ในปีพ.ศ. 1931 Kistler แยกของเหลวออกจากของแข็งโดยใช้เทคนิคการทำให้แห้งแบบยิ่งยวดด้วยแอลกอฮอล์ และรักษาโครงสร้างของก๊าซไม่ให้หดตัวและยุบตัว ส่งผลให้มีแอโรเจลอยู่ในโลก
คำจำกัดความของแอโรเจล
แอโรเจลเป็นวัสดุแข็งอะมอร์ฟัสที่มีรูพรุนระดับนาโนน้ำหนักเบาที่มีอนุภาคขนาดเล็กในระดับนาโนเมตรรวมตัวกันเพื่อสร้างโครงสร้างเครือข่ายที่มีรูพรุนในระดับนาโนเมตร และเต็มไปด้วยสื่อกระจายก๊าซจำนวนมากในโครงกระดูกเครือข่าย
แอโรเจลไม่เพียงแต่เป็นวัสดุที่มีฟังก์ชันการทำงานเท่านั้น แต่ยังเป็นสสารสถานะใหม่ด้วย แอโรเจลมีความแตกต่างจากสสารสถานะอื่นโดยพื้นฐานในคุณสมบัติหลายประการ แอโรเจลมีขนาดและรูปร่างคงที่เหมือนสสารแข็ง แต่ความหนาแน่นที่ปรากฏสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่สูงสุด 1 g/cm³ ถึง 0.001 g/cm³ (ต่ำกว่าความหนาแน่นของอากาศ) ในเวลาเดียวกัน แอโรเจลยังมีโครงสร้างพรุนคล้ายฟองน้ำที่มีคุณสมบัติหลายประการในระดับจุลภาค (โครงกระดูกขนาดนาโน) ระดับมหภาค (สสารควบแน่น) และระดับเมโสสโคปิก (โครงสร้างหลายระดับและแบบเศษส่วน) ทำให้แอโรเจลมีคุณสมบัติเฉพาะตัวหลายประการ แอโรเจลมีคุณสมบัติการนำความร้อนต่ำมาก โมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำมาก อัตราโฟนอนต่ำมาก ดัชนีหักเหแสงต่ำมาก ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ ความเร็วเสียงต่ำมาก พื้นที่ผิวจำเพาะสูง ความหนาแน่นและการกระจายดัชนีหักเหแสงกว้างมาก เป็นต้น
การจำแนกประเภทของแอโรเจล
แอโรเจลมีหลายประเภท ครอบคลุมระบบวัสดุแทบทุกประเภท โดยทั่วไป แอโรเจลสามารถแบ่งตามองค์ประกอบทางเคมีได้เป็น แอโรเจลอินทรีย์ แอโรเจลอนินทรีย์ และแอโรเจลคอมโพสิต เป็นต้น แอโรเจลยังสามารถแบ่งตามองค์ประกอบหลักได้เป็น ซิลิกอน คาร์บอน ซัลเฟอร์ โลหะออกไซด์ และโลหะ
สถานะและบทบาทของแอโรเจล
นักวิทยาศาสตร์กล่าว แอโรเจลจะเปลี่ยนโลก
แอโรเจลได้รับการจัดอันดับให้เป็นหนึ่งใน 10 ประเด็นด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่ร้อนแรงที่สุดในวารสาร Science ฉบับที่ 250 ของสหรัฐอเมริกา เมื่อวันที่ 20 สิงหาคม 2007 The Times รายงานว่าแอโรเจลเป็นของแข็งที่เบาที่สุดในโลก ซึ่งสามารถทนต่อพลังระเบิดของไดนาไมต์ 1 กิโลกรัม และช่วยให้คุณไม่ต้องทนกับความร้อนจากไฟเป่าแก๊สที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 1300 องศาเซลเซียส นักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษาการใช้แอโรเจลในทุกสิ่งตั้งแต่ชุดอวกาศที่มีฉนวนป้องกันความร้อนสูง ไปจนถึงซูเปอร์คาปาซิเตอร์ ตัวเร่งปฏิกิริยา ไปจนถึงไม้เทนนิสรุ่นต่อไป แอโรเจลมีแนวโน้มที่จะแข่งขันกับวัสดุในตำนานรุ่นต่างๆ เช่น เรซินฟีนอลิกจากยุค 1930 คาร์บอนไฟเบอร์จากยุค 1980 และซิลิโคนจากยุค 1990
Aerogel ได้รับการบันทึกใน Guinness Book of World Records หลายครั้งว่าเป็นของแข็งที่เบาที่สุดในโลก นอกจากนี้ Aerogel ยังมีค่าการนำความร้อนและดัชนีการหักเหแสงต่ำมาก และมีค่าความเป็นฉนวนสูงกว่าเส้นใยแก้วที่ดีที่สุดถึง 39 เท่า Aerogel ถูกนำมาใช้เป็นฉนวนป้องกันความร้อนให้กับสถานีอวกาศ Mir ของรัสเซียและยานสำรวจ Mars Pathfinder ของสหรัฐอเมริกา และยังมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศมาแล้ว
ประวัติการพัฒนาแอโรเจล
พ.ศ. 1931 แอโรเจลได้รับการเตรียมเป็นครั้งแรกโดย Kistler แห่งมหาวิทยาลัย Stanford ประเทศสหรัฐอเมริกา
พ.ศ. 1985 การประชุมเชิงปฏิบัติการครั้งแรกเกี่ยวกับแอโรเจล หรือที่เรียกว่า ISA จัดขึ้นโดยสถาบันฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยวูร์ซบูร์ก ประเทศเยอรมนี
ในปี พ.ศ. 1993 แอโรเจลถูกนำมาใช้เป็นฉนวนกันความร้อนให้กับชุดอวกาศ ยานอวกาศ และกระสวยอวกาศ
พ.ศ. 2002 บริษัท Aspen Aerogel ในเครือ NASA ก่อตั้งขึ้นเพื่อพัฒนาและผลิตแอโรเจล
พ.ศ. 2004 การวิจัยแอโรเจลดำเนินการโดยสถาบันวิจัยในประเทศจีน
ในปี 2006 บริษัทแอโรเจลในประเทศของจีนได้เริ่มพัฒนาแอโรเจล
2017 จีนประกาศใช้ GB/T 34336-201 ผลิตภัณฑ์ฉนวนคอมโพสิตแอโรเจลที่ไม่มีรูพรุน
ในปี 2021 คณะรัฐมนตรีได้ออก “แผนปฏิบัติการเพื่อลดคาร์บอนให้ถึงจุดสูงสุดภายในปี 2023” เพื่อเร่งการวิจัยและพัฒนาคาร์บอนไฟเบอร์ เอโรเจล เหล็กพิเศษ และวัสดุพื้นฐานอื่นๆ
คุณสมบัติหลักของแอโรเจล
(1) น้ำหนักเบามาก แอโรเจลเป็นของแข็งที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดในโลก โดยมีความหนาแน่นน้อยที่สุดเพียงหนึ่งในหกของมวลอากาศ ช่วงของการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นโดยทั่วไปคือ 0.001~1g/cm³
(2) มีรูพรุนสูงและพื้นที่ผิวจำเพาะสูง โดยรูพรุนอยู่ที่ 80%~99.9% พื้นที่ผิวจำเพาะอยู่ที่ 200~1000m2/g และขนาดรูพรุนทั่วไปอยู่ที่ 1~100nm
(3) ฉนวนกันความร้อนที่ดีเยี่ยม โครงสร้างเครือข่ายนาโนที่บางเฉียบของเอโรเจลช่วยจำกัดการแพร่กระจายของการกระตุ้นความร้อนในพื้นที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และการนำความร้อนแบบโซลิดสเตตนั้นต่ำกว่าวัสดุแก้วที่เกี่ยวข้องถึง 2~3 เท่า
หลักการของฉนวนกันความร้อนแบบแอโรเจล
ลดการถ่ายเทความร้อน:อนุภาคขนาดนาโนจำนวนอนันต์ในแอโรเจลก่อตัวเป็นโครงตาข่าย และความร้อนสามารถไหลได้เฉพาะตามอนุภาคขนาดนาโนจำนวนอนันต์เท่านั้น การไหลของความร้อนสามารถดำเนินการได้เฉพาะตามอนุภาคขนาดนาโนจำนวนอนันต์เท่านั้น ส่งผลให้เส้นทางการถ่ายเทความร้อนในของแข็งเกือบจะไม่มีที่สิ้นสุด การถ่ายเทความร้อนในของแข็งจะลดลงเหลือระดับต่ำสุดที่เป็นไปได้
การยับยั้งการพาความร้อน : ขนาดรูพรุนเฉลี่ยของแอโรเจลอยู่ที่ 20-40 นาโนเมตร ซึ่งเล็กกว่าระยะการเคลื่อนที่อิสระเฉลี่ยของโมเลกุลก๊าซที่ 69 นาโนเมตร และโมเลกุลก๊าซในรูพรุนจะสูญเสียความสามารถในการเคลื่อนที่อย่างอิสระ ทำให้การพาความร้อนแทบเป็นไปไม่ได้
ลดการแผ่รังสีความร้อน : ผนังรูพรุนที่เกิดจากอนุภาคนาโนในแอโรเจลทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันรังสีอินฟราเรด และเกราะป้องกันจำนวนมหาศาลช่วยลดการแผ่รังสีความร้อนได้อย่างมาก
(4) การเร่งปฏิกิริยา ขนาดอนุภาคที่เล็ก พื้นที่ผิวจำเพาะสูง และความหนาแน่นต่ำของแอโรเจลทำให้กิจกรรมและการคัดเลือกของตัวเร่งปฏิกิริยาแอโรเจลสูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทั่วไปมาก และส่วนประกอบที่ใช้งานสามารถกระจายได้สม่ำเสมอมากในตัวพา และยังมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ยอดเยี่ยม ซึ่งสามารถลดการเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงได้อย่างมีประสิทธิภาพ
(5) ฉนวนกันเสียง คุณสมบัติความเร็วเสียงต่ำของแอโรเจลทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการลดเสียงหรือฉนวนกันเสียงที่อุณหภูมิสูง ช่วงค่าอิมพีแดนซ์เสียงของแอโรเจลที่เปลี่ยนแปลงได้นั้นมีขนาดใหญ่ [103 ~ 107kg/(㎡-s)] ซึ่งเป็นวัสดุเชื่อมต่อความต้านทานเสียงที่เหมาะสมกว่าสำหรับเครื่องตรวจจับอัลตราโซนิก ความต้านทานเสียงของเซรามิกเพียโซอิเล็กทริกที่ใช้สำหรับเครื่องกำเนิดและเครื่องตรวจจับอัลตราโซนิกคือ 1.5×107kg/(㎡-s) ในขณะที่ความต้านทานเสียงของอากาศอยู่ที่เพียง 400kg/(㎡-s) การใช้ซิลิกอนแอโรเจลที่มีความหนา 1/4 ของความยาวคลื่นและความหนาแน่นประมาณ 0.3g/cm³ เป็นวัสดุเชื่อมต่อความต้านทานเสียงระหว่างเซรามิกเพียโซอิเล็กทริกและอากาศสามารถเพิ่มความเข้มของเสียงได้ 30dB ปรับปรุงประสิทธิภาพในการส่งสัญญาณคลื่นเสียง และลดอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนในการใช้งานอุปกรณ์
(6) ประสิทธิภาพการกรอง แอโรเจลที่มีโครงสร้างนาโนยังสามารถใช้เป็นวัสดุกรองก๊าซชนิดใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงได้อีกด้วย เนื่องจากมีพื้นที่ผิวจำเพาะที่ใหญ่เป็นพิเศษ แอโรเจลจึงได้รับการเรียกจากนักวิทยาศาสตร์ว่า “ฟองน้ำซุปเปอร์” และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการดูดซับสารมลพิษในน้ำ ดูดตะกั่วและปรอทออกจากน้ำ ทำให้แอโรเจลเป็นวัสดุที่ยอดเยี่ยมสำหรับการรับมือกับภัยพิบัติทางระบบนิเวศ
(7) คุณสมบัติทางแสง แอโรเจล SiO1.006 บริสุทธิ์มีความโปร่งใสและไม่มีสี และดัชนีการหักเหแสง (1.06~XNUMX) ใกล้เคียงกับอากาศมาก ซึ่งหมายความว่าแอโรเจล SiOXNUMX แทบไม่มีการสูญเสียการสะท้อนแสงจากแสงตกกระทบและสามารถส่งผ่านแสงแดดได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงสามารถนำไปใช้ทำกระจกฉนวนและกระจกลดเสียงรบกวนได้
หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติม หรือต้องการเอกสารข้อมูลทางเทคนิคและเอกสารข้อมูลความปลอดภัยของวัสดุ โปรดติดต่อเราทางอีเมล: [email protected]หรือโทรหาเราที่: +86-28-8411-1861
รูปภาพและข้อความบางส่วนนำมาจากอินเทอร์เน็ต และลิขสิทธิ์เป็นของผู้เขียนต้นฉบับ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ กรุณาติดต่อเราเพื่อลบทิ้ง