Аэрогель из чего состоит, Аэрогель: тоньше и теплее
Система идентификации частиц — важнейшая часть любого эксперимента в области физики высоких энергий. Они используются в Германии для решения задач, связанных со строительством. Первое время ученые не понимали, что собой представляют сверхкритические флюиды и как с ними работать. Трубы и фасонные части.
Мы начали с синтеза образцов малого размера и показали, что можно получить блоки аэрогеля с добавками оксида циркония с приемлемыми оптическими свойствами для использования в черенковских детекторах. Сейчас мы работаем над увеличением размеров блоков аэрогеля. Возможно этот материал будет пригоден для высокотемпературной теплоизоляции в том числе в солнечной энергетике, поскольку температура плавления оксида циркония выше, чем у оксида кремния, при этом материал имеет высокую оптическую прозрачность».
Для решения проблемы исследования частиц в диапазоне энергий от до МэВ, специалисты ИЯФ СО РАН предложили концепцию детектора черенковских колец на основе двойного аэрогелевого радиатора. Система идентификации частиц представляет из себя радиатор площадью 15 квадратных метров и толщиной примерно 45 миллиметров вместе со слоем нового аэрогеля. Но чтобы эта концепция стала базовой опцией в программе разработки детектора для Супер С-Тау фабрики, необходимо серьезно проработать наше предложение, потому что эксперимент проходил в контролируемых условиях и идеальной искусственно созданной ситуации, а в реальной работе могут быть нюансы.
Часть из них мы можем исследовать с помощью полного моделирования, а часть только при помощи испытания полномасштабного прототипа предложенного счетчика», — прокомментировал Александр Барняков. Аэрогель — это твердый материал с рекордно низкой плотностью. Он состоит из очень маленьких частиц оксида кремния, которые соединены в хаотические цепочки, и образуют сеть мезопор.
Один кубический сантиметр аэрогеля на основе кремния может весить от 0,3 миллиграмм и способен выдержать нагрузку, в раз превышающую собственный вес. Этот материал обладает очень низкой теплопроводностью, благодаря чему выдерживает экстремально низкие и высокие температуры.
Я согласен с Политикой конфиденциальности и даю разрешение на обработку персональных данных. Главная Мир науки Исследования Аэрогель нового типа позволит расширить рабочий диапазон системы идентификации в проекте Супер С-Тау фабрика. На ощупь Аэрогели напоминают легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал — образец аэрогеля может выдержать нагрузку в раз больше собственного веса.
Аэрогели, в особенности кварцевые — хорошие теплоизоляторы. Аэрогели применяются в строительстве и в промышленности в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов для теплоизоляции стальных трубопроводов,различного оборудования с высоко- и низкотемпературными процессами, зданий и других объектов. Процесс производства аэрогелей сложен и трудоемок. Сначала при помощи химических реакций гель полимеризуется. Эта операция занимает несколько суток и на выходе получается желеобразный продукт.
Затем спиртом из желе удаляется вода. В г. Кистлер предложил метод сверхкритической сушки, позволивший получать относительно прочные аэрогели, и эта технология дала новый импульс для разработок аэрогелей и материалов с их использованием. Этим методом проводили сушку геля в автоклаве, обеспечивающем сверхкритические температуру и давление в порах геля. Процесс сушки гелей в сверхкритических условиях является самым технологически сложным и затратным этапом получения аэрогелей.
Различают высокотемпературную и низкотемпературную сушку. Низкотемпературная сушка лиогельная — процесс, популярный при получении фармацевтических препаратов, проводится при отрицательных температурах. Высушиваемый продукт подвергают заморозке, удаление влаги происходит при сублимации, т. В результате такой сушки структура геля частично сохраняется, но разрушение все-таки имеет место, поэтому получаемые криогели имеют вид мелкодисперсного порошка.
При высокотемпературной сушке в реакторе создают температуру и давление выше критических для спирта, содержащегося внутри высушиваемого геля. Затем осуществляют медленный сброс давления. Когда спирт достигает критических показателей температуры и давления, он начинает проявлять свойства одновременно и жидкости, и газа и называется сверхкритическим флюидом.
При снижении давления флюид начинает выходить из вещества. Однако после высушивания часть спирта остается внутри геля, из-за чего возникает его некоторая усадка. Для устранения границы раздела фаз внутри пор высушиваемого геля вводят дополнительный растворитель, критические параметры которого приведены далее. Важно, чтобы этот растворитель создавал гомогенную смесь со спиртом, содержащимся внутри высушиваемого геля.
Как правило, используют диоксид углерода. В результате происходит диффузионное замещение растворителя внутри геля на сверхкритический диоксид углерода, после чего давление снижают, диоксид углерода переходит в газообразное состояние, а исходная структура геля остается без изменений [8].
Применение технологии сверхкритических флюидов позволило получать аэрогели различных соединений, что значительно расширяло потенциальные области их применения. Высокопористую структуру аэрогеля можно использовать в качестве емкости для различных веществ и применять аэрогели в качестве матриц-носителей различных активных компонентов: лекарственных соединений, биополимеров, клеток, соединений металлов.
Так, аэрогель Aspen стал наполнителем для ловушек для сбора проб, установленных на зонде Stardust. Множество аэрогелевых параллелепипедов уловили значительное количество частиц и послужили контейнерами, позволившими доставить звездную пыль на Землю. В настоящее время аэрогели получают для использования в различных отраслях промышленности — от медицины до строительства. В России аэрогели используются пока в основном для исследовательских целей. В Институте катализа им. Новосибирск и в Объединенном институте ядерных исследований г.
Дубна получены такие аэрогели. Новосибирские ученые впервые в мире создали многослойный аэрогель, который позволит с рекордной точностью измерять скорости элементарных частиц — например, в экспериментах на большом адронном коллайдере.
Оборудование с использованием аэрогелей работает в ускорителях и на борту станции «Мир»; в Антарктиде оборудование с радиатором из аэрогеля поднимали на стратостате в верхние слои атмосферы, чтобы регистрировать заряженные частицы из космоса [9]. Российские разработки по получению аэрогелей и материалов с их использованием отмечены в Институте физиологически активных веществ РАН г.
Черноголовка , Институте общей и неорганической химии им. Курнакова РАН г. Москва , а также в ряде национальных университетов: РХТУ им. Менделеева, МГУ им. Ломоносова, Томском государственном университете [10—14].
Особо следует отметить стремительное расширение областей применения аэрогелей в качестве теплозащитных материалов. В частности, было разработано и появилось на рынке теплоизоляции большое количество композиционных материалов с использованием аэрогелей.
Разрабатывать методы получения функциональных материалов с использованием аэрогелей материаловеды начали практически сразу после разработки метода получения аэрогелей различного состава.
В настоящее время разработано большое количество композиционных материалов, содержащих аэрогели в сочетании с другими компонентами, придающими требуемые свойства композиту. Для теплоизоляционных и теплозащитных материалов это, как правило, неорганические тугоплавкие компоненты из числа уже используемых в качестве теплоизоляции, а именно керамические, стеклянные, минеральные волокна.
В качестве аэрогелевого компонента используют как органические, так и неорганические материалы, однако, если необходима высокотемпературная теплозащита, то предпочтительно применять неорганические аэрогели. Из неорганических аэрогелей практическое использование пока нашли только аэрогели диоксида кремния. Методы соединения компонентов композиционного материала с использованием аэрогеля условно можно разделить на два варианта: введение вещества в аэрогель до сушки либо после нее.
До сушки в сверхкритических условиях введение осуществляется либо на стадии формирования геля, либо в гель, заполненный соответствующим растворителем. После сушки в сверхкритических условиях введение армирующих компонентов осуществляется в готовый аэрогель, получаемый чаще всего с применением технологии сверхкритических флюидов.
Композит получают путем пропитки волокнистых как тканых, так и нетканых заготовок прекурсором геля, с последующей сушкой влажного геля в сверхкритических условиях. Подобным образом получают композит, предложенный немецкой компанией Hoechst Actienglessellschaft в патенте US Способ включает приготовление золя, добавление в золь неорганических или органических волокон, гелирование золя, получение в нем трещин путем деформации, сушку в сверхкритических условиях с получением аэрогеля [16].
В композите специально создают трещины управляемым образом. По утверждению авторов контролируемое образование трещин придает дополнительную гибкость композиту. Компания Aspen Aerogels имеет ряд патентов на способы получения аэрогелей и материалов с их использованием.
В частности, в патенте US теплоизоляционный композиционный материал получают путем пропитки волокнистой матрицы раствором прекурсора аэрогеля, затем без старения золя и перехода его в гель проводят сушку в сверхкритических условиях, в результате чего получают материал, в котором аэрогель равномерно распределен внутри волокнистой матрицы [17].
Для того чтобы получить гибкий композит, волокнистая матрица должна также быть гибкой. Данная технология используется при получении серийно выпускаемых теплоизоляционных материалов, однако аэрогель в продукте скорее представляет собой аэрогелевый порошок, а не аэрогелевый монолит, поэтому изгиб изделия приводит к осыпанию существенного количества частиц порошка.
Тепловые же параметры этого продукта существенно ниже по сравнению с аэрогелевым монолитом. В патенте компании Aspen Aerogels США US предложен аэрогелевый композиционный материал, который имеет упрочнение в виде волокнистого ватина из коротких волокон, получаемых распылением раствора или расплава, в сочетании с микроволокнами диаметром от 0,1 до мкм извитой формы с отношением длины волокна к его диаметру от 5 до По мнению авторов, такая структура волокнистой матрицы повышает теплоизоляционные свойства композита.
Материалами для формирования неорганических аэрогелей являются оксиды металлов, таких как кремний, алюминий, титан, цирконий, гафний, иттрий, ванадий и т. Микроволокна вводят в композит путем их диспергации в прекурсоре аэрогеля 1 с последующей пропиткой волокнистого ватина 3 полученной смесью в форме 2 рис. После превращения золя в гель заготовку подвергают сушке в сверхкритических условиях, получая в результате композит на основе аэрогеля с волокнистым упрочнением.
Согласно данному патенту, теплоизоляционный материал может содержать несколько слоев — например, слои аэрогелевого волокнистого композита, слои волокнистого тканого или нетканого материала, металлическую сетку.
Получение аэрогелевого волокнистого композита по технологии, предложенной в патенте US [18]. В патенте компании Aspen Aerogels США US предложен метод получения непрерывного полотна из аэрогеля или композиционного материала из волокна, пропитанного аэрогелем [19]. Процесс включает три основных этапа. На первом этапе происходит смешивание исходных компонентов прекурсоры, добавки для получения низковязкого золя, способного к непрерывной подаче на конвейер.
Второй этап включает подачу золя в форму на движущемся конвейере и воздействие тепла или излучения в определенных зонах для изменения свойств золя либо для его гелирования.
На третьем этапе происходит резка геля либо намотка гибкого волокнистого композиционного материала и доставка его для дальнейшей обработки. Способ получения гелированных волокнистых заготовок на конвейере [19].
