Fábricas de painéis de aerogel Materiais de aerogel de sílica reforçados com fibra

A introdução de materiais de reforço unidimensionais, como fibras ou whiskers, no sistema de gel permite sua distribuição uniforme na estrutura porosa, proporcionando assim um desempenho aprimorado para materiais compósitos. Essas fibras de reforço geralmente possuem diâmetros pequenos e grandes áreas de superfície específica, o que lhes permite integrar-se bem à matriz de aerogel de sílica. Uma vez incorporadas, elas formam um efeito de blindagem dentro da estrutura porosa, que pode dispersar e absorver a radiação infravermelha, reduzindo assim a transferência de calor por radiação.

Além disso, a presença do aerogel reduz o contato direto entre as fibras puras, diminuindo assim a transferência de calor na fase sólida e reduzindo a condutividade térmica geral do material compósito. Ao mesmo tempo, as cargas aplicadas externamente podem ser distribuídas de forma eficaz através das fibras com alta rigidez e alto módulo, resultando em melhor desempenho mecânico do compósito de aerogel. Uma ilustração esquemática da melhoria no isolamento térmico e nas propriedades mecânicas é mostrada na Figura 1.

1. Fibra de carbono

As fibras de carbono são caracterizadas por baixa densidade, alta resistência específica e alta rigidez específica. Quando introduzidas em aerogéis de sílica, as fibras de carbono podem fornecer suporte estrutural para a rede porosa tridimensional.

Devido à sua resistência mecânica intrínseca, as fibras de carbono podem melhorar significativamente a resistência à compressão de compósitos de aerogel quando utilizadas como materiais de reforço. No entanto, o processo de fabricação das fibras de carbono é relativamente complexo e dispendioso. Além disso, sob temperaturas extremamente elevadas e ambientes oxidativos, as fibras de carbono podem sofrer degradação de desempenho, tipicamente acima de 1500 °C, o que limita sua aplicação em certas condições de alta temperatura.

2. Fibra de vidro

As fibras de vidro oferecem bom suporte estrutural e podem aumentar efetivamente a resistência mecânica dos materiais compósitos. Seus processos de fabricação são bem estabelecidos e relativamente baratos.

Devido à sua tecnologia de produção consolidada e propriedades mecânicas favoráveis, as fibras de vidro podem melhorar significativamente a resistência mecânica dos aerogéis de sílica, reduzindo simultaneamente a condutividade térmica. No entanto, em comparação com as fibras de carbono, seu desempenho à compressão é ligeiramente inferior. Além disso, a resistência da ligação interfacial entre as fibras de vidro e a matriz de aerogel de sílica pode ser insuficiente, o que pode levar à degradação estrutural durante o uso prolongado.

3. Outras fibras inorgânicas

Além das fibras de carbono e de vidro, outras nanofibras inorgânicas utilizadas como materiais de reforço também podem proporcionar um desempenho favorável.

Por exemplo, as fibras de xonotlita exibem excelente resistência a altas temperaturas, o que contribui para a melhoria da estabilidade térmica dos compósitos de aerogel. Os nanobastões de dióxido de titânio possuem alta rigidez e podem suportar a estrutura da rede do aerogel, mantendo a estabilidade da estrutura em temperaturas elevadas. Comparados com sistemas reforçados com fibras de carbono e vidro, esses aerogéis reforçados com fibras inorgânicas também demonstram boas propriedades mecânicas e condutividade térmica relativamente baixa.

No entanto, os processos de preparação dessas fibras inorgânicas são geralmente mais complexos e dispendiosos. Além disso, sua compatibilidade com a matriz de aerogel de sílica ainda requer mais investigação.

4. Fibras orgânicas

Em comparação com fibras inorgânicas, como fibras de carbono e de vidro, as fibras orgânicas podem reduzir significativamente os custos de produção, ao mesmo tempo que fornecem suporte estrutural para aerogéis de sílica.

Por exemplo, a morfologia de distribuição das fibras de aramida influencia diretamente as propriedades mecânicas do compósito de aerogel. As fibras orgânicas podem, portanto, aumentar a estabilidade estrutural dos aerogéis de sílica, reduzindo os custos de fabricação. No entanto, em comparação com as fibras inorgânicas, as fibras orgânicas geralmente apresentam menor resistência a altas temperaturas, o que limita sua aplicação em ambientes de alta temperatura.

Conclusão

Os aerogéis de sílica reforçados com fibras melhoram o desempenho mecânico pela introdução de fibras de reforço de alta rigidez que distribuem eficazmente as tensões aplicadas à estrutura do aerogel. Além disso, a presença das fibras cria um efeito de blindagem contra radiação, que pode bloquear parcialmente a transferência de calor por radiação e, assim, reduzir a condutividade térmica geral do material compósito.

Jutao Tecnologia Ambiental — Especialistas em Soluções de Materiais de Aerogel

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