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本周好材料推薦 二氧化硅氣凝膠是目前已知的最輕的固體材料，也是迄今為止保溫性能最好的材料。  氣凝膠性能
氣凝膠制備工藝 氣凝膠材料結(jié)構(gòu)特殊，制備過程較為復(fù)雜，河南泛銳復(fù)合材料研究院生產(chǎn)的二氧化硅氣凝膠采用的是目前最為成熟的制備工藝：溶膠-凝膠技術(shù)制備濕凝膠，再通過超臨界干燥技術(shù)得到氣凝膠材料。以下是詳細(xì)圖解。 二氧化硅氣凝膠的應(yīng)用 航空航天領(lǐng)域的高性能需求是推動SiO2氣凝膠材料技術(shù)發(fā)展的重要動力。除了收集宇宙塵埃的里程碑應(yīng)用外，在國內(nèi)外各種航天器熱控系統(tǒng)中，氣凝膠常與其它材料復(fù)合成多層隔熱組件，有多個成功應(yīng)用范例。如美國“探路者”火星探測器(1996年)、“勇氣號”(2003)和“機遇號”(2003)火星巡游車，以及TDA公司設(shè)計的新型艙外活動單元生保系統(tǒng)進行火星環(huán)境測試時都使用了SiO2氣凝膠。 圖1 Mars Pathfinder(MPF) Sojourner巡游車 航天飛機、導(dǎo)彈等超音速飛行器氣動加熱嚴(yán)重，為了確保艙體結(jié)構(gòu)及儀器設(shè)備正常工作，需要高性能的隔熱防熱材料；氣凝膠材料是毫無爭議的首選材料，已經(jīng)在國內(nèi)外多型武器裝備上得到了工程應(yīng)用。很多軍用和民用飛機為了降低發(fā)熱部件的紅外特征，避免被基于紅外探測的武器系統(tǒng)識別，用氣凝膠隔熱罩對大功率發(fā)熱部件進行隔熱。如美國海軍空戰(zhàn)中心利用氣凝膠，用于吸收旋翼飛機和固定翼飛機的紅外輻射。 圖2采用氣凝膠隔熱的F-16固定翼飛機 氣凝膠保溫材料可以廣泛應(yīng)用于蒸汽鍋爐、高溫熔融爐、高溫煅燒爐、垃圾焚燒爐、馬弗爐、導(dǎo)熱油爐、電磁感應(yīng)加熱爐、鋁行業(yè)加熱爐、保溫爐等等各種不同種類、不同溫度點的爐體。綜合來看這些爐體大都是存在以下問題：保溫層厚度太厚，導(dǎo)致鍋爐體積龐大，而有效使用空間小；隔熱層的致密性不夠好，很難阻擋熱氣流；保溫后的表面溫度及熱損等方面達(dá)不到使用要求等。這些爐體大都使用硅酸鋁棉、巖棉、玻璃棉等無機類保溫材料，這些材料在500℃時導(dǎo)熱系數(shù)大都已經(jīng)高于0.15W/(m·K) ，隔熱性能較差。 保溫爐行業(yè)業(yè)主方均很關(guān)注爐體保溫。若爐體保溫效果好，則可為公司節(jié)省大量的能源消耗費用。因此，該領(lǐng)域可作為重點推廣領(lǐng)域之一。 熱電廠管線保溫該類型管線主要針對的是100-500℃的高溫管線。目前該類管線的保溫大都存在保溫材料壽命短，需經(jīng)常維護、更換的問題；傳統(tǒng)硅酸鹽類保溫材料結(jié)構(gòu)力差，容易出現(xiàn)上薄下厚的現(xiàn)象，使得管線容易出現(xiàn)熱縫，從而帶來嚴(yán)重的熱損失；大多傳統(tǒng)的無機材料都沒有防水效果，容易造成管線腐蝕，使得管線無法保證設(shè)計壓力要求；管線因保溫效果下降，使得內(nèi)部流體在末端已經(jīng)無法達(dá)到設(shè)計的溫度及壓力要求，并導(dǎo)致鍋爐的負(fù)荷增加，運營成本增加。 目前，無論是國外氣凝膠應(yīng)用，還是國內(nèi)氣凝膠應(yīng)用，石油化工領(lǐng)域是一個相對比較成熟的領(lǐng)域。根據(jù)相關(guān)報道，氣凝膠已經(jīng)在克拉瑪依油田、華北油田、遼河油田等油田已有應(yīng)用。 氣凝膠可應(yīng)用在稠油開采蒸汽管線、石油煉化管道、油田注汽鍋爐等管道設(shè)備的保溫上具有很好的效果。 隨著深水和超深水領(lǐng)域石油輸送作業(yè)的開展，對于保溫材料的耐高溫性能、導(dǎo)熱性能以及保溫管道系統(tǒng)的總傳熱系數(shù)指標(biāo)提出了更高的要求。海底石油開采使用的傳統(tǒng)保溫材料因包裹厚度大，導(dǎo)致體積增大浮力增大，大都需要額外增加配重才可以正常使用。Aspen及cabot均有應(yīng)用于海底管道的案例，且數(shù)量不少，國內(nèi)在這一領(lǐng)域還鮮有涉及，因此可以與相關(guān)公司合作，共同開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。根據(jù)文獻(xiàn)報道，中海油管道公司及中石化海洋工程部均在關(guān)注氣凝膠在海底管道上的應(yīng)用。
我國大部分化工廠保溫系統(tǒng)的現(xiàn)狀：1）總體保溫壽命一般是三年，最多五年需要徹底更換； 2）硅酸鎂復(fù)合材料下沉，下部厚度為上部的兩倍； 3）保溫拆除之后管道表面腐蝕嚴(yán)重，壁厚變薄，有部分管線不能達(dá)到壓力要求；）有時管道末端溫度和壓力降低。氣凝膠在化工儲罐、化工管道有應(yīng)用潛力。但是，大部分化工管道溫度在100~300℃之間，該領(lǐng)域有多種隔熱材料可供選擇，且甲方對保溫隔熱要求不是太高。因此，氣凝膠在該行業(yè)推廣需要一個過程，目前，可以接觸一些化工設(shè)計院，首先讓設(shè)計單位接觸與了解氣凝膠材料的相關(guān)性能。 低溫、超低溫管道涉及到的溫度大都在-40至-170攝氏度。在LNG工程及其他低溫項目建設(shè)中，最常用的深冷保冷材料主要有PUR/PIR（聚氨酯硬泡），發(fā)泡玻璃，橡塑，改性酚醛泡沫等，這些材料較之于先前使用的珍珠巖材料，無論從性能還是施工方面看，都有了很大的改善。氣凝膠保冷材料的出現(xiàn)，對于現(xiàn)有的深冷保冷體系更加是一個質(zhì)的改變。 寒冷地區(qū)的城鎮(zhèn)居民日常生活需要供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過預(yù)制管道從熱電廠搜集熱氣并輸送至家庭。為了減少對城市交通和規(guī)劃的影響，供暖系統(tǒng)通常安裝于地下，因此大量的預(yù)制保溫管道也埋于地下。類似的，預(yù)制保溫管道也廣泛用于海洋石油開采。這樣的預(yù)制保溫管道需要良好的保溫材料，以防在長途輸送過程中的熱損失和石油凝結(jié)。 目前，氣凝膠在歐美建筑上已經(jīng)有些許應(yīng)用，這是由于他們對建筑節(jié)能要求較高。但是對國內(nèi)來說，由于氣凝膠相對普通保溫材料如玻璃棉、巖棉等價格高昂，且國家對建筑節(jié)能支持力度不夠，因此目前來說，氣凝膠在國內(nèi)建筑領(lǐng)域應(yīng)用不會太大，但可以給予適當(dāng)?shù)年P(guān)注，一旦國內(nèi)政策支持并且氣凝膠價格下降，則氣凝膠在建筑領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
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