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气凝胶:用航天材料为交通运输保驾护航

时间:2016-06-13 15:04 来源:交通运输科技网 作者:王刚
从气凝胶的优越性能来讲,能否在交通运输工具上使用呢?业内人士对此早有尝试,包括高铁车辆和纯电动客车在内都已经开始使用气凝胶产品。
    气凝胶,是一种具有纳米多孔结构的新型材料,1931年由美国Kistler.S.发明,因轻若薄雾蓝色泛蓝,又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”,创下15项吉尼斯纪录。气凝胶在热学、光学、电学、力学、声学等领域显示许多奇特的性能,被称成为改变世界的神奇材料。
 
 
   
    气凝胶在航天航空领域的应用最早最成熟,首推者是美国NASA体系,航天领域主要应用在飞船舱体隔热保温层、宇航服保温层和抵御星际粒子撞击的保护层等,航空领域主要是飞机舱隔热隔音层和复合隐身材料。由于航天航空领域的特殊性,对材料的容重和绝热效果要求相当苛刻,所以气凝胶在这方面的突出特性正好满足了该领域的应用要求。

    气凝胶在航天应用已经非常成熟,在民用领域,军工、石油化工、建筑等已经开始批量应用。从气凝胶的优越性能来讲,能否在交通运输工具上使用呢?业内人士对此早有尝试,包括高铁车辆和纯电动客车在内都已经开始使用气凝胶产品。

    近日,《机动车运行安全技术条件》(GB7258)(征求意见稿)中11.7条款对机动车内饰材料与隔音隔热材料做出了详细说明:要求汽车驾驶室和乘员舱所使用的内饰材料应采用阻燃性符合GB8410-2006规定的阻燃材料;发动机或其他热源与车辆其他部分之间应安装隔热材料,对设有乘客站立区的客车和发动机后置的客车,其发动机使用的隔音、隔热材料应达到Gb8410-2006规定的A级要求。该标准还对危险品运输车辆以及纯电动及混合动力车辆提出了特殊的要求,在行业内引发了对车辆隔音隔热材料以及防火阻燃材料的高度关注。

    爱彼爱和新材料有限公司(IBIH)致力于改进气凝胶的制备工艺,降低成本,使其可大规模工业化生产。IBIH目前已经拥有6项国家发明专利, “KistlerTM ”系列气凝胶产品以气凝胶发明人Kistler的名字命名,彰显了IBIH业内技术底蕴和雄厚实力。《交通运输科技网》邀请到IBIH副总经理董海兵先生,为交通运输行业解读气凝胶的来龙去脉和应用前景。
 
                                             
 爱彼爱和新材料有限公司(IBIH)副总经理  董海兵先生
 

    什么是气凝胶?气凝胶具有哪些突出的特性?

   
     “气凝胶”是一种由纳米多孔结构组成的固态材料,其孔隙率高达80-99%,孔洞尺寸一般都在1-100nm之间,但至少90%的孔洞集中在20-50nm之间,细小的纳米孔锁住了空气使其无法自由运动,所以这种特殊的结构,使气凝胶拥有超低导热率、超低密度和高声阻系数等突出的特点。

    氧化硅气凝胶是面世最早、应用最成熟的气凝胶,它又被称作“蓝烟”、“固体烟”,是目前已知最轻的固体,密度可低至3kg/m3,也是迄今为止保温隔热性能最好的固体,所以被称为“超级绝热材料”。
 

气凝胶“超级绝热原理”是如何实现的?


    热量有三种基本传递方式:传导、对流和辐射。对于保温材料而言,热传导主要由保温材料中的固体部分来完成;热对流则主要由保温材料中的气体来完成;热辐射的传递不需要任何介质。

    1992年,美国召开的国际材料工程大会上提出了超级绝热材料的概念,指在预定的使用条件下,其导热系数低于"无对流空气"导热系数的绝热材料。具有纳米孔结构的气凝胶就是典型超级绝热材料。
 

    “无穷长路径”效应:由于近于无穷多纳米孔的存在,热流在固体中传递时就只能沿着气孔壁传递,近于无穷多的气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应,使得固体热传导的能力下降到接近最低极限。

    “零对流”效应:当气凝胶材料中的气孔直径小于70nm时,气孔内的空气分子就失去了自由流动的能力,相对地附着在气孔壁上,这时材料处于近似真空状态,即产生“零对流”效应。

    “无穷多遮热板”的效应:由于材料内的气孔均为纳米级气孔再加材料本身极低的体积密度,使材料内部气孔壁数日趋于“无穷多”,对于每一个气孔壁来说都具有遮热板的作用,因而产生近于“无穷多遮热板”的效应,从而使辐射传热下降到近乎最低极限。不过在400℃以上高温下使用时,仍然需要加入遮光剂来增强气凝胶对高温红外线的辐射的抵抗。
 

           图  气凝胶与传统绝热材料导热系数对比
 

气凝胶目前主要在哪些领域有应用?


    气凝胶因纳米多孔网络结构,孔隙率高达80~99.8%,室温导热系数可低达0.013w/(m.k),是迄今为止绝热性能最好的材料,最显著的特点是轻、薄、隔温效果极佳,所以凡是需要保温隔热的地方,都能有气凝胶的用武之地。
     气凝胶材料目前占据了整个绝热材料市场金字塔模型的塔尖部分,在整个绝热材料市场中的规模几乎是微不足道,这一方面说明气凝胶产业仍然处于早期起步阶段,同时又预示着其未来巨大的发展空间。伴随着中国经济转型升级,节能降耗政策的持续大力推进,以及中国实施多年的纳米材料战略,气凝胶材料近年来受到了政府、学术界、企业界和投资界的广泛关注。

    当前气凝胶的产品形态主要保温气凝胶毡、板、布、纸、颗粒、粉末和异形件等。气凝胶毡、板、布、纸和异形件,都是气凝胶与相应产品形态的纤维复合所得产品,基本的技术工艺是类似的,但是产品应用有较大的区别。

    航天航空领域。气凝胶在航天航空领域的应用最早最成熟,首推者是美国NASA体系,航天领域主要应用在飞船舱体隔热保温层、宇航服保温层和抵御星际粒子撞击的保护层等,航空领域主要是飞机舱隔热隔音层和复合隐身材料。由于航天航空领域的特殊性,对材料的容重和绝热效果要求相当苛刻,所以气凝胶在这方面的突出特性正好满足了该领域的应用要求,所以当时气凝胶的昂贵价格也就不那么重要了。

    军工领域。主要是装甲车、舰艇、导弹隔热层,特种作战服装和防弹装,军事装备防红外线材料。

    交通运输领域。主要应用在汽车防火隔热保温降噪层、大容量电池组防火防水保温盒,危险化学品运输车、液化天然气运输船等特种运输工具的保温防火层,高铁和地铁车体保温隔热降噪防火层,水面油污吸附处理。

    石油化工领域。降低能耗是石油化工行业永恒的主题,气凝胶主要应用在各种高温管道的隔热层,各种低温管道的保温层,各种反应釜和储罐的隔热保温层。医药化工领域的催化剂吸附载体、缓释剂载体,吸附污水中的重金属等有害物质。
 
    建筑领域。主要应用在各种建筑的内外墙保温层,玻璃保温隔热层,屋顶隔热保温层,暖通管道保温层。

    其他民用领域。主要应用是防寒服、登山鞋、帐篷等户外用品,空气净化介质,污水净化介质。
 

传统聚氨酯:保温效果差,耐温性差,易吸水,使用寿命短。

气凝胶:保温效果好,耐温高,疏水,使用寿命长。
 

Kistler TM气凝胶在交通运输领域有哪些应用前景?

   
    IBIH研发团队拥有国内外顶尖的技术人才,在过去将近10年时间里,致力于改进气凝胶的制备工艺,降低成本,使其可大规模工业化生产且产品质量稳定、成本大幅降低,使气凝胶成为普通工业和民用领域用得起的“超级绝热材料”。
 
    这两幅图展示的就是KistlerTM气凝胶与传统保温材料的对比,我们最常用的有机类保温材料耐温不到200度,无机类的岩棉可以到700度,但更高能够耐受火焰灼烧上千度高温的,也只有氧化铝气凝胶了。下图所示的是管道保温的截面图,在达到相同保温效果下,气凝胶只需要传统材料的1/3-1/4. 
 

(1)Kistler TM 气凝胶:防火隔离墙保护小客车驾乘人员免受火灾危险。 



    在交通事故引发的火灾中,着火点一般集中在发动机仓位置。现有的汽车内饰多为易燃有机物,一旦火势蔓延到乘客仓就已经难以控制,就会造成严重的损失。IBIH的解决方案是:在发动机仓和驾驶舱之间加一层气凝胶防火隔离墙。能在前部发动机着火时隔绝热量,阻隔火势蔓延到驾驶舱中,为人员逃离和营救争取最宝贵的时间。 
 

(2)Kistler TM 气凝胶:大客车隔音保温材料。


 
    公共汽车中的可燃性内饰和保温层是扩大灾情的重要帮凶。图示车体使用的可燃性聚氨酯保温层,车底铺设的隔音保温层同样是可燃性材料。当火灾发生时,传统有机保温材料极易被引燃,从而助长火势、扩大灾情,同时产生大量毒害性气体,直接危害到乘客的呼吸系统和神经系统,导致难以逃生。所以我们看到,每当大客车发生火灾都是触目惊心的重大伤亡事故。 
 

(3)Kistler TM  气凝胶:大客车防火保温层。

 
     
   
    在传统的内燃机客车中,无论柴油汽油天然气,发动机都会产生极高的温度。而发动机仓往往设计紧凑、管线密布,易老化。电动客车的电池组使用大电流充放电,会产生局部高温,电火花也带来火灾隐患。这些都是不稳定热源。而我们的内饰、保温层、隔音材料又多为易燃有机物。一旦发生火灾,后果可想而知。IBIH的解决方案是: 
    1、在动力仓和乘客仓之间用KistlerTM气凝胶做防火隔离墙,保障乘客区的安全,阻止火源蔓延,为疏散赢取时间;                            
    2、车体车底使用KistlerTM气凝胶防火保温层,保温隔热不燃,防止火势扩大。
 

(4)Kistler TM 气凝胶:物流车辆防火保温层。


    物流车辆、货车,特别是冷链物流和危化品运输车辆的防火保温更为重要。货车使用频次高,载重大,运输距离长,货物种类繁杂。使用气凝胶做防火隔热墙,能有效阻止火势从车头蔓延到驾驶仓或货仓,保障人员和货物的安全。使用气凝胶做防火保温层,有效保障货物在极寒极热环境下的安全稳定,同时气凝胶不燃,无火灾隐患。 


 
 

(5)Kistler TM 气凝胶:高铁和地铁车辆的保温降噪。

    高铁车辆运行时速高,全车无烟防火,安全设计要求高,需要重量轻的不燃性保温材料。目前在国外和我国的部分高铁和地铁车辆中,正在使用国外的气凝胶保温材料。IBIH的KistlerTM气凝胶可真正达到建筑A级非燃国家标准,同时具有超疏水特性,这个标准目前同行业无可及者,导热系数稳定保持在0.018w/k.m左右,可承受-300℃-800℃的使用环境温度而性能保持稳定。
 

(6)Kistler TM 气凝胶:轮船锅炉及LNG船舶管路和罐体保温。

    轮船锅炉与管路输送空间狭窄,要求保温层具有更高的使用性能。对于LNG保温系统,气凝胶有更大的用武之地。从船体的保温,运输管道保温,储罐保温,都可以用到气凝胶保温材料。对比传统材料,节省更多空间,提高了保温性能,更安全,使用寿命更长。 
 
(编辑:王刚)
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