1931년, 키슬러는 알코올성 초임계 건조 기술을 사용하여 액체와 고체를 분리하고 기체의 구조가 수축되거나 붕괴되는 것을 방지하여 세상에 에어로젤을 선보였습니다.
에어로젤의 정의
에어로젤은 나노미터 크기의 미세 입자들이 서로 응집되어 나노미터 크기의 다공성 네트워크 구조를 형성하고, 네트워크 골격 내에 다수의 기체 분산 매질이 채워진 경량 나노다공성 비정질 고체 물질입니다.
에어로젤은 기능성 소재일 뿐만 아니라 새로운 물질 상태입니다. 에어로젤 상태는 다른 물질 상태와 많은 특성에서 근본적으로 다릅니다. 고체 물질과 같이 고정된 크기와 모양을 가지고 있지만 겉보기 밀도는 최대 1g/cm³에서 0.001g/cm³(공기의 밀도보다 낮음)까지 이를 수 있습니다. 동시에 스펀지와 같은 다공성 구조를 가지고 있으며, 미시적(나노 스케일 골격), 거시적(응축 물질) 및 메조스코픽(다중 레벨 및 프랙탈 구조) 특성의 다중 특성을 가지고 있어 에어로젤은 많은 고유한 특성을 가지고 있습니다. 매우 낮은 열전도도, 매우 낮은 탄성 계수, 매우 낮은 포논 속도, 매우 낮은 굴절률, 낮은 유전율, 매우 낮은 음속, 높은 비표면적, 매우 넓은 밀도 및 굴절률 분포 등을 나타냅니다.
에어로젤의 분류
에어로젤은 거의 모든 재료 시스템을 포괄하는 광범위한 범위가 있습니다. 일반적으로 화학 조성에 따라 유기 에어로젤, 무기 에어로젤 및 복합 에어로젤 등으로 나눌 수 있습니다. 에어로젤은 주요 구성 요소에 따라 실리콘, 탄소, 황, 금속 산화물 및 금속 시스템으로 분류할 수도 있습니다.
에어로젤의 지위와 역할
과학자들은 에어로젤이 세상을 바꿀 것이라고 말한다.
에어로젤은 미국 과학 저널 10호에서 250대 인기 과학 및 기술 이슈 중 하나로 선정되었습니다. 20년 2007월 1일, 타임즈는 에어로젤이 1300kg의 다이너마이트의 폭발력을 견뎌내고 1930°C 이상의 토치 열로부터 당신을 보호할 수 있는 세계에서 가장 가벼운 고체라고 보도했습니다. 과학자들은 초절연 우주복부터 슈퍼커패시터, 촉매, 차세대 테니스 라켓에 이르기까지 모든 것에 에어로젤을 사용하는 방법을 모색하고 있습니다. 에어로젤은 1980년대의 페놀 수지, 1990년대의 탄소 섬유, XNUMX년대의 실리콘과 같은 전설적인 소재 세대와 경쟁할 것을 약속합니다.
에어로젤은 기네스북에 세계에서 가장 가벼운 고체로 여러 번 등재되었습니다. 에어로젤은 또한 매우 낮은 열 전도도와 굴절률을 가지고 있으며 최고의 유리 섬유보다 39배 더 단열성이 뛰어납니다. 에어로젤은 러시아의 미르 우주 정거장과 미국의 화성 탐사선 패스파인더의 단열에 사용되었으며 이미 항공우주 산업에서 중요한 역할을 했습니다.
에어로젤 개발의 역사
1931년, 에어로젤은 미국 스탠포드 대학의 키슬러에 의해 처음으로 개발되었습니다.
1985년, 독일 뷔르츠부르크 대학 물리학 연구소에서 ISA라는 이름으로 최초의 에어로젤 심포지엄을 개최했습니다.
1993년, 에어로젤은 우주복, 우주선, 우주 왕복선의 단열재로 사용되었습니다.
2002년, NASA의 기업인 Aspen Aerogel이 에어로젤을 개발하고 생산하기 위해 설립되었습니다.
2004년 중국 국내 연구 기관에서 에어로젤 연구가 진행됨.
2006년, 중국 국내 에어로젤 기업들이 에어로젤을 개발하기 시작했습니다.
2017, 중국 공표, GB/T 34336-201, 비다공성 에어로젤 복합 단열 제품
2021년 국무원은 탄소섬유, 에어로젤, 특수강 등 기초소재의 연구개발을 가속화하는 "2023년까지 탄소 정점 도달 행동 계획"을 발표했습니다.
에어로젤의 주요 특성
(1) 초경량. 에어로젤은 세계에서 가장 밀도가 낮은 고체로 최소 밀도는 공기 질량의 0.001/1이며 밀도 변화 범위는 일반적으로 XNUMX~XNUMXg/cm³입니다.
(2) 높은 기공률과 높은 비표면적. 기공률은 80%~99.9%, 비표면적은 200~1000m2/g, 기공의 대표적 크기는 1~100nm이다.
(3) 초고열 단열성. 에어로젤의 얇은 나노 네트워크 구조는 국부 열 여기의 전파를 효과적으로 제한하고 고체 열전도도는 해당 유리 재료보다 2~3배 낮습니다.
에어로젤 단열재의 원리
열 전달 감소: 에어로젤의 무한한 나노입자는 메쉬 골격을 형성하고, 열은 무한한 나노입자를 따라서만 흐를 수 있습니다. 열 흐름은 무한한 나노입자를 따라서만 수행될 수 있으며, 그 결과 고체에서 거의 무한한 열 전달 경로가 발생합니다. 고체에서의 열 전달은 가능한 가장 낮은 수준으로 감소합니다.
열 대류 억제 : 에어로겔의 평균 기공 크기는 20~40nm로, 기체 분자의 평균 자유 이동 거리인 69nm보다 작습니다. 따라서 기공 내의 기체 분자는 자유롭게 움직일 수 없게 되어 대류가 거의 발생하지 않습니다.
열복사 감소 : 에어로젤 내 나노입자로 형성된 기공 벽은 적외선 차폐막 역할을 하며, 무수히 많은 차폐막이 열복사를 크게 감소시킵니다.
(4) 촉매 작용. 에어로젤의 작은 입자 크기, 높은 비표면적 및 낮은 밀도는 에어로젤 촉매의 활성 및 선택성을 기존 촉매보다 훨씬 높게 만들고 활성 성분을 담체에 매우 균일하게 분산시킬 수 있으며 열 안정성도 뛰어나 부작용 발생을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
(5) 방음. 에어로젤의 낮은 음속 특성은 음향 지연 또는 고온 방음에 이상적인 재료입니다. 에어로젤의 음향 임피던스 가변 범위가 크며 [103 ~ 107kg/(㎡-s)], 초음파 검출기에 더 이상적인 음향 저항 결합 재료입니다. 초음파 발생기 및 검출기에 사용되는 압전 세라믹의 음향 저항은 1.5×107kg/(㎡-s)인 반면 공기의 음향 저항은 400kg/(㎡-s)에 불과합니다. 두께가 1/4 파장이고 밀도가 약 0.3g/cm³인 실리콘 에어로젤을 압전 세라믹과 공기 사이의 음향 저항 결합 재료로 사용하면 음향 강도를 30dB 높이고 음향파의 전송 효율을 개선하며 장치 응용 분야에서 신호 대 잡음비를 줄일 수 있습니다.
(6) 여과 성능. 나노구조 에어로젤은 또한 새로운 유형의 고효율 가스 여과 재료로 사용될 수 있습니다. 매우 큰 비표면적 때문에 에어로젤은 과학자들에 의해 "슈퍼 스펀지"라고 불리며 물 속의 오염 물질을 흡착하고 물에서 납과 수은을 빨아내는 데 이상적이기 때문에 생태 재해를 처리하는 데 탁월한 재료입니다.
(7) 광학적 특성. 순수한 SiO₂ 에어로젤은 투명하고 무색이며 굴절률(1.006~1.06)이 공기와 매우 유사하여 입사광에 대한 반사 손실이 거의 없고 태양광을 효과적으로 투과할 수 있습니다. 따라서 단열 및 소음 감소 유리를 만드는 데 사용할 수 있습니다.
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