Im Jahr 1931 trennte Kistler die Flüssigkeit vom Feststoff, indem er eine überkritische Trocknungstechnik mit Alkohol anwandte und so die Schrumpfung und den Zusammenbruch der Gasstruktur verhinderte, wodurch Aerogel auf der Welt entstand.
Definition von Aerogel
Aerogel ist ein leichtes, nanoporöses, amorphes Feststoffmaterial mit Mikropartikeln im Nanometermaßstab, die miteinander aggregiert sind und eine poröse Netzwerkstruktur im Nanometermaßstab bilden und mit einer großen Anzahl gasförmiger Dispersionsmedien im Netzwerkskelett gefüllt sind.
Aerogele sind nicht nur ein Funktionsmaterial, sondern auch ein neuer Aggregatzustand. Der Zustand eines Aerogels unterscheidet sich in vielen Eigenschaften grundlegend von anderen Aggregatzuständen. Es hat eine feste Größe und Form wie Feststoffe, seine scheinbare Dichte kann jedoch zwischen maximal 1 g/cm³ und 0.001 g/cm³ liegen (niedriger als die Dichte von Luft). Gleichzeitig hat es eine schwammartige, poröse Struktur mit mehreren mikroskopischen (Nanoskelett), makroskopischen (kondensierte Materie) und mesoskopischen (mehrstufige und fraktale Struktur) Eigenschaften, wodurch Aerogele viele einzigartige Eigenschaften besitzen. Es weist eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, einen sehr niedrigen Elastizitätsmodul, eine sehr niedrige Phononenrate, einen sehr niedrigen Brechungsindex, eine niedrige Dielektrizitätskonstante, eine sehr niedrige Schallgeschwindigkeit, eine große spezifische Oberfläche, eine sehr breite Dichte- und Brechungsindexverteilung usw. auf.
Klassifizierung von Aerogelen
Aerogele gibt es in großer Vielfalt und decken nahezu alle Materialsysteme ab. Generell unterscheidet man je nach chemischer Zusammensetzung zwischen organischen, anorganischen und Verbundaerogelen. Aerogele lassen sich zudem nach ihren Hauptbestandteilen in Silizium-, Kohlenstoff-, Schwefel-, Metalloxid- und Metallsysteme unterteilen.
Status und Rolle von Aerogelen
Wissenschaftler sagen, Aerogele werden die Welt verändern.
Aerogel wurde in der 10. Ausgabe des US-Fachmagazins Science als eines der zehn heißesten Wissenschafts- und Technologiethemen aufgeführt. Am 250. August 20 berichtete die Times, Aerogel sei der leichteste Feststoff der Welt, der der Sprengkraft von einem Kilogramm Dynamit standhalten und die Hitze eines über 2007 °C heißen Schweißbrenners abhalten könne. Wissenschaftler erforschen den Einsatz von Aerogel in verschiedensten Bereichen, von superisolierten Raumanzügen über Superkondensatoren und Katalysatoren bis hin zur nächsten Generation von Tennisschlägern. Aerogel verspricht, mit Generationen legendärer Materialien wie Phenolharz aus den 1er-Jahren, Kohlefaser aus den 1300er-Jahren und Silikon aus den 1930er-Jahren konkurrieren zu können.
Aerogel wurde mehrfach als leichtester Feststoff der Welt ins Guinness-Buch der Rekorde aufgenommen. Es weist zudem eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen sehr niedrigen Brechungsindex auf und isoliert 39-mal besser als die besten Glasfasern. Aerogel wurde bereits zur Wärmedämmung der russischen Raumstation Mir und des US-amerikanischen Mars-Rover Pathfinder eingesetzt und spielt bereits eine wichtige Rolle in der Luft- und Raumfahrtindustrie.
Geschichte der Aerogel-Entwicklung
1931 wurden Aerogele erstmals von Kistler an der Stanford University, USA, hergestellt.
1985 wurde das erste Symposium über Aerogele, bekannt als ISA, vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg organisiert.
1993 werden Aerogele zur Isolierung von Raumanzügen, Raumfahrzeugen und Space Shuttles verwendet.
2002 wurde Aspen Aerogel, ein NASA-Unternehmen, zur Entwicklung und Herstellung von Aerogelen gegründet.
2004: Aerogelforschung durch chinesische Forschungsinstitute.
2006 begannen inländische Aerogel-Unternehmen in China mit der Entwicklung von Aerogelen.
2017, China verkündet, GB/T 34336-201, Nichtporöse Aerogel-Verbund-Dämmprodukte
Im Jahr 2021 veröffentlichte der Staatsrat den „Aktionsplan zur Erreichung des Kohlenstoff-Höchstwerts bis 2023“, um die Forschung und Entwicklung von Kohlefasern, Aerogel, Spezialstahl und anderen Grundmaterialien zu beschleunigen.
Die wichtigsten Eigenschaften von Aerogelen
(1) Ultraleicht. Aerogel ist der dünnste Feststoff der Welt mit einer Dichte von mindestens einem Sechstel der Luftmasse. Die Dichte variiert im Allgemeinen zwischen 0.001 und 1 g/cm³.
(2) Hohe Porosität und hohe spezifische Oberfläche. Die Porosität beträgt 80 % bis 99.9 %, die spezifische Oberfläche 200 bis 1000 m²/g und die typische Porengröße 2 bis 1 nm.
(3) Hervorragende Wärmedämmung. Die dünne Nano-Netzwerkstruktur des Aerogels begrenzt wirksam die Ausbreitung lokaler Wärmeerregung, und seine Wärmeleitfähigkeit im Festkörper ist zwei bis drei Größenordnungen niedriger als die des entsprechenden glasartigen Materials.
Das Prinzip der Aerogel-Wärmedämmung
Reduzierte Wärmeübertragung: Die unendliche Anzahl von Nanopartikeln im Aerogel bildet ein Netzskelett, und Wärme kann nur entlang einer unendlichen Anzahl von Nanopartikeln fließen. Der Wärmefluss kann nur entlang einer unendlichen Anzahl von Nanopartikeln geleitet werden, was zu einem nahezu unendlichen Wärmeübertragungsweg im Feststoff führt. Die Wärmeübertragung im Feststoff wird auf das niedrigstmögliche Niveau reduziert.
Hemmung der thermischen Konvektion : Die durchschnittliche Porengröße von Aerogelen beträgt 20-40 nm und ist damit kleiner als die durchschnittliche freie Reichweite von Gasmolekülen von 69 nm. Dadurch verlieren die Gasmoleküle in den Poren ihre Fähigkeit, sich frei zu bewegen, was eine Konvektion nahezu unmöglich macht.
Reduzierte Wärmestrahlung : Die durch die Nanopartikel in Aerogelen gebildeten Porenwände wirken als Infrarotschilde, und die unendliche Anzahl dieser Schilde reduziert die Wärmestrahlung erheblich.
(4) Katalyse. Die geringe Partikelgröße, die hohe spezifische Oberfläche und die geringe Dichte des Aerogels führen dazu, dass die Aktivität und Selektivität von Aerogelkatalysatoren deutlich höher ist als bei herkömmlichen Katalysatoren. Die aktiven Komponenten können sehr gleichmäßig im Träger verteilt werden. Zudem weist der Aerogel eine ausgezeichnete thermische Stabilität auf, wodurch das Auftreten von Nebenreaktionen wirksam reduziert werden kann.
(5) Schalldämmung. Die geringe Schallgeschwindigkeit von Aerogelen macht sie zu einem idealen Material für akustische Verzögerung oder Hochtemperatur-Schalldämmung. Der variable Bereich der akustischen Impedanz von Aerogel ist groß (103 bis 107 kg/(m³-s)), was es zu einem idealen akustischen Widerstandskopplungsmaterial für Ultraschalldetektoren macht. Der akustische Widerstand von piezoelektrischer Keramik, die für Ultraschallgeneratoren und -detektoren verwendet wird, beträgt 1.5 × 107 kg/(m³-s), während der akustische Widerstand von Luft nur 400 kg/(m³-s) beträgt. Die Verwendung von Silizium-Aerogel mit einer Dicke von ¼ Wellenlänge und einer Dichte von ca. 1 g/cm³ als akustisches Widerstandskopplungsmaterial zwischen piezoelektrischer Keramik und Luft kann die Schallintensität um 4 dB erhöhen, die Übertragungseffizienz von Schallwellen verbessern und das Signal-Rausch-Verhältnis in Geräteanwendungen reduzieren.
(6) Filtrationsleistung. Nanostrukturierte Aerogele eignen sich auch als neuartiges, hocheffizientes Gasfiltrationsmaterial. Aufgrund ihrer außergewöhnlich großen spezifischen Oberfläche werden Aerogele von Wissenschaftlern als „Superschwämme“ bezeichnet und eignen sich ideal zur Adsorption von Schadstoffen im Wasser, um Blei und Quecksilber zu entfernen. Damit eignen sie sich hervorragend zur Bewältigung ökologischer Katastrophen.
(7) Optische Eigenschaften. Reines SiO₂-Aerogel ist transparent und farblos. Sein Brechungsindex (1.006–1.06) liegt sehr nahe an dem von Luft. Dadurch weist SiO₂-Aerogel nahezu keinen Reflexionsverlust bei einfallendem Licht auf und kann Sonnenlicht effektiv durchlassen. Daher eignet es sich zur Herstellung von Isolier- und Schallschutzglas.
Weitere Informationen oder das technische Datenblatt und das Sicherheitsdatenblatt erhalten Sie per E-Mail unter [email protected] oder telefonisch unter +86-28-8411-1861.
Einige Bilder und Texte stammen aus dem Internet und das Urheberrecht liegt beim ursprünglichen Autor. Bei Verstößen kontaktieren Sie uns bitte zur Löschung.