Аэрогель. Виды и применение. Плюсы и минусы. Особенности

Понять, что такое аэрогель поможет расшифровка значения этого 2-х коренного слова, происходящего от латинских «aer» (воздух) и «gelatus», переводимого как «твердый». Согласно приведенному определению – это самое легкое вещество из известных в природе, находящееся в твердом агрегатном состоянии.

Описание и внешний вид аэрогеля

К числу характерных признаков аэрогеля также относятся следующие его свойства:

Относительная прозрачность.
Низкая теплопроводность.
Жаростойкость.

Внешне – это похожий на пенопласт материал, отличающийся от последнего своим цветом и прочностью. По заявлениям производителей аэрогель способен выдерживать нагрузки, которые в 2000 раз превышают его собственный вес.

Плотность этого вещества составляет величину порядка 1 кг/м². Это в 1,2 раза ниже, чем тот же показатель для окружающего нас воздуха (если не учитывать его массу). Все перечисленные свойства аэрогеля превращают его в очень ценный материал, востребованный во многих сферах современной жизни.

Существующие разновидности

В зависимости от своего состава и с учетом специальных добавок рассматриваемое вещество может иметь следующие разновидности:

Кварцевый аэрогель.
Материал того же класса под названием «Халькогель».
Углеродистые составы.
Кремниевые аэрогели.

Первый из этих материалов имеет плотность в 1,9 кг/м², что, например, в пятьсот раз меньше того же показателя для воды. Кроме того, он хорошо пропускает солнечные лучи, поглощая тепловую часть спектра и отличается очень низкой теплопроводностью (0,003 Вт/м·К). Средняя температура плавления кварцевого аэрогеля составляет около 1200°C.

Так называемые «Халькогели» удается получить, если в составе обычной аэрогели заменить кислород серой или химическим элементом селеном. Такая замена обеспечивает пористой структуре возможность взаимодействия со многими токсичными металлами, включая ртуть. Углеродистые аэрогели отличаются хорошей электропроводностью, что позволяет использовать их в электронной промышленности при производстве конденсаторов.

Значительная по величине площадь поверхности элементов, из которых состоят углеродистые аэрогели, допускает их применение при производстве конденсаторов емкостью порядка тысяч фарад. В диапазоне длин волн от 0,25 до 14,3 мкм эти гели отражают не более 0,3% излучения, что позволяет изготавливать из них элементы, хорошо поглощающие солнечный свет. Кремниевые аэрогели изготавливаются из оксида алюминия с одновременным добавлением других металлических компонентов. Полученные на их основе производные чаще всего используются в качестве катализаторов.

Aerogel 2

Где применяется аэрогель в промышленности

При рассмотрении областей применения следует исходить из разновидности описываемого вещества. Так, кварцевые аэрогели, в частности, являются хорошими теплоизоляторами, что позволяет использовать их в таких важных отраслях, как:

Строительство.
Космонавтика и электронная промышленность.
Авиация и энергетика.
Машиностроение.
Химическая отрасль и биология.
Медицина и фармацевтика.
В легкой промышленности этот материал используется для пошива одежды.

Представленные характеристики кварцевого аэрогеля позволяют применять его для изоляции стенок холодильников самого различного назначения, а также встроенных морозильных камер. В качестве хорошего изолятора аэрогель широко применяется при прокладке трубопроводов различного класса. Материалы на его основе пользуются большим спросом при необходимости теплозащиты магистралей холодного и горячего водоснабжения, а также в оборудовании, где образование конденсата нежелательно.

Тепло- и звукоизоляционные свойства этого материала позволяют применять его во многих образцах современного оборудования и в элементах строительных конструкций:

Бойлерные агрегаты и емкости для хранения нагретой воды.
Криогенная техника и высокоточные приборы.
Вентиляционное борудование и кессоны.
Несущие стены, а также фундаменты и кровли строящихся зданий.
Балконы и лоджии.
Помещения бань и саун и т.д.

Для современных парных оптимально подойдет аэрогель со слоем отражающей фольги, выполняющий одновременно функцию тепло- и гидроизоляционной защиты.

Особо отмечается возможность использования тканей на основе этого материала для пошива образцов специализированной и бытовой обуви.

Применение в научно-исследовательских целях

Помимо чисто практических целей, рассматриваемый нами материал применяется в следующих научно-технических разработках и областях:

Радиаторы Черенкова.
Физика низких температур.
Эксперименты с лазерной техникой.
Перспективные направления в области разработки новых образцов электроники.
Космические исследования.

Радиаторы Черенкова

Согласно теории, излучатели этого типа генерируют заряженные частицы только тогда, когда их скоростные характеристики превышают в веществе скорость света. Она в определенной мере зависит от коэффициента преломления вещества (согласно положениям теории, обратно пропорциональна ему). А сам этот коэффициент неразрывно связан с такой характеристикой, как плотность вещества, которая в аэрогелях легко меняется в широких пределах.

Исследования эффектов низких температур

В этом научном направлении рассматриваемое вещество используется при исследовании уникальных свойств сверхтекучего гелия. При введении жидкого состава между порами аэрогеля наблюдается заметное изменение его свойств. Микроскопические твердые частички, бессистемно распределенные по всему объему жидкости, используются в качестве своеобразных «примесей».

Их концентрацию можно менять в широких пределах, для чего применяются аэрогели с различной пористостью. Эти эксперименты вызывают большой интерес у исследователей во всем мире. Они послужили основанием для открытия нового направления в изучении эффекта сверхтекучести.

Эксперименты с лазерным облучением

При облучении мощным лазерным лучом специальной мишени, состоящей из плотного и легкого аэрогеля, возникает целый ряд интересных явлений. Прежде всего – это сильный термический и радиационный удар, приводящий к смешиванию различных сред в месте соприкосновения. Изучение таких необычных эффектов очень важно для современной науки, включая объяснение явлений, сопровождающих взрывы сверхновых.

Электроника и космические исследования

Aerogel 3

Поскольку аэрогели отличаются хорошими диэлектрическими характеристиками – они применяются в многослойных печатных платах в качестве изоляционного слоя. Это значительно увеличивает быстродействие электронных схем. Кроме того, исследователями NASA аэрогель часто используется для регистрации космической пыли и других частиц, развивающих огромные скорости в межзвездном пространстве. При соударении с ним эти частицы полностью испаряются; при этом аэрогель обеспечивает плавное снижение их скорости. Поскольку используемое вещество достаточно прозрачно – это свойство позволяет наблюдать пути следования космических частичек.

Добавим к этому, что с помощью аэрогеля многими исследователями (в том числе – из США) проводятся эксперименты по борьбе с вредоносными микроорганизмами, развивающимися в воздушной среде. После того, как их вводят в поры подготовленного определенным образом вещества – некоторые из бактерий частично теряют свою активность.

Преимущества

К достоинствам аэрогелевых материалов принято относить:

Экологичность, безопасность применения и огнестойкость.
Малую удельную плотность.
Гидрофобность и низкий показатель теплопроводности.
Простоту монтажа.

Отсутствие в их составе вредных примесей не несет никакой угрозы для окружающей среды, а огнестойкость материала позволяет применять его в условиях повышенных температур.

Изделия и жидкие составы, содержащие аэрогель, относятся к классу негорючих материалов, что существенно расширяет область их применения. Малая плотность этого вещества, на 98% состоящего из воздуха, позволяет снизить вес конструкций из содержащих эту добавку материалов.

Особенности структуры вещества обеспечивают быстрое испарение влаги и позволяют защищать от коррозии поверхности самого различного типа. Помимо этого, такие материалы отличаются ярко выраженными влагоотталкивающими свойствами, проявляющимися даже при высоких температурах.

Низкий показатель теплопроводности композитных материалов позволяет получать высокоэффективные утеплители, применяемые в самых различных областях народного хозяйства. Простота монтажа конструкций, содержащих в своем составе аэрогелевые компоненты, объясняется легкостью их крепления на поверхностях любой структуры. Утеплительные плиты или полотна монтируются на обычные клеевые составы, используемые для фиксации других типов теплоизоляторов.

Aerogel 4

Недостатки аэрогеля

Несмотря на свои уникальные свойства и все рассмотренные ранее достоинства, аэрогель не лишен и серьезных недостатков:

Дороговизну материала, связанную со сложностями технологии его изготовления.
Недостаточную прозрачность аэрогеля, имеющего желтоватый или голубоватый оттенки.

Сегодня перед учеными всего мира стоят две серьезные задачи. Для решения первой из них потребуется по возможности увеличить степень прозрачности аэрогеля. Вторая задача – попытаться удешевить технологию производства этого материала.