„Aерогелът най-лекият материал в света на изолацията

Минно-Геоложки-Университет
“Свети Иван Рилски”
София
Р ЕФ Е РАТ
На тема:
„Aерогелът – най-лекият материал в света на
изолацията“
Изготвил: .............................................
Проверил: .......................................
Ф.№
Специалност: ЕЕЕО
II Курс
Задочно обучение
София, 2020

Вследствие на технологичния напредък в последните десетилетия се наблюдава бум на нови изолационни методи и технологии. Освен това все повече усилия са насочени към откриването на нови материали или подобряването на съществуващите, както и откриването на нови области на приложение за тях. Когато става дума за изолация, често пъти определящ фактор за това дали един материал е качествен или не се оказват неговите физико-механични свойства. Синтезът между високоефективност, широк спектър от потенциални приложения и достъпна цена е основна цел на науката в процеса на откриване на материалите на бъдещето.
Един от най-интересните примери за синтетично получен високоефективен материал е аерогелът. Аерогелът представлява ултра лек материал. Разпространени са аерогелове на основата на аморфния силициев диоксид, алуминиев диоксид, също така оксидите на хрома и оловото. В началото на 90-те години на XX век са получени първите образци на аерогела на въглеродна основа. Получава се, когато течният компонент на даден гел бива заменен с газ. В резултат, крайният продукт е материал с висока твърдост и ниска плътност – порите заемат от 90% до 99% от обема му. Такива материали имат рекордно ниска плътност и в същото време демонстрират ред уникални свойства: твърдост, прозрачност, огнеупорност и т.н. Аерогелът е едва три пъти по-плътен от въздуха, като първенството в това отношение държи кварцовият аерогел – само 1.9 кг за кубически метър, тоест около 500 пъти по-малко от плътността на водата и 1000 пъти по-малко от на стъклото. Затова пък издържа натоварване 2000 пъти над собственото си тегло. Той притежава изключително ниски нива на топлопроводимост, а освен това е хигроскопичен и негорим. Високото съдържание на въздух (99,98 обемни процента въздух) го прави един от най-леките твърди материали в света. Аерогелите могат да бъдат направени от различни химически съединения и представляват разнообразен клас материали с уникални свойства.
Те са известни като отлични изолатори и обикновено имат ниска плътност и ниска топлопроводимост. Той намира все по-голямо приложение в различни технологични отрасли. Съществуват дори негови прозвища, които включват изрази като “замръзнал дим”,
“твърд въздух”, “твърд облак” и други.

Ето и как изглежда парче аерогел:
Погледнат през микроскоп:

Структура на аерогел:
В зависимост от това каква е основата на аерогела характеристиките му варират в някакви граници, но рекордната му лекост и ниска топлопроводимост са неизменни.
Последното с особена сила се отнася до силициевия аерогел, тъй като самият силиций е много слаб проводник на топлина. На въглеродна основа пък са твърде подходящи в производството на електроди и кондензатори, заради електропроводимостта им, а голямата им вътрешна площ (до 800 кв. метра за грам) е изключително ефективна при суперкондензаторите. И силициевите, и въглеродните поглъщат силно инфрачервените излъчвания, което ги прави подходящи в разработките на слънчеви батерии. Друго приложение аерогеловете намират в пречиствателните станции заради порестата структура и естествените абсорбиращи качества. В масовата търговия започват да навлизат от началото на новото хилядолетие чрез включването на допълнителни подсилващи съставки, фибри и хибридни компоненти. Ползва се например като вграждан материал при зимните (и не само) спортни екипировки.
Вдъхновени от крилата на водните кончета, учени от Великобритания създават високоефективен и евтин аерогел от ново поколение, който може да послужи като изолационен материал. Аерогелът е най-шуплестият материал, познат на човека, и освен това е свръх лек - къс с размерите на семеен автомобил тежи под един килограм.
Употребата на аерогеловете обаче е ограничена, тъй като изсушаването им до твърд материал, без да се разруши деликатната им структура, е дълъг, труден и скъп процес.
Специалисти от университета на Нюкасъл съобщават, че са открили разрешение на

проблема, вдъхновени от водните кончета. Вместо да сушат силициевия диоксид в изходната форма на новия аерогел - наподобяващ желе, при висока температура и налягане, учените са използвали сода бикарбонат, за да "издухат" водните молекули, улавяйки въглероден диоксид в порите. Начинът е сходен с този, по който водните кончета сушат крилата си. "Крилата на водните кончета представляват свръх лек аерогел. Въпреки че съставляват под 2% от общото тегло на тези насекоми, те са достатъчно силни, за да ги пренасят на хиляди километри през океани и континенти", обясняват изследователите.
Следващата стъпка ще бъде прилагането на процеса в по-голям мащаб с цел създаване на масивни панели, които могат да бъдат използвани като изолационен материал за домове и сгради.
Аерогелите могат да се използват в различни приложения и въпреки че съществуват още от 30-те години, тяхното развитие все още напредва. Общите приложения включват подобряване на топлинната ефективност на енергоспестяващи материали и устойчиви продукти за сгради, действащи като добавка с висока производителност към покрития, предотвратяване на корозия при изолация, използване в устройства за изобразяване, оптика и светлинни водачи, термични счупвания и контрол на кондензацията, архитектурни панели за осветление, външни и спортни уреди и дрехи и др.
След първоначалното му създаване през 1931г., материалът не намира значително приложение за дълъг период от време. Едва към края на миналия век става популярен най- вече благодарение на факта, че започва да се използва от НАСА като материал, влаган във външните обвивки на различни космически апарати. Но истината е, че аерогеловете могат да се произвеждат на основата на различни химически съединения, свойствата на които сами по себе си могат да разширят гамата от и без това многобройните уникални свойства на материала. Така за аерогеловете се намират нови приложения. Те могат да се използват като газови и течни филтри, изолатори, огнеупорни прегради и много други.
Най-разпространени са кварцовите аерогелове, на които се приписва и рекордът за най-малка плътност на твърдо тяло в света – 1,9 кг/куб. метър, или около 500 пъти по-ниска от тази на водата. Въглеродните аерогелове отразяват само 0,3% от излъчената слънчева светлина и поради това се използват като светлинни поглъщатели.
Аерогелът би могъл да се прилага както в чистата си форма, така и след смесване с други добавки. Във всеки случай, най-широко приложение в строителството за него може да бъде намерено сред топлоизолационните системи. Ако вземем за пример основния продукт, то той би могъл да постигне изключително високи резултати само с полагането на пласт с дебелина 1-2 см. Често пъти се прилага в отделни, специфични зони – снадки и фуги, изискващи допълнително топлоизолиране, както и места в сградата, определени като термомостове. Предпоставки за това са както цената, така и фактът, че не може да се произвежда в големи размери.

Компании, които работят в областта на изолиращите материали за строителство и промишленост, проправят път към пазара на този невероятен материал, който до скоро се използваше само от инженерите на NASA за изработване на костюми за астронавтите, както и в космически апарати.
Най-голямото предимство на изолационните материали от аерогел е това, че при много малка дебелина се гарантира много висока степен на ефективност. Аерогелът може да се използва под различни форми, като изолираща лента, например, която може да се ползва в по-чувствителни зони, като термомостове, фуги и др.
Несъмнено новият материал ще намери множество приложения и като изолатор на сгради, тръбопроводи, бойлери и всякакви други устройства, при които е нужна ефективна топлоизолация. Но въпреки многобройните си качествата, аерогеловете притежават един основен недостатък – високата цена. Поради ограничения брой производствени предприятия в света и спецификата на технологията за създаването им, те не могат да се прилагат в масовото производство и строителство, тъй като това би било икономически необосновано.
Литература и материали:
Aerogel materials:
- https://bg.wikipedia.org/wiki/Аерогел
- http://www.aerogel.org/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Aerogel
Waterproofed with aerogel: https://www.youtube.com/watch?v=GcdB5bFwio4
Aerogel as insulation: https://www.youtube.com/watch?v=qnOoDE9rj6w
Making Aerogel: https://www.youtube.com/watch?v=Y0HfmYBlF8g
Book:

https://books.google.bg/books?id=3FXWzJFOlnAC&pg=PA660&dq=aerogel+technical+spe cs&hl=bg&sa=X&ved=0ahUKEwjM0vHs97fpAhXE4KYKHfYzCSIQ6AEIMTAB#v=onepage&q=aerogel%20te chnical%20specs&f=false