu cơ bản khác.

Các tính chất chính của Aerogel
(1) Siêu nhẹ. Aerogel là chất rắn có mật độ thấp nhất thế giới, mật độ tối thiểu bằng một phần sáu khối lượng không khí. Phạm vi biến thiên mật độ thường là 0.001~1g/cm³.

(2) Độ xốp cao và diện tích bề mặt riêng cao. Độ xốp là 80%~99.9%, diện tích bề mặt riêng là 200~1000m2/g, kích thước lỗ rỗng điển hình là 1~100nm.

(3) Cách nhiệt siêu tốt. Cấu trúc mạng nano mỏng của khí gel có tác dụng hạn chế sự lan truyền của kích thích nhiệt cục bộ và độ dẫn nhiệt trạng thái rắn của nó thấp hơn 2~3 bậc độ lớn so với vật liệu thủy tinh tương ứng.

Nguyên lý cách nhiệt của aerogel
Giảm truyền nhiệt: Số lượng vô hạn các hạt nano trong khí gel tạo thành một bộ khung lưới, và nhiệt chỉ có thể chảy qua một số lượng vô hạn các hạt nano. Dòng nhiệt chỉ có thể được dẫn qua một số lượng vô hạn các hạt nano, dẫn đến một đường truyền nhiệt gần như vô hạn trong chất rắn. Sự truyền nhiệt trong chất rắn được giảm xuống mức thấp nhất có thể.

Ức chế đối lưu nhiệt : Kích thước lỗ xốp trung bình của aerogel là 20-40 nm, nhỏ hơn phạm vi chuyển động tự do trung bình của các phân tử khí là 69 nm, và các phân tử khí trong lỗ xốp mất khả năng chuyển động tự do, khiến cho sự đối lưu gần như không thể xảy ra.

Giảm bức xạ nhiệt : Các vách lỗ xốp được hình thành bởi các hạt nano trong aerogel đóng vai trò như các tấm chắn tia hồng ngoại, và số lượng tấm chắn vô hạn này giúp giảm đáng kể bức xạ nhiệt.

(4) Xúc tác. Kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt riêng cao và mật độ thấp của khí gel làm cho hoạt động và tính chọn lọc của chất xúc tác khí gel cao hơn nhiều so với chất xúc tác thông thường, và các thành phần hoạt động có thể được phân tán rất đồng đều trong chất mang, và nó cũng có độ ổn định nhiệt tuyệt vời, có thể làm giảm hiệu quả sự xuất hiện của các phản ứng phụ.

(5) Cách âm. Các đặc tính về vận tốc âm thanh thấp của khí gel khiến chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho độ trễ âm thanh hoặc cách âm ở nhiệt độ cao. Phạm vi trở kháng âm thanh thay đổi của khí gel lớn [103 ~ 107kg/(㎡-s)], đây là vật liệu ghép điện trở âm lý tưởng hơn cho các máy dò siêu âm. Điện trở âm của gốm áp điện được sử dụng cho máy phát và máy dò siêu âm là 1.5×107kg/(㎡-s), trong khi điện trở âm của không khí chỉ là 400kg/(㎡-s). Sử dụng khí gel silicon có độ dày bằng 1/4 bước sóng và mật độ khoảng 0.3g/cm³ làm vật liệu ghép điện trở âm giữa gốm áp điện và không khí có thể tăng cường độ âm thanh lên 30dB, cải thiện hiệu suất truyền sóng âm và giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trong các ứng dụng thiết bị.

(6) Hiệu suất lọc. Các khí gel có cấu trúc nano cũng có thể được sử dụng như một loại vật liệu lọc khí hiệu quả cao mới. Do diện tích bề mặt riêng cực lớn, các nhà khoa học gọi khí gel là “siêu bọt biển” và lý tưởng để hấp thụ các chất ô nhiễm trong nước, hút chì và thủy ngân ra khỏi nước, khiến chúng trở thành vật liệu tuyệt vời để xử lý các thảm họa sinh thái.

(7) Tính chất quang học. Khí gel SiO₂ tinh khiết trong suốt và không màu, chiết suất của nó (1.006~1.06) rất gần với không khí, điều này có nghĩa là khí gel SiO₂ hầu như không bị mất phản xạ với ánh sáng tới và có thể truyền ánh sáng mặt trời hiệu quả. Do đó, nó có thể được sử dụng để làm kính cách nhiệt và giảm tiếng ồn.

Để biết thêm thông tin hoặc nhận Bảng dữ liệu kỹ thuật & Bảng dữ liệu an toàn vật liệu, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email: [email protected] hoặc gọi điện cho chúng tôi theo số: +86-28-8411-1861.

Một số hình ảnh và văn bản được sao chép từ Internet và bản quyền thuộc về tác giả gốc. Nếu có bất kỳ vi phạm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa.