Теплопроводность газосиликатного блока: Теплопроводность газосиликатных блоков в сравнении с другими материалами

Теплопроводность газосиликатных блоков в сравнении с другими материалами

Способность к эффективному удержанию тепла внутри помещений играет ключевую роль при выборе материалов для возведения наружных стен зданий, характеристики, отражающие ее в количественном выражении, обязательно учитываются при проведении расчета их толщины. Неизменно высокие результаты показывают газосиликатные блоки и плиты, обеспечивающие низкую термопередачу при минимальной нагрузке на основание и достаточно хорошей прочности.

Определение и влияние на другие характеристики

В количественном выражении отражает способность газосиликата проводить тепло с учетом его постоянного агрегатного состояния и условий эксплуатации. По сути является аналогом электропроводимости: чем она выше, тем активнее происходит теплообмен. Существует прямая связь между толщиной строительных конструкций, удельным весом и структурой их основы и показателем термопередачи.

Пористые и удерживающие внутри воздух блоки или плиты в сухом виде имеют неизменно низкую теплопроводность, уплотненные разновидности – наоборот.

Обратная величина этой характеристики – способность к препятствованию прохождения тепла сквозь структуру: чем она выше, тем лучше элементы подходят для утепления или постройки энергосберегающих сооружений. По этой причине для организации отвода или теплопередачи используются элементы из стали или алюминия, имеющие крайне низкое термическое сопротивление, а при необходимости поддержки определенного режима внутри – стройматериалы с ячеистой или волокнистой структурой: дерево, минвата, газосиликат или пенобетон, поризованная или пустотелая керамика, пенопласт, ППУ, эковата.

Кладочные изделия представлены марками с разной плотностью, в пределах D300-D400 они относятся к теплоизоляционным, D500 и D600 – совмещают утепляющие и конструкционные способности, свыше D700 – не обладают энергосберегающими свойствами. D400 могут использоваться при возведении нагружаемых стен, но лишь при условии их надежного армирования и поддержки каркасом, при исключении мостиков холода в дополнительной защите от потерь тепла они не нуждаются.

При повышении плотности марки скорость теплообмена между наружной и внутренней средой увеличивается, что приводит к необходимости утепления фасада.

Марка плотности	D300	D400	D500	D600
Теплопроводность г в сухом состоянии, Вт/м·°C	0,08	0,096	0,12	0,14
Коэффициент паропроницаемости газосиликата, мг/м·ч·Па	0,26	0,23	0,2	0,16

Это значение подтверждается производителем опытным путем, для его определения в домашних условиях можно направить на блок горелку (или поставить его на плиту) и измерять изменение температуры в 3-4 см углублении на другой стороне с интервалом в 1 мин. После прекращения нагрева отслеживается динамика охлаждения. Такой опыт позволяет проверить не только изоляционные свойства, но и огнестойкость.

Сравнения коэффициентов теплопроводности газоблоков и других материалов

Большинство современных строительных конструкций, разделяющих зоны с разными температурами, являются многослойными. Их величина термического сопротивления суммируется с учетом толщины каждой прослойки в метрах и термопроводности при стандартных условиях (нормальной влажности и температуре). Усредненные нормативные значения последней приведены в таблице ниже:

Вид	Средний диапазон плотности, кг/м3	Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии, Вт/м·°C
Мелкоштучные кладочные изделия и блоки из искусственного камня
Кирпич красный плотный	1700-2100	0,67
То же, пористый	1500	0,44
Силикат	1000-2200	0,5-1,3
Керамический поризованный камень	810-840	0,14-0,185
Многопустотные камни из легкого бетона	500-1200	0,29-0,6
Дерево
Дуб	700	0,23
Клен	620-750	0,19
Лиственница	670	0,13
Липа	320-650	0,15
Сосна	500	0,18
Береза	510-770	0,15
Блоки и плиты из ячеистых видов бетона
Пенобетон	300-1250	0,12-0,35
Автоклавные газосиликатные и газобетонные	280-1000	0,07-0,21
Строительные плиты из пористого бетона	500-800	0,22-0,29
Утеплители
Пенополистирол	40	0,038
Маты из минеральной ваты	50-125	0,048-0,056
Эковата	35-60	0,032-0,041

Несложно заметить, что из всех видов кладочных материалов автоклавные газосиликатные блоки в разы выигрывают в сопротивлении теплопередаче. На практике это означает возможность уменьшения толщины стен при равном теплообмене и отсутствии необходимости их наружного утепления. В этом плане они уступают лишь дереву, для сравнения: равную теплопроводность имеют 140 мм сухого бруса, 250 – кладки из газосиликата, 500 – керамзитобетона и 650 – монолитной стены из кирпича. У продукции, используемой при утеплении, такая же низкая эффективность теплообмена наблюдается у плиты ППУ толщиной в 25 мм, полистирола в 60, пробки в 70 и минеральной ваты в 80.

Высокая способность к удержанию тепла допускает использование как конструкционных изделий, так и в качестве изолятора. Марки D500 и D600 совмещают оба свойства, но при превышении плотности свыше 700 кг/м³ сопротивление теплопередаче снижается и возникает потребность либо в наружном утеплении, либо в увеличении толщины кладки, и как следствие – росту затрат. С целью исключения ошибок этот параметр определяет расчет, проводимый на стадии проектирования и учитывающий климатические условия региона, требуемую температуру внутри здания и точную теплопроводность.

---

 

Теплопроводность газосиликатных блоков

Рынок современных строительных материалов регулярно пополняется усовершенствованными новинками. При возведении малоэтажных домов растет спрос на газосиликатные блоки, которые имеют более низкий коэффициент теплопроводности по сравнению с бетоном, деревом или кирпичом. Теплопроводность газосиликатных блоков обусловлена пористой структурой, которая на 80-85% состоит из воздуха. Сырьем для производства газосиликата являются: вода, цемент, кварцевый песок, известь. В качестве добавки используется алюминиевая пудра. При взаимодействии всех компонентов происходит вспенивание массы в результате выделения водорода.

Показатели теплопроводности газосиликатных блоков

В зависимости от пропорций исходных ингредиентов можно получить продукт с различными эксплуатационными характеристиками. Коэффициент теплопроводности газосиликатного блока (?) зависит от его плотности и определяется по маркировке: D300, D400, D500, D600, D700.

Каждая марка имеет оптимальные показатели в зависимости от назначения:

1. Теплоизоляционный (D300, D400) — имеет минимальную прочность при максимальной пористости. Обладает самым низким показателем теплопроводности, используется только для теплоизоляции готовых стен.
2. Конструкционно-теплоизоляционный (D500, D600) — имеет средние показатели плотности и прочности. Предназначен для межкомнатных перегородок и стеновых конструкций до 2-х этажей.
3. Конструкционный (D700 и выше) — применяется для возведения несущих стен малоэтажных построек.

При выборе строительных блоков необходимо учесть эксплуатационную влажность, назначение, технологию изготовления материала.

Таблица теплопроводности газосиликатных блоков

Характеристики влажности	D300	D400	D500	D600	D700
Теплопроводность ? (Вт/(м?°C)) в сухом виде	0,072	0,094	0,12	0,14	0,165
Теплопроводность ? (Вт/(м?°C)) влажность 4%	0,088	0,117	0,141	0,16	0,192

При сравнении теплопроводности газосиликатного материала и кирпича, показатели последнего уступают в 4 раза. Так, для обеспечения желаемого теплосбережения потребуется толщина стен из газосиликата 500 мм. Тогда как для соблюдения аналогичных параметров понадобилось бы возвести кирпичную кладку толщиной не менее 2000 мм.

Теплопроводность газосиликата зависит от ряда факторов:

1. Габариты строительного блока. Чем большую толщину имеет стеновой блок, тем выше его теплоизолирующие свойства.
2. Влажность окружающей среды. Материал, впитавший влагу, снижает способность хранить тепло.
3. Структура и количество пор. Блоки, имеющие в своей структуре большое количество крупных воздушных ячеек, имеют повышенные теплоизоляционные показатели.
4. Плотность бетонных перегородок. Стройматериалы повышенной плотности хуже сохраняют тепло.

Высокая степень влагонакопления газосиликата исключает его использование в помещениях повышенной влажности без обработки гидроизоляционным материалом.

Теплопроводность блоков в зависимости от плотности

Характеристика теплопроводности газосиликатных блоков пропорциональна плотности.  Чем выше показатель плотности, тем больше коэффициент теплопроводности, следовательно, увеличиваются энергозатраты на обогрев помещения. Во избежании лишних расходов на отопление потребуется дополнительная теплоизоляция стен минеральной ватой, пенополистиролом или другим изолирующим материалом.

Плотность блоков влияет на:

• потребность в гидроизоляции;
• строение конструкции в один или несколько слоев;
• необходимость дополнительной теплоизоляции;
• метод укладки блоков на специальную клеевую основу.

Оптимальным вариантом для малоэтажного строительства (до 2-х этажей) является газосиликат марки D500. Объемная плотность этого материала составляет 500 кг/м³, что аналогично плотности деревянного бруса. Теплопроводность газосиликатного блока D500 в сухом состоянии равна 0,12 Вт/(м?°C), тогда как у кирпича она выше примерно в 4 раза (0,45 Вт/(м?°C)). Газосиликат D500 применяется для постройки несущих стеновых конструкций высотой до 2-х этажей, либо для возведения межкомнатных перегородок, оконных и дверных проемов, балок, ребер жесткости. Марка D500 максимально сочетает в себе конструкционные и теплосберегающие характеристики.

Вывод

На этапе планирования строительства необходимо точно рассчитать количество и конструкционные характеристики блоков различного назначения. От правильного выбора плотности и теплопроводности используемых материалов зависит не только сохранение температурного режима в доме, но и долговечность постройки. Гармоничное соотношение цены и качества газосиликата делают его одним из самых востребованных стройматериалов.

Газосиликатные блоки – основные свойства и характеристики

Еще одним популярным материалом, захватившим значительную долю на рынке стройматериалов — является газосиликат. Готовые отформованные блоки имеют много общего с искусственным камнем, и отличаются заметными достоинствами. По этой причине газосиликатные блоки и приобрели такую широкую популярность при строительстве домов.

Оглавление:

1. Где применяют газосиликатные блоки
2. Характеристики материала
3. Преимущества и недостатки газосиликатных блоков
4. Как производятся газосиликатные блоки

Где применяют газосиликатные блоки

Сфера применения газосиликата лежит в таких направлениях:

• теплоизоляция зданий,
• постройка зданий и несущих стен,
• изоляция теплосетей.

По своим качествам газосиликатные блоки имеют много общего с пенобетоном, но при этом превосходят их по механической прочности.

В зависимости от плотности материала. различают несколько областей применения:

• Плотность блоков от 300 до 400 кг/м3 сильно ограничивает их распространение, и подобные блоки чаще используются в качестве утеплителя для стен. Низкая плотность не позволяет использовать их в качестве основы для стен, так как при значительной механической нагрузке они разрушатся. Но в качестве утеплителя низкая плотность играет свою роль, поскольку чем плотнее прилегают к друг другу молекулы — тем выше становится теплопроводность и холоду проще проникнуть в помещение. Поэтому блоки с малой теплопроводностью обеспечивают более эффективную теплоизоляцию,
• блоки плотность в 400 кг/м3 нашли свое применение при строительстве одноэтажных зданий и рабочих помещений. За счет повышенной прочности блоков и их более низкого веса расходы на обустройство фундамента значительно снижаются,
• блоки плотностью в 500 кг/м3 чаще используются при возведении зданий высотой в несколько этажей. Как правило, высотность здания не должна превышать отметку в три этажа. Подобные блоки, в непосредственной зависимости от климата — либо не утепляются вообще, либо требуют традиционных методов утепления.
• наиболее оптимальным вариантом для постройки высотных зданий является использование блоков с плотностью в 700 кг/м3. Подобный показатель позволяет возводить высотные жилищные и производственные здания. Благодаря более низкой стоимости возводимые стены из газосиликатных блоков вытесняют традиционные кирпичные и изготовленные из железобетона.

Чем выше плотность — тем хуже показатели теплоизоляции, поэтому в таких зданиях потребуется дополнительная изоляция. Чаще наружную обеспечивают с помощью плит из пенопласта или пенополистирола. Этот материал отличается низкой ценой и при этом обеспечивают хорошую теплоизоляцию помещения в любое время года.

За последнее время позиция газосиликата, как одного из самых востребованных при строительстве материалов, значительно укрепилась.

Относительно малый вес готовых блоков позволит значительно ускорить постройку здания. К примеру, блоки газосиликатные, размеры которых имеют типовые значения, по некоторым оценкам снижают трудоемкость при монтаже до 10 раз по сравнению с кирпичом.

Стандартный блок с плотностью в 500 кг/м3 с весом в 20 кг способен заменить 30 кирпичей, суммарная масса которых составит 120 кг. Таким образом монтаж блоков на здания с малой этажностью не потребует специальной техники, снизит трудозатраты и затрачиваемое время на постройку здания. По некоторым оценкам, экономия времени достигает снижения в затрат по нему 4 раза.

Характеристики материала

Имеет смысл перечислить основные технические характеристики газосиликатных блоков:

• удельная теплоемкость блоков, изготовленных автоклавных путем, составляет 1 кДж/кг*°С. К примеру, аналогичный показатель у железобетона находится на уровне 0.84,
• плотность железобетона в 5 раза выше, но при этом коэффициент теплопроводности газосиликата составляет показатель всего в 0. 14 Вт/м*°С, что примерно аналогично показателю древесины сосны или ели. Железобетон имеет значительно больший коэффициент, в 2,04,
• характеристики звукопоглощения материала находятся на уровне коэффициента 0,2, при частоте звука в 1000 Гц,
• цикличность морозостойкости у газосиликатных блоков с плотностью материала ниже отметки в 400 кг/м3 не нормируется, у блоков с плотностью до 600 кг/м3 составляет до 35 циклов. Блоки с плотностью выше 600 кг/м3 способны выдержать 50 циклов замерзания и оттаивания, что равняется 50 климатическим годам.

Если сравнивать газосиликатные блоки с кирпичом, то выходят показатели не в пользу последнего. Так, требуемая толщина стен для обеспечения достаточной теплопроводности для блоков составляет до 500 мм, в то время как для кирпича потребуется аналогичная кладка толщиной в 2000 мм. Расход раствора для укладки материала составит для кирпича 0,12 м3 и 0,008 м3 для газосиликатных блоков на 1 м2 кладки.

Вес одного квадратного метра стены при этом составит до 250 кг для газосиликатного материала, и до двух тонн кирпича. При этом потребуется соответствующая толщина фундамента для несущих стен строящегося здания. Кирпичная кладка потребует толщину фундамента не менее 2 метров, в то время как для газосиликатных блоков достаточно толщины всего в 500 мм. Трудоемкость кладки блоков значительно ниже, что позволит снизить затраты на трудоемкость.

Помимо всего прочего, газосиликатные блоки отличаются значительно большей экологичностью. Коэффициент этого материала составляет два пункта, приближая его к натуральному дереву. В это же время показатель экологичности кирпича находится на уровне от 8 до 10 единиц.

Преимущества и недостатки газосиликатных блоков

Газосиликатные блоки, цена которых позволит значительно снизить затраты на постройку дома, обладают следующим рядом неоспоримых преимуществ:

• Малый вес готовых блоков. Газосиликатный блок весит в 5 раз меньше по сравнению с аналогичным бетонным. Это существенно снизит затраты на доставку и монтаж.
• Высокая прочность на механическое сжатие. Газосиликат с индексом Д500, обозначающим, что его плотность составляет 500 кг/м3, демонстрирует показатель до 40 кг/см3.

• Показатель термического сопротивления в 8 раз выше, нежели аналогичный у тяжелого бетона. Благодаря своей пористой структуре обеспечивается хорошие показатели теплоизолированности.
• Газосиликатные блоки обладают теплоаккумулирующими свойствами. Они способны отдавать накопленное тепло внутрь помещения, что снизит затраты на отопление.
• Благодаря пористой структуре степень звукоизоляции выше аналогичной у кирпича в 10 раз.
• Материал не содержит в себе никаких токсинов и обладает хорошими показателями экологичности.
• Газосиликат отличается своей негорючестью и не распространяет горение. ОН выдерживает прямое воздействие пламени на протяжении не менее трех часов, благодаря чему практически полностью исключается ситуация с распространением пожара.
• Паропроницаемость блоков значительно выше, нежели у конкурентов. Считается, что материал способен хорошо «дышать», создавая при этом комфортный микроклимат внутри помещения.

Тем не менее, газосиликатные блоки на данный момент не способны нанести сокрушительный удар по всем конкурентам. Этому материалу свойственны и существенные недостатки:

• Газосиликат обладает невысокой механической прочностью. При вкручивании в него дюбеля он начинает крошиться и рассыпаться, и не способен при этом обеспечить эффективное удержание. Грубо говоря, на стену из газосиликатных блоков еще реально повесить часы или картину. Но полка уже может обвалиться, так как крепеж способен просто выскользнуть из стены.
• Блоки не отличаются хорошей морозостойкостью. Несмотря на заявленные производителем цикл в 50 лет для марок с повышенной прочностью, нет достоверной информации по поводу долговечности блоков марок Д300.
• Главный недостаток газосиликата — это его высокое поглощение влаги. Она проникает в структуру, постепенно разрушая ее и материал теряет свою прочность.
• Из вышеуказанного недостатка выходит следующий: накопление и впитывание влаги приводит к появление грибка. В данном случае пористая структура служит хорошим условием для его распространения.
• Материал способен значительно усаживаться, в результате чего нередко появляются трещины в блоках. Более того, уже через два года трещины способны проявиться на 20% уложенных блоков.
• Не рекомендуется наносить цементно-песчаные штукатурки. Они способны попросту отвалиться от стены. Рекомендуемая многими продавцами гипсовая штукатурка так же не является эффективным средством. При нанесении на стену из газосиликатных блоков она не способна скрыть швы между блоками, а при наступлении холодов на ней появляются заметные трещины. Это происходит из-за разницы температур и перепадов герметичности материала.
• Из-за высокой поглощения влаги штукатурка потребует нанесения как минимум в два слоя. Более того, по причине сильной усадки штукатурка покроется трещинами. Они не повлияют на герметичность, но сильно нарушат эстетическую составляющую. Гипсовая смесь хорошо удерживается на газосиликатных блоков, и несмотря на появление трещин — она не отрывается.

Как производятся газосиликатные блоки

Купить газосиликатные блоки целесообразнее у тех дилеров, которые представляет продукцию известных производителей. Современное качественное оборудование на заводских линиях позволяет обеспечить должный контроль за качеством выпускаемых газосиликатных блоков, благодаря чему покупатель уверен в долговечности закупаемой продукции.

Сам процесс производства делят на несколько этапов, и что характерно, каждый из них полностью автоматизирован. Это исключает вмешательство человеческого фактора, от которого зачастую зависит качество выпускаемой продукции. Особенно по пятницам и понедельникам. Кто работал на производстве — тот поймет.

Производится дробление извести, песка и гипса, которое составляет основу для производства блоков. С помощью добавления воды песок перемалывают до состояния жидкой смеси. Ее отправляют в смеситель, в который добавляется цемент, гипс и известь. Далее компоненты замешиваются, и во время этого процесса в них добавляется алюминиевая суспензия.

После того, как все компоненты были тщательно смешаны между собой, смесь заливают в формы, которые перемещают в зону созревания. При воздействии температуры в 40°С на протяжении четырех часов происходит вспучивание материала. При этом активно выделяется водород. Благодаря этому конечная масса приобретает необходимую пористую структуру.

С помощью захвата для переворачивания и режущей машины производится нарезка блоков под нужные размеры. При этом автоматика контролирует точную и бездефектную нарезку изделий.

Вслед за этим блоки отправляют в автоклав для набора ими конечной прочности. Этот процесс протекает в камере при воздействии температуры в 180°С на протяжении 12 часов. При этом давление пара на газосиликат должно составлять не менее 12 атмосфер. Благодаря такому режиму готовые блоки набирают оптимальное значение конечной прочности.

Благодаря крану-делителю и оборудованию по финальному контролю за качеством производится укладка блоков для их последующего естественного остывания. После чего на автоматической линии с блоков удаляются возможные загрязнение и проводят упаковку и маркировку блоков.

Что примечательно, процесс производства является безотходным, поскольку в момент нарезки еще на стадии застывания отходы сырого массива отправляют на повторную переработку, добавляя материал в другие блоки.

Паллеты с упакованными газосиликатными блоками получают свой технический паспорт с подробно изложенными физическими свойствами и техническими характеристиками изделия, чтобы покупатель мог убедиться в соответствии.заявленным характеристикам.

Дальнейшая работа уже за дилерами и маркетологами, от которых и будет зависеть успешность продаваемости изделия.

характеристики, размеры, вес, цена блоков из газосиликата.

В современном строительстве широко используются эффективные материалы на основе ячеистых бетонов. В индивидуальном загородном строительстве вместо кирпича все чаще используют современные материалы из газобетона и газосиликата, отличающиеся низкой ценой и высокими строительными и теплотехническими характеристиками.

В предыдущих публикациях мы уже рассмотрели характеристики пеноблков и узнали как построить стены бани из пенобетона.

Давайте сегодня поговорим о другом современном строительном материале – газосиликатных блоках. Обсудим их плюсы и минусы, узнаем цену и размеры, а также поговорим об основных технических характеристиках этого набирающего популярность материала.

Производство газосиликатных блоков

В состав смеси для производства газосиликата входят:

• высококачественный портландцемент, содержащий не менее 50% силиката кальция;
• песок с содержанием кварца не менее 85% и включением илистых и глинистых частиц не более 2%;
• известь-кипелка со скоростью гашения 5-15 мин и содержанием оксида кальция и оксида магния не менее 70%;
• газообразователь из алюминиевой пудры;
• сульфанол С;
• вода.

Блоки из газосиликата могут изготавливаться как с использованием автоклава, так и без него. При этом, автоклавный способ позволяет получить материал с более высокими характеристиками по прочности и усадке при высыхании.

 

Блоки, изготавливаемые без использования сушки в автоклаве, имеют в пять раз большую усадку, чем те, которые были просушены в автоклаве, а также худшие показатели прочности. Но при этом стоят они заметно дешевле.

Автоклавный способ изготовления применяется на достаточно крупных предприятиях, так как этот способ достаточно технологичный и требует большого количества энергии. Пропаривают продукцию из газосиликата при температуре до 200 градусов при давлении до 1,2 МПа.

Изменяя процентное соотношение ингредиентов, входящих в состав смеси для приготовления газосиликата, можно изменять характеристики получаемого материала. Так, увеличивая содержание цемента, можно повысить прочность изделия, но при этом уменьшится количество пор, что в конечном итоге повлияет на его теплотехнические характеристики, увеличив значение теплопроводности.

Технические характеристики газосиликатных блоков

Виды блоков по плотности

В зависимости от плотности все изделия из газосиликата принято делить на конструкционные, конструкционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные.

К конструкционным относят блоки, имеющие плотность не ниже D700. Такой материал можно использовать для строительства несущих стен в зданиях до 3 этажей.

Конструкционно-теплоизоляционные блоки имеют плотность от D500 до D700. Они хорошо подойдут для устройства межкомнатных перегородок, а также стен зданий высотой не более 2 этажей.

Теплоизоляционные имеют высокую пористость и самую низкую прочность. Обладая плотностью D400, они очень востребованы в качестве материала повышающего теплотехнические характеристики стен, выполненных из менее энергоэффективных материалов.

Теплопроводность газосиликатных блоков

По своим показателям теплопроводности изделия из газосиликата имеют весьма высокие характеристики. Значения теплопроводности в зависимости от плотности приведены в таблице ниже:

Марка (плотность)	D400 и ниже	D500-D700	D700 и выше
Теплопроводность, Вт/м°С	0,08-0,10	0,12-0,18	0,18-0,20

 

Морозостойкость газосиликатных блоков

Морозостойкость зависит от объема пор используемого для изготовления материала и, как правило, составляет от 15 до 35 циклов замерзания-размораживания.

Но, некоторые современные предприятия, уже освоили выпуск газосиликата с заявленной морозостойкостью от 50 до 75 и даже до 100 циклов.

Однако, в среднем, в соответствии с ГОСТ 25485-89 следует ориентироваться на показатель морозостойкости изделий плотностью D500 равный 35 циклам.

Размеры и вес газосиликатных блоков

Изделия из газосиликата могут иметь различные размеры в зависимости от завода-изготовителя. Но чаще всего встречаются следующие размеры: 600х200х300 мм, 600х100х300 мм, 500х200х300 мм, 250х400х600 мм, 250х250х600 мм и т.д.

Вес газосиликатного блока

Вес может различаться в зависимости от плотности используемого материала. Для примера в таблице ниже приведены значения веса газосиликатных блоков основных типоразмеров в зависимости от плотности:

Плотность	Размер, мм	Вес, кг
D700	600x200x300	20-40
D700	600x100x300	10-16
D500-D600	600x200x300	17-30
D500-D600	600x100x300	9-13
D400	600x200x300	14-21
D400	600x100x300	5-10

 

Плюсы и минусы газосиликатных блоков

К плюсам блоков из газосиликата можно отнести следующие качества:

• малый вес;
• достаточная для малоэтажного строительства прочность;
• хорошие теплотехнические характеристики;
• звукоизоляционные свойства;
• низкая цена;
• огнестойкость.

Но есть у них и свои недостатки, к которым можно отнести:

• необходимость навыка возведения стен на специальных клеях;
• необходимость наружной отделки для повышения эстетичности вида стен;
• высокая паропроницаемость и гигроскопичность;
• необходимость прочного фундамента для возведения стен.

Внимание! Из-за гигроскопичности материала, его не желательно использовать в помещениях с повышенной влажностью без специальной отделки, не пропускающей влагу к стенам из газосиликата.

Стоимость блоков из газосиликона

Судя по прайс-листам, представленным в интернете на сайтах заводов изготовителей, стоимость одного блока размером 600х100х300 мм составляет примерно $1,8-1,9 за штуку, а блок размером 600х200х300 обойдется вам примерно в $3 за 1 шт.

Цены указаны на момент написания публикации и могут отличаться от текущих цен на рынке, поэтому при необходимости уточняйте актуальную стоимость у производителей.

Смотрите также:

Последние публикации:

Даже правильно выложенной кирпичной печи, со временем требуется ремонт. Высокие температуры, нарушение тяги, механические повреждения кладки – все это приводит к появлению дефектов, которые требуют устранения. Ведь хорошая тяга и отсутствие трещин в стенках –… Читать… Выбор печей для бани сегодня очень широк. Промышленностью выпускаются каменки на любой вкус и цвет. Вы можете подобрать готовую печь для установки в бане в соответствии с требуемой теплопроизводительностью в зависимости от объема парной и выбрать нужный… Читать… Для того, чтобы попариться в баньке сегодня вовсе не обязательно выкладывать основательную русскую печку, кладка которой под силу лишь опытным печникам. Сегодня промышленным способом выпускается большой ассортимент металлических каменок, обеспечивающих… Читать…

• < Чем штукатурить газобетон?
• Производство пеноблоков своими руками >

Теплопроводность газосиликатного блока — коэффициент и какую температуру выдерживает

Теплопроводность газосиликатного блока на порядок ниже аналогичного показателя для таких строительных материалов, как бетон, кирпич, дерево. Причина этого кроется в пористой структуре газосиликата. Его производят из смеси сыпучих материалов (цемент, песок и известь) и воды с добавлением газообразующей добавки. При перемешивании составных элементов масса начинает активно пениться из-за химической реакции с большим выделением водорода. В зависимости от технологии изготовления полученные блоки сохнут в специальных печах или на открытом воздухе.

Теплопроводность газосиликатных блоков: таблица

Коэффициент теплопроводности газосиликатных блоков зависит от их плотности. Наиболее распространены 5 марок материала.

Марка газосиликатного блока	Показатель теплопроводности Вт/(м*°С)
Влажность 0%	Влажность 4%
D300	0.072	0.088
D400	0.094	0.117
D500	0.12	0.141
D600	0.14	0.16
D700	0.165	0.192

Коэффициент проводимости тепла газосиликата зависит от 4 показателей:

• Размеры блока: более толстый кирпич имеет более высокие теплоизоляционные свойства;
• Влажность: при впитывании влаги материал утрачивает часть теплоудерживающих свойств. Использование газосиликата в помещениях с высокой влажностью допускается только при устройстве гидроизоляции;
• Структура блока: чем больше воздушных полостей имеет материал, тем выше его показатель теплоудержания;
• Плотность бетона: материалы с высокой плотностью имеют низкие показатели теплосохранения.

Теплопроводимость газосиликата ниже аналогичного показателя кирпича до 5-8 раз при гораздо меньшей плотности и весе материала из расчета кг/м3. Это позволяет существенно экономить на утеплителе и толщине стен.

Какую температуру выдерживает газосиликатный блок

Газобетон плотностью более 500-600 кг/м3 рассчитаны на выдерживание от 35 до 75 циклов замерзания и оттаивания. Использование при производстве материала современных присадок позволило ряду производителей увеличить этот параметр до 100 циклов.

Пожароустойчивость материала высокая. Он не подвержен горению, при воздействии температуры более 400°С увеличивает свои прочностные показатели. Огнестойкость газосиликата в плитах перекрытия и несущих конструкция при воздействии открытого огня соответствует стандартам ГОСТа и составляет от 60 минут без видимых изменений.

Сфера применения газосиликата

Газобетонные блоки применяются со следующими целями:

• возведение малоэтажных строений, исключая кладку фундамента;
• теплоизоляция построек;
• изоляция коробов дымоходов и печей.

Конструктивное применение материала зависит от плотности и коэффициента удерживания тепла:

• из D600 и D700 возводят несущие стены, включая многоэтажные строения. Это материал повышенной прочности, но с меньшими показателями по удержанию тепла;
• D500 применяют для возведения жилых строений высотой не более двух этажей. Плотность 500кг/куб.м соответствует аналогичному показателю деревянного бруса. Теплопроводность газосиликатного блока D500 находится в диапазоне 0.12-0.14 Вт/(м*°С). Для сохранения внутри помещения максимального количества тепла укладывается слой утеплителя (например, минвата). Затраты на возведение стен и укладку утеплителя в случае применения газосиликата в разы ниже, чем при использовании кирпича;
• D300 и D400 характеризуются минимальными прочностными показателями из-за повышенной пористости. Последний показатель приводит к максимальному удержанию тепла. Поэтому газосиликат данных марок применяется для теплоизоляции стен и инженерных конструкций.

Газосиликатные блоки: характеристики и особенности

В строительной сфере применяются изделия из газосиликата. Процесс производства блоков осуществляется при высоком давлении, а также в естественных условиях. Благодаря пористой структуре они хорошо удерживают тепло. Популярен газосиликатный блок D500, характеристики которого обеспечивают возможность использования данного материала при возведении домов. В результате применения блоков увеличенных размеров сокращается цикл постройки здания. Рассмотрим основные технические характеристики, которые нужно учитывать при выборе материала.

Что представляют собой блоки газосиликатные

Блочные изделия из газосиликата – современный строительный материал, изготовленный из следующего сырья:

• портландцемента, являющегося вяжущим ингредиентом;
• кварцевого песка, вводимого в состав в качестве заполнителя;
• извести, участвующей в реакции газообразования;
• порошкообразного алюминия, добавляемого для вспенивания массы.

При смешивании компонентов рабочая смесь увеличивается в объеме в результате активно протекающей химической реакции.

Газосиликатные блоки широко применяются в сфере строительства

Формовочные емкости, заполненные силикатной смесью, застывают в различных условиях:

• естественным образом при температуре окружающей среды. Процесс отвердевания длится 15-30 суток. Полученная продукция отличается уменьшенной стоимостью, однако имеет недостаточно высокую прочность;
• в автоклавах, где изделия подвергаются нагреву при повышенном давлении. Пропаривание позволяет повысить прочностные характеристики и удельный вес газосиликатной продукции.

Изменяются показатели плотности и прочности в зависимости от способа изготовления. Указанные характеристики материалов определяют область использования.

Блоки делятся на следующие типы:

• изделия конструкционного назначения. Они обозначаются маркировкой D700 и востребованы для строительства капитальных стен, высота которых составляет не более трех этажей;
• теплоизоляционно-конструкционную продукцию. Марка D500 соответствует данным блокам. Они применяются для сооружения внутренних перегородок и строительства несущих стен небольших зданий;
• теплоизоляционные изделия. Для них характерна повышенная пористость и уменьшенная до D400 плотность. Это позволяет использовать газосиликатный материал для надежной теплоизоляции стен.

Цифровой индекс в маркировке блоков соответствует массе одного кубического метра газосиликата, указанной в килограммах. С возрастанием плотности материала снижаются его теплоизоляционные свойства. Изделия марки D700 постепенно вытесняют традиционный кирпич, а продукция с плотностью D400 не уступает по теплоизоляционным свойствам современным утеплителям.

Газосиликатные блоки превосходят по механической прочности пенобетон

Блоки газосиликатные – плюсы и минусы материала

Изделия из газосиликата обладают комплексом серьезных достоинств. Главные плюсы газосиликатных блоков:

• уменьшенная масса при увеличенных объемах. Плотность газосиликатного материала в 3 раза меньше по сравнению с кирпичом и примерно в 5 раз ниже, если сравнивать с бетоном;
• увеличенный запас прочности, позволяющий воспринимать сжимающие нагрузки. Показатель прочности для газосиликатного блока с маркировкой D500 составляет 0,04 т/см³;
• повышенные теплоизоляционные свойства. Материал успешно конкурирует с отожженным кирпичом, теплопроводность которого трехкратно превышает аналогичный показатель газосиликата;
• правильная форма блоков. Благодаря уменьшенным допускам на габаритные размеры и четкой геометрии, кладка блоков осуществляется на тонкий слой клеевого раствора;
• увеличенные габариты. Использование для возведения стен зданий крупногабаритных силикатных блоков с небольшим весом позволяет сократить продолжительность строительства;
• хорошая обрабатываемость. При необходимости несложно придать газосиликатному блоку заданную форму или нарезать блочный материал на отдельные заготовки;
• приемлемая цена. Используя блочный газосиликат для возведения коттеджа, частного дома или дачи, несложно существенно снизить сметную стоимость строительных мероприятий;
• пожаробезопасность. Блоки не воспламеняются при нагреве и воздействии открытого огня. Они относятся к слабогорючим строительным материалам, входящим в группу горючести Г1;
• высокие звукоизоляционные свойства. Они обеспечиваются за счет пористой структуры. По способности поглощать внешние шумы блоки десятикратно превосходят керамический кирпич;
• экологичность. При изготовлении газосиликатной смеси не используются токсичные ингредиенты и в процессе эксплуатации не выделяются вредные для здоровья компоненты;
• паропроницаемость. Через находящиеся внутри газосиликатного массива воздушные ячейки происходит воздухообмен, создающий благоприятный микроклимат внутри строения;
• морозостойкость. Газосиликатные блоки сохраняют структуру массива и эксплуатационные характеристики, выдерживая более двухсот циклов продолжительного замораживания с последующим оттаиванием;
• теплоаккумулирующие свойства. Газосиликатные блоки – энергосберегающий материал, который способен накапливать тепловую энергию и постепенно отдавать ее для повышения температуры помещения.

Область применения зависит от плотности материала

Несмотря на множество достоинств, газосиликатные блоки имеют слабые стороны. Главные недостатки материала:

• повышенная гигроскопичность. Пористые газосиликатные блоки через незащищенную поверхность постепенно поглощают влагу, что разрушает структуру и снижает прочность;
• необходимость использования специального крепежа для фиксации навесной мебели и оборудования. Стандартные крепежные элементы не обеспечивают надежной фиксации из-за ячеистой структуры блоков;
• недостаточно высокая механическая прочность. Блочный материал крошится под нагрузкой, поэтому требует аккуратного обращения при транспортировке и кладке;
• образование плесени и развитие грибковых колоний внутри и на поверхности блоков. Из-за повышенного влагопоглощения создаются благоприятные условия для роста микроорганизмов;
• увеличенная величина усадки. В реальных условиях эксплуатации под воздействием нагрузок блоки постепенно усаживаются, что вызывает через некоторое время образование трещин;
• пониженная адгезия с песчано-цементными штукатурками. Необходимо использовать специальные отделочные составы для оштукатуривания газосиликата.

Несмотря на имеющиеся недостатки, газосиликатные блоки активно используются для сооружения капитальных стен в области малоэтажного строительства, а также для возведения теплоизолированных стен многоэтажных строений и для теплоизоляции различных конструкций. Профессиональные строители и частные застройщики отдают предпочтение газосиликатным блокам благодаря весомым преимуществам материала.

Газосиликатный блок D500 – характеристики стройматериала

Конструкционно-теплоизоляционный блок марки D500 используется для различных целей:

• сооружения коробок малоэтажных строений;
• обустройства межкомнатных перегородок;
• усиления дверных и оконных проемов.

Газосиликатные блоки обеспечивают хорошую теплоизоляцию помещения

Приняв решение приобрести блочный силикат с маркировкой D500, следует детально ознакомиться с эксплуатационными свойствами популярного строительного материала. Остановимся на главных характеристиках.

Прочностные свойства

Класс прочности материала на сжатие изменяется в зависимости от метода изготовления блоков:

• газосиликат марки D500, полученный автоклавный методом, характеризуется показателем прочности B2,5-B3;
• класс прочности на сжатие для аналогичных блоков, произведенных по неавтоклавной технологии, составляет B1,5.

Прочность блоков D500 достигает 4 МПа, что является недостаточно высоким показателем. Для предотвращения растрескивания газосиликатного материала выполняется усиление кладки сеткой или арматурой. Относительно невысокий запас прочности позволяет использовать блочный стройматериал в сфере малоэтажного строительства. При возведении многоэтажных зданий газосиликатные блоки применяются совместно с кирпичом для теплоизоляции возводимых стен.

Удельный вес

Плотность газосиликатных блоков – важный эксплуатационный показатель, характеризующий пористость блочного массива. Плотность обозначается маркировкой в виде латинской буквы D и цифрового индекса. Цифра в маркировке характеризует массу одного кубометра газосиликата. Так, один кубический метр газосиликата с маркировкой D500 весит 500 кг. Зная маркировку изделий по плотности, размеры блоков и их количество, несложно рассчитать нагрузку на фундаментную основу.

Газосиликатные блоки – экологичный материал

Теплопроводные характеристики

Теплопроводность газосиликатных блоков – это способность передавать тепловую энергию. Значение показателя характеризует коэффициент теплопроводности газосиликатных блоков.

Величина коэффициента изменяется в зависимости от концентрации влаги в материале:

• коэффициент теплопроводности сухого газосиликатного материала марки D500 составляет 0,12 Вт/м⁰С;
• при увеличении влажности до 5% теплопроводность блоков D500 увеличивается до 0,47 Вт/м⁰С.

В строениях, построенных из газосиликатных блоков, благодаря пониженной теплопроводности материала, круглогодично поддерживается благоприятный микроклимат.

Морозоустойчивость

Способность газосиликатных блоков воспринимать температурные перепады, связанные с глубоким замораживанием и оттаиванием, характеризует маркировка. Показатель морозоустойчивости для изделий D500 составляет F50. По сравнению с другими видами композитного бетона это достаточно неплохой показатель. На морозостойкость влияет концентрация влаги в блоках. С уменьшением влажности материала морозоустойчивость блоков возрастает.

Срок эксплуатации

Газосиликат отличается продолжительным периодом использования. Структура газосиликатного массива сохраняет целостность на протяжении более полувека. Изготовители блоков гарантируют срок службы изделий в течение 60-80 лет при условии защиты блоков от впитывания влаги. Оштукатуривание материала позволяет продлить срок службы.

Пожарная безопасность

Газосиликатные блоки – пожаробезопасный стройматериал с огнестойкостью до 400 ⁰С. Испытания подтверждают, что покрытая штукатуркой газосиликатная стена способна выдержать воздействие открытого огня на протяжении трех-четырех часов. Блоки подходят для сооружения пожароустойчивых стен, перегородок и дымоходов.

Заключение

Блочный газосиликат – проверенный материал для строительства малоэтажных зданий. Характеристики блоков позволяют обеспечивать устойчивость возводимых строений и поддерживать внутри зданий комфортный микроклимат.

Теплопроводность газосиликатного блока. Газосиликатный блоки

Благодаря своей низкой теплопроводности и небольшой толщине, газобетон позволяет в несколько раз увеличить энергосбережение и экономит средства владельцев, проживающих в холодных регионах. Общие преимущества материала выглядят следующим образом:. На сегодняшний день существует несколько видов газосиликатных блоков. При их производстве используются разные технологии, позволяющие получить материалы, которые будут обладать повышенными теплоизоляционными, конструкционными свойствами или отличаться хорошей плотностью и прочностью.

Как и любой другой строительный материал, газобетон не лишен отрицательных сторон.

Газосиликатные блоки — это строительный материал универсального значения. Он представляет собой искусственный пористый камень.

Первым важным моментом, который стоит учитывать при приобретении блоков, является разделение на виды. Каждая марка предназначена для узкого направления работы. В зависимости от плотности газобетон может быть:. Можно выделить еще несколько недостатков , связанных с техническими особенностями:. Все недостатки являются условными, т. Газобетон не представляет собой универсальный материал. Это можно рассматривать как неудобство, которое требует повышенного внимания при его приобретении, но сочетание нескольких видов позволит добиться отличных эксплуатационных качеств.

Например, высокая плотность марки D позволяет без труда возвести небольшое строение, которое будет отличаться высокой прочностью.

Дополнительный наружный слой небольшой толщины из марки D решит проблему с влажностью и теплом. Сравнительная таблица позволит лучше оценить параметры всех популярных марок. Чтобы не тратиться на дополнительный обогрев жилья в зимнее время года, стоит заранее продумать выбор материала для строительства и способы утепления. Более пористая структура делает газобетон менее теплопроводным, но при этом хрупким. Разные маркировки газобетонных блоков характеризуют их свойства в зависимости от плотности.

Так, теплопроводность газобетона d, d меньше теплопроводности блоков с маркировкой d, d Поэтому первые чаще всего используют в качестве теплоизоляции строений, но из-за хрупкости не применяют в возведении несущих конструкций. Для строительства жилых многоэтажных зданий подойдет более плотный газобетон dd Средний по плотности и изоляционным свойствам блок используют при строительстве одноэтажных зданий.

Выбор материала для стен: газосиликатные блоки

Газобетонные блоки делятся на три вида в зависимости от плотности и теплопроводности: теплоизоляционные D , конструкционно-теплоизоляционные DD и конструкционные D Газобетонные блоки марки D способны выдерживать вес стен высотой в 3 этажа вместе с перекрытиями. При этом предусмотрено обязательное укрепление конструкции армированием. Чтобы повысить энергосберегающую способность дома, построенного из газобетона, можно выбрать более широкую толщину стен. Обычно для жилого помещения толщину внешних конструкций см оптимальна для средней полосы.

Для очень холодных регионов возводят каркас сооружений в два или более слоя, а для хозяйственных построек можно выложить блоки шириной 20 см.

Для утепления жилого помещения из данного материала специалисты рекомендуют применять дополнительную наружную отделку. Если внешние стены оставить незащищенными, то из-за высокой паропроницаемости газобетона со временем теплопроводность таких газобетонных блоков повысится из-за влажности, а изоляционные свойства соответственно снизятся.

Наружный слой утеплителя должен обладать меньшей пароизолирующей способностью и большей теплоизолирующей, чем газобетон и материал внутренней отделки. Для утепления можно применять пенопласт или пенополистирол, в том числе экструдированный, минвату и эковату, а также теплую штукатурку.

А в качестве отделочных материалов используют виниловый или фиброцементный сайдинг, декоративную плитку, штукатурку. Среди других строительных материалов, газобетонные блоки можно сравнить с пеноблоками, деревом, кирпичом.

Пеноблоки похожи на газобетонные, но их плотность несколько выше, а ячейки не открытые, а замкнутые. Из всех представленных, дерево является самым экологичным строительным материалом. Жилье из дерева пропускает воздух, что позволяет создать приятный микроклимат в помещении, но один из главных минусов этого материала — его высокая горючесть.

А если сравнить теплопроводность дерева и газобетона, то первое существенно проигрывает по способности к теплоизоляции. Кирпич же является самым плотным материалом для возведения стен, выдерживает самые низкие морозы и долгие годы эксплуатации.

✪ Корзина:

Но стены из кирпича приходится делать многослойными, поскольку его плотная структура плохо задерживает тепло. Несомненно, при сравнении других строительных материалов с бетонными газоблоками, теплопроводность последних ниже. По такой характеристике, как теплопроводность, а точнее теплоизоляция, газобетон уступает лишь дереву, минеральной вате и пенополистеролу для утепления, поэтому можно сказать, что для возведения наружных стен здания более теплого материала не найти.

В строительной сфере применяются изделия из газосиликата. Процесс производства блоков осуществляется при высоком давлении, а также в естественных условиях. Благодаря пористой структуре они хорошо удерживают тепло.

Как показывает практика, блоки из газобетона очень хорошо зарекомендовали себя как в качестве утеплителя, так и в качестве основного строительного материала. Но, полагаясь на заверения производителя, не стоит забывать, что в зависимости от природных условий места, где используется такой блок, его характеристики способны изменяться. Газобетон, теплопроводность Газобетон и изделия из него получили популярность, благодаря высоким показателям свойств и качеств, одним из которых является теплопроводность.

Материал обладает высокой способностью к сохранению тепла, которая обусловлена особой структурой, составом и технологией производства изделий.

Давайте разберемся: теплопроводность газобетона — отчего конкретно она зависит? Какими преимуществами будет обладать строение, возведенное из данного материала?

И почему тысячи застройщиков, несмотря на высокую конкуренцию, отдают предпочтение именно изделиям из газобетона, опираясь, в первую очередь, на показатель теплопроводности? Газобетон является разновидностью ячеистого бетона, и отличается от схожих стеновых материалов составом сырья и методом порообразования.

Несмотря на схожесть его с аналогами, показатели теплопроводности и иных свойств, иногда существенно отличаются. Для того, чтобы понять, что именно способно оказывать влияние на изменения числовых показателей характеристик, следует рассмотреть предварительно индивидуальные особенности материала.

Характеристики достаточно конкурентные. Однако все они колеблются в определенных пределах и, как уже было сказано, зависят от некоторых условий. В таблице указаны средние и минимальные значения.

Комментарии

Теплопроводность газобетонного блока в 0,09, характерна исключительно для теплоизоляционных изделий в сухом виде. А как она будет изменяться с повышением плотности, мы рассмотрим ниже. Учитывая тему данной статьи, актуальным будет разобраться, какие же существуют виды материала. Ведь теплопроводность газобетонных блоков зависит от многих факторов.

Теплопроводность газосиликатных блоков: коэффициент теплопроводности в таблице

Обратите внимание! Автоклавный газобетон еще также называют газобетоном синтезного твердения. Отличается он тем, что на заключительном этапе производства его обрабатывают в специальном оборудовании — автоклаве, при воздействии высокой температуры и давления.

Как следствие, изделия обладают более высокими характеристиками, в том числе и более качественным соотношением плотности и теплопроводности. Но об этом поговорим позже.

Неавтоклавные изделия, или газобетон гидратационного твердения, достигают технической прочности естественным способом. Требования к нему, в соответствии с ГОСТ, несколько ниже.

Сравним показатели данных видов газобетона при помощи таблицы. Как видно, газобетон синтезного твердения во многом опережает своего конкурента — неавтоклава, и это касается практически всех характеристик. Следует отметить, что цена на последний также значительно ниже, и изготовление его возможно произвести своими руками.

Помимо вышеуказанных классификаций, существуют и иные, связанные с особенностью состава и внешнего вида изделий. Рассмотрим кратко. Категория указывает на возможные геометрические отклонения, максимальные значения которых продиктованы ГОСТ.

Блоки первой категории — самые ровные, отклонения по размеру не должны превышать 1,5 мм.

Химическая реакция при смешивании извести и алюминиевой пудры в цементном растворе происходит с выделением водорода. В процессе автоклавной сушки получают газобетон с равномерно распределенными открытыми ячейками неодинаковой формы. Пористая структура материала определяет его основные физические характеристики: небольшой вес при крупных размерах, паропроницаемость, изоляционные свойства. Низкая теплопроводность газобетона зависит от его плотности. Чем больше воздушных пор в объеме, тем медленнее предается тепловая энергия и дольше сохраняется комфортная атмосфера внутри помещения.

Укладывают их на клей с минимальной толщиной слоя. И заметьте, что для теплотехники стен в целом это оказывает значительное влияние! Блоки третьей категории обычно используются при возведении хозяйственных построек.

Теплопроводность газобетонных блоков

Повышенные отклонения диктуют необходимость возведения стен с использованием раствора со значительно большей толщиной шва. Это увеличивает мостики холода и теплопроводность помещения. Блоки различной категории отличаются между собой только геометрическими отклонениями.

Различий в технических характеристиках существенных нет. Пузырьки размерами от 0,6 до 3 мм равномерно рассредоточиваются по всему материалу. В металлических емкостях или формах протекают основные химические реакции. Смесь подвергается вибрации, способствующей вспучиванию и схватыванию.

После затвердения, все неровности с поверхности снимаются стальной струной. Пласт разделяется на блоки, и затем они отправляются в автоклавную установку.

Конечная калибровка готовых блоков осуществляется фрезерной машиной. Газосиликатные блоки изготавливаются только автоклавным способом. Газобетонные блоки могут изготавливаться как автоклавным, так и неавтоклавным способом естественное затвердение смеси :. Первая разновидность стоит дороже. Это обусловлено значительными затратами на изготовление, а также лучшими техническими характеристиками газосиликатных блоков, произведенных таким методом.

Они значительно прочнее, их коэффициент теплопроводности меньше. Поры внутри такого газосиликата распределены исключительно равномерно, что сказывается на четком соответствии материала заданным параметрам.

Существует несколько классификаций газосиликатных блоков с определенными техническими характеристиками. Сегодня при проведении строительных работ применяют следующие марки этого материала. Оптимальным вариантом для малоэтажного строительства — газосиликатный блок d и газосиликатный блок d Цифровое обозначение марок, перечисленных ранее, показывает плотность материала.

Газосиликатный блок d применяется в строительстве несущих стен дома. Ее также рекомендуется применять при устройстве вентилируемых фасадов, которые хорошо крепятся к блокам такой плотности. Газосиликатный блок d наиболее популярен для малоэтажного до 3-х этажей строительства. Данную разновидность также используют в монолитном строительстве. При возведении дома выше трех этажей следует отдать предпочтение газосиликату с маркировкой выше D и дополнительно утеплить стены.

Данная разновидность применяется для обустройства утепления, для работ с проемами при строительстве многоэтажных зданий монолитным методом. Марка D также популярна в частном строительстве. При высокой прочности он обладает большими теплоизолирующими свойствами.

Марка D может быть использована только как утеплитель. На отечественном рынке это довольно редкая марка, что связано с ее хрупкостью. Прочность находится в пределах 0,,0 Мпа.

Коэффициент теплопроводности блоков из газосиликата

В зависимости от пропорций исходных ингредиентов можно получить продукт с различными эксплуатационными характеристиками. По внешнему виду выделяют несколько конфигураций газосиликатного блока. В основу классификации положено назначение блока. Абсолютно гладкий прямоугольный газосиликатный блок, имеющий выемки для захвата руками.

Теплопроводность — выбранные материалы и газы

Теплопроводность — это свойство материала, которое описывает способность проводить тепло. Теплопроводность может быть определена как

«количество тепла, передаваемого через единицу толщины материала в направлении, нормальном к поверхности единицы площади, за счет градиента единичной температуры в условиях устойчивого состояния»

Теплопроводность единицами являются [Вт / (м · К)] в системе СИ и [БТЕ / (час фут ° F)] в британской системе мер.

См. Также изменения теплопроводности в зависимости от температуры и давления , для: воздуха, аммиака, двуокиси углерода и воды

Теплопроводность для обычных материалов и продуктов:

900 90078 0,1 — 0,22 0,606

Теплопроводность — k — Вт / (м · К)
Материал / вещество	Температура
	25 o C (77 o F)	125 o C (257 o F)	225 o C (437 o F)
	Acetals	0.23
Ацетон	0,16
Ацетилен (газ)	0,018
Акрил	0,2
Воздух, атмосфера (газ)	0,0262	0,0333	0,0398
Воздух, высота над уровнем моря 10000 м	0,020
Агат	10,9
Спирт	0.17
Глинозем	36	26
Алюминий
Алюминий Латунь	121
Оксид алюминия	30
Аммиак (газ)	0,0249	0,0369	0,0528
Сурьма	18,5
Яблоко (85.6% влаги)	0,39
Аргон (газ)	0,016
Асбестоцементная плита 1)	0,744
Асбестоцементные листы 1)	0,166
Асбестоцемент 1)	2,07
Асбест в рыхлой упаковке 1)	0.15
Асбестовая плита 1)	0,14
Асфальт	0,75
Бальсовое дерево	0,048
Битум
Слои битума / войлока	0,5
Говядина постная (влажность 78,9%)	0.43 — 0,48
Бензол	0,16
Бериллий
Висмут	8,1
Битум	0,17
Доменный газ (газ)	0,02
Шкала котла	1,2 — 3,5
Бор	25
Латунь
Бризовый блок	0.10 — 0,20
Кирпич плотный	1,31
Кирпич огневой	0,47
Кирпич изоляционный	0,15
Кирпич обыкновенный (Строительный кирпич )	0,6 -1,0
Кирпичная кладка плотная	1,6
Бром (газ)	0,004
Бронза
Коричневая железная руда	0.58
Масло (содержание влаги 15%)	0,20
Кадмий
Силикат кальция	0,05
Углерод	1,7
Двуокись углерода (газ)	0,0146
Окись углерода	0,0232
Чугун
Целлюлоза, хлопок, древесная масса и регенерированная	0.23
Ацетат целлюлозы, формованный, лист	0,17 — 0,33
Нитрат целлюлозы, целлулоид	0,12 — 0,21
Цемент, Портленд	0,29
Цемент, строительный раствор	1,73
Керамические материалы
Мел	0.09
Древесный уголь	0,084
Хлорированный полиэфир	0,13
Хлор (газ)	0,0081
Хром никелевая сталь	16,3
Хром
Оксид хрома	0,42
Глина, от сухой до влажной	0.15 — 1,8
Глина насыщенная	0,6 — 2,5
Уголь	0,2
Кобальт
Треск (влажность 83% содержание)	0,54
Кокс	0,184
Бетон, легкий	0,1 — 0,3
Бетон, средний	0.4 — 0,7
Бетон, плотный	1,0 — 1,8
Бетон, камень	1,7
Константан	23,3
Медь
Кориан (керамический наполнитель)	1,06
Пробковая плита	0,043
Пробка, повторно гранулированная	0.044
Пробка	0,07
Хлопок	0,04
Вата	0,029
Углеродистая сталь
Утеплитель из шерсти	0,029
Купроникель 30%	30
Алмаз	1000
Диатомовая земля (Sil-o-cel)	0.06
Диатомит	0,12
Дуралий
Земля, сухая	1,5
Эбонит	0,17					11,6
Моторное масло	0,15
Этан (газ)	0.018
Эфир	0,14
Этилен (газ)	0,017
Эпоксидный	0,35
Этиленгликоль	0,25
Перья	0,034
Войлок	0,04
Стекловолокно	0.04
Волокнистая изоляционная плита	0,048
Древесноволокнистая плита	0,2
Огнеупорный кирпич 500 o C	1,4
Фтор (газ)	0,0254
Пеностекло	0,045
Дихлордифторметан R-12 (газ)	0.007
Дихлордифторметан R-12 (жидкость)	0,09
Бензин	0,15
Стекло	1,05
Стекло, Жемчуг, жемчуг	0,18
Стекло, жемчуг, насыщенное	0,76
Стекло, окно	0.96
Стекло-вата Изоляция	0,04
Глицерин	0,28
Золото
Гранит	1,7 — 4,0
Графит	168
Гравий	0,7
Земля или почва, очень влажная зона	1.4
Земля или почва, влажная зона	1,0
Земля или почва, сухая зона	0,5
Земля или почва, очень сухая зона	0,33
Гипсокартон	0,17
Волос	0,05
ДВП высокой плотности	0.15
Твердая древесина (дуб, клен ..)	0,16
Hastelloy C	12
Гелий (газ)	0,142
Мед ( 12,6% влажности)	0,5
Соляная кислота (газ)	0,013
Водород (газ)	0,168
Сероводород (газ)	0.013
Лед (0 o C, 32 o F)	2,18
Инконель	15
Чугун	47-58
Изоляционные материалы	0,035 — 0,16
Йод	0,44
Иридий	147
Железо
Оксид железа	0 .58
Капок изоляция	0,034
Керосин	0,15
Криптон (газ)	0,0088
Свинец
Свинец
, сухой	0,14
Известняк	1,26 — 1,33
Литий
Магнезиальная изоляция (85%)	0.07
Магнезит	4,15
Магний
Магниевый сплав	70-145
Мрамор	2,08 — 2,94
Ртуть, жидкость
Метан (газ)	0,030
Метанол	0.21
Слюда	0,71
Молоко	0,53
Изоляционные материалы из минеральной ваты, шерстяные одеяла ..	0,04
Молибден
Монель
Неон (газ)	0,046
Неопрен	0.05
Никель
Оксид азота (газ)	0,0238
Азот (газ)	0,024
Закись азота (газ)	0,0151
Нейлон 6, Нейлон 6/6	0,25
Масло машинное смазочное SAE 50	0,15
Оливковое масло	0.17
Кислород (газ)	0,024
Палладий	70,9
Бумага	0,05
Парафиновый воск	0,25
Торф	0,08
Перлит, атмосферное давление	0,031
Перлит, вакуум	0.00137
Фенольные литые смолы	0,15
Формовочные смеси фенолформальдегид	0,13 — 0,25
Фосфорбронза	110			Pinchbe20 159
Шаг	0,13
Карьерный уголь	0.24
Гипс светлый	0,2
Гипс, металлическая планка	0,47
Гипс песочный	0,71
Гипс, деревянная планка	0,28
Пластилин	0,65 — 0,8
Пластмассы вспененные (изоляционные материалы)	0.03
Платина
Плутоний
Фанера	0,13
Поликарбонат	0,19
Полиэстер
Полиэтилен низкой плотности, PEL	0,33
Полиэтилен высокой плотности, PEH	0.42 — 0,51
Полиизопреновый каучук	0,13
Полиизопреновый каучук	0,16
Полиметилметакрилат	0,17 — 0,25
Полипропилен
Полистирол вспененный	0,03
Полистирол	0.043
Пенополиуретан	0,03
Фарфор	1,5
Калий	1
Картофель, сырая мякоть	0,55
			Пропан (газ)	0,015
Политетрафторэтилен (ПТФЭ)	0,25
Поливинилхлорид, ПВХ	0.19
Стекло Pyrex	1,005
Кварц минеральный	3
Радон (газ)	0,0033
Красный металл
Рений
Родий
Порода, твердая	2-7
Порода, пористая вулканическая (туф)	0.5 — 2,5
Изоляция из каменной ваты	0,045
Канифоль	0,32
Резина, ячеистая	0,045
Резина натуральная	0,13
Рубидий
Лосось (влажность 73%)	0,50
Песок сухой	0.15 — 0,25
Песок влажный	0,25 — 2
Песок насыщенный	2-4
Песчаник	1,7
Опилки	0,08
Селен
Овечья шерсть	0,039
Аэрогель кремнезема	0.02
Кремниевая литая смола	0,15 — 0,32
Карбид кремния	120
Кремниевое масло	0,1
Серебро
Шлаковая вата	0,042
Сланец	2,01
Снег (температура <0 o C)	0.05 — 0,25
Натрий
Хвойные породы (пихта, сосна ..)	0,12
Почва, глина	1,1
Почва, с органическими вещество	0,15 — 2
Грунт насыщенный	0,6 — 4
Припой 50-50	50
Сажа	0.07
Насыщенный пар	0,0184
Пар низкого давления	0,0188
Стеатит	2
Сталь углеродистая
Сталь, нержавеющая сталь
Изоляция соломенной плиты, сжатая	0,09
Пенополистирол	0.033
Диоксид серы (газ)	0,0086
Сера кристаллическая	0,2
Сахара	0,087 — 0,22
Тантал
Смола	0,19
Теллур	4,9
Торий
Древесина, ольха	0.17
Лес, ясень	0,16
Лес, береза ​​	0,14
Лес, лиственница	0,12
Лес, клен	0,16
Древесина дубовая	0,17
Древесина осина	0,14
Древесина оспа	0.19
Древесина, бук красный	0,14
Древесина, сосна красная	0,15
Древесина, сосна белая	0,15
Древесина ореха	0,15
Олово
Титан
Вольфрам
Уран
Пенополиуретан	0.021
Вакуум	0
Гранулы вермикулита	0,065
Виниловый эфир	0,25
Вода, пар (пар)		0,0267	0,0359
Пшеничная мука	0.45
Белый металл	35-70
Древесина поперек волокон, белая сосна	0,12
Древесина поперек волокон, бальза	0,055
Древесина поперек волокон, сосна желтая, древесина	0,147
Дерево, дуб	0,17
Шерсть, войлок	0.07
Древесная вата, плита	0,1 — 0,15
Ксенон (газ)	0,0051
Цинк

¹⁾ Асбест плохо для здоровья человека, когда крошечные абразивные волокна попадают в легкие, где они могут повредить легочную ткань. Это, по-видимому, усугубляется курением сигарет, в результате чего возникают мезотелиома и рак легких.

Пример — кондуктивная теплопередача через алюминиевый бак по сравнению с баком из нержавеющей стали

Кондуктивная теплопередача через стенку ванны может быть рассчитана как

q = (k / s) A dT (1)

или, альтернативно,

q / A = (к / с) dT

, где

q = теплопередача (Вт, БТЕ / ч)

A = площадь поверхности (м ² , фут ² )

q / A = теплопередача на единицу площади (Вт / м ² , БТЕ / (ч фут ² ))

k = теплопроводность ( Вт / мК, БТЕ / (час фут ° F) )

dT = t ₁ — t ₂ = разница температур ( ^o C, ^o F)

с = толщина стены (м, фут)
9000 5

Калькулятор теплопроводности

k = теплопроводность (Вт / мК, БТЕ / (час фут ° F) )

s = толщина стенки (м, фут)

A = площадь поверхности (м ² , футы ² )

dT = t ₁ — t ₂ = разница температур ( ^o C, ^o F)

Примечание! — общая теплопередача через поверхность определяется « общим коэффициентом теплопередачи », который в дополнение к кондуктивной теплопередаче зависит от

Кондуктивная теплопередача через алюминиевую стенку горшка толщиной 2 мм — разность температур 80

^o C

Теплопроводность алюминия составляет 215 Вт / (м · К) (из таблицы выше).Кондуктивная теплопередача на единицу площади может быть рассчитана как

q / A = [(215 Вт / (м · K)) / (2 10 ^-3 м)] (80 ^o C)

= 8600000 (Вт / м ² )

= 8600 (кВт / м ² )

Кондуктивная теплопередача через стенку емкости из нержавеющей стали толщиной 2 мм — разница температур 80

^o C

Теплопроводность нержавеющей стали составляет 17 Вт / (м · К) (из таблицы выше).Кондуктивная теплопередача на единицу площади может быть рассчитана как

q / A = [(17 Вт / (м · K)) / (2 10 ^-3 м) ] (80 ^o C)

= 680000 (Вт / м ² )

= 680 (кВт / м ² )

Газосиликатные блоки. Газосиликатные блоки — отличное… | Валентин Фролов

Газосиликатные блоки — отличный материал для возведения стен домов, зданий и сооружений.Газосиликатные блоки обладают уникальными свойствами: негорючестью (пожаробезопасностью), хорошей звуко- и теплоизоляцией, малым весом и высокой прочностью. Такой набор характеристик достигнут за счет особого макияжа и технологии изготовления материала. Смесь воды, извести, алюминиевой пудры и кварцевого песка дает прочный и изменчивый блок.

Газосиликатные блоки обладают высокими теплоизоляционными характеристиками за счет большого количества не связанных между собой ячеек. Теплопроводность силикатных блоков в 3 раза ниже, чем у кирпича.

Еще одна отличительная черта силикатных блоков — это экологичность материала, а именно способность проводить угарный газ, углекислый газ и пар.

Благодаря относительно небольшому удельному весу нагрузка на фундамент значительно снижается, что существенно снижает затраты. Теплоаккумулирующие свойства газосиликатных блоков повышают комфорт в зданиях и позволяют существенно сэкономить на отоплении. Благодаря тому, что газосиликатные блоки имеют меньшую удельную массу, чем другие строительные материалы, значительно снижаются транспортные расходы.Экономия достигается при его изготовлении, транспортировке, строительстве и эксплуатации зданий.

Малый вес газосиликатных блоков из ячеистого бетона позволяет снизить общий вес строительных конструкций, что в конечном итоге приводит к значительной экономии не только на стоимости стеновых материалов, но и на стоимости других конструктивных элементов здания. . Затраты на оплату труда при блочных работах из газосиликатных блоков в 2–3 раза ниже, чем при возведении зданий из других материалов.

При использовании технологии строительства из газосиликатных блоков практически нет мусора. Сам строительный блок сделан из пенобетона, который можно распилить обычной ножовкой; Это означает, что даже самые сложные изгибы внутренних стен вашего дома не потребуют много времени и денег на возведение.

технические характеристики. Размеры, отзывы и цены

Газосиликатные блоки, технические характеристики которых сегодня будут представлены в статье, достаточно распространены.Это связано с тем, что этот ячеистый бетон имеет небольшой вес и отличное качество.

Состав газосиликатного

При производстве указанных продуктов используется портландцемент высокого качества, ингредиенты которого должны содержать силикат кальция в объеме, равном ½ от общей массы. Помимо прочего, в смесь добавляют песок, в котором есть кварц (85% и более). Тогда как ила и глины в этом компоненте должно быть не более 2%. В процессе производства также добавляется кипящая известь, скорость закалки которой составляет около 5-15 минут, но оксид кальция и магния должен составлять около 70% или более.Продукция имеет в своем составе и газогенератор, который изготовлен из алюминиевой пудры. Бывают в блоках и жидкости, а также сульфанол С.

Блоки газосиликатные, цена которых будет указана ниже, могут изготавливаться как с автоклавом, так и без него. Первый способ производства позволяет формировать блоки, прочность которых намного выше, их усадка также не настолько впечатляющая, чтобы ее оценили потребители.

Изделия, изготовленные с использованием автоклава, но не прошедшие стадию сушки, имеют в 5 раз более внушительную усадку по сравнению с блоками, которые сушат в автоклаве, к тому же у них не такая внушительная прочность, но они дешевле.

Автоклавный способ производства применяется, как правило, на крупных предприятиях, это связано с тем, что этот способ является технологичным и предполагает затраты больших количеств энергии. Блоки в производственном процессе проходят стадию пропаривания при температуре 200 ⁰ C, тогда как давление достигает 1,2 МПа. Производители меняют соотношение ингредиентов, входящих в смесь, что позволяет изменять характеристики материала. Например, с увеличением объема цемента прочность блока будет увеличиваться, но уменьшится пористость, что в результате отразится на тепловых характеристиках, а теплопроводность значительно возрастет.

Технические условия

Газосиликатные блоки, технические характеристики которых предпочтительнее учитывать перед приобретением, делятся на типы по плотности. В зависимости от этого показателя блоки могут быть конструкционными, теплоизоляционными и конструктивными теплоизоляционными. Конструкционные изделия — это те, у которых плотность обозначена маркой D700, но не меньше. Эти изделия используются при возведении несущих стен в зданиях, высота которых не превышает 3 этажей.Конструкционные изоляционные материалы имеют плотность в пределах D500-D700. Этот материал отлично подходит для возведения межкомнатных перегородок и стен зданий, высота которых не превышает 2 этажей.

Теплоизоляционные блоки газосиликатные, технические характеристики которых важно знать перед использованием их в возведении стен, обладают достаточно внушительной пористостью, это свидетельствует об их самой низкой прочности. Их плотность равна пределу D400, они используются как материал, способный улучшить тепловые характеристики стен, построенных из менее энергоэффективных материалов.

Теплопроводность

По теплопроводности газосиликат имеет довольно впечатляющие характеристики. Теплопроводность напрямую зависит от плотности. Так, газ-карбонат марки Д400 и ниже имеет теплопроводность 0,08-0,10 Вт / м ° С. Что касается агрегатов марки Д500-Д700, то упомянутый показатель для них составляет от 0,12 до 0,18 Вт / м ° С. Блоки марки Д700 и выше обладают теплопроводностью в пределах 0,18-0,20 Вт / м ° С.

Морозостойкость

Блоки газосиликатные, технические характеристики которых обязательно следует узнать перед покупкой, они также обладают определенными качествами. морозостойкости, которые зависят от количества пор.Таким образом, различные блоки на основе газосиликата способны выдерживать порядка 15-35 циклов замораживания-оттаивания. Однако технический прогресс не стоит на месте, и некоторые предприятия научились выпускать агрегаты, которые могут проходить такие циклы до 50, 75 и даже 100 раз, что очень привлекательно, как и вес газосиликатного агрегата. Но если вы приобретаете продукцию, которая была произведена по ГОСТ 25485-89, то при строительстве дома нужно ориентироваться на показатель хладостойкости марки Д500, равный 35 циклам.

Размеры и вес блоков

Перед тем, как приступить к возведению стен из газосиликатных блоков, необходимо знать, какие размеры могут иметь изделия. Как правило, в продаже представлены блоки размером 600x200x300, 600x100x300, 500x200x300, 250x400x600 и 250x250x600 мм, но это далеко не полный список.

Масса блока зависит от плотности. Так, если на блоке стоит марка D700, а его размеры находятся в пределах 600х200х300 мм, то вес блока будет варьироваться от 20 до 40 кг.А вот марка блока D700 с размерами в пределах 600x100x300 мм имеет вес, эквивалентный 10-16 кг. Блоки плотностью от D500 до D600 и размерами 600х200х300 мм весят от 17 до 30 кг. Для плотности газосиликата Д500-Д600 и его габаритов в блоке 600х100х300 мм вес будет равен 9-13 кг. При плотности D400 и габаритах 600х200х300 мм масса составит 14-21 кг. Марка газосиликата Д400, заключенная в габариты 600х100х300 мм, будет весить примерно 5-10 кг.

Положительная сторона газосиликатного блока

Зная толщину газосиликатного блока, Вы можете узнать о других его характеристиках, включая положительные и отрицательные стороны. Среди преимуществ — небольшой вес, а также прочность, достаточная для малоэтажного строительства. Кроме того, эти изделия обладают отличными теплосберегающими качествами. Шум через такие стены плохо проходит, а стоимость изделий при этом остается доступной. Блоки не горят.Строить из газосиликатных блоков можно на основе специальных клеев, позволяющих получить шов минимальной толщины.

Отрицательные качества

Учитывая минусы газосиликатных блоков, можно выделить необходимость внешней отделки, повышающей эстетичность стен. Блоки не так привлекательны, когда потребитель узнает об их гигроскопичности. А до начала строительства потребуется прочный фундамент.

Цена блоков

Газосиликатные блоки, цена которых может меняться в зависимости от размеров, допустимо укладывать самостоятельно.Их вес не предполагает использования специального оборудования. Таким образом, если блок будет иметь размер в пределах 600х100х300 мм, то его стоимость за единицу будет равна 1,8–1,9 долларов.

Газовая теплопроводность — обзор

8.6.3 Нано изоляционные материалы

Развитие от VIP к нано изоляционным материалам (NIM) показано на рис. 8.10. В NIM размер пор внутри материала уменьшается ниже определенного уровня (т.е. 40 нм или ниже для воздуха), чтобы достичь общей теплопроводности менее 4 мВт / (м · К) в исходном состоянии.То есть NIM в основном представляет собой гомогенный материал с закрытой или открытой структурой с небольшими нанопористыми порами с общей теплопроводностью менее 4 мВт / (м · К) в исходном состоянии.

Рисунок 8.10. Развитие от вакуумных изоляционных панелей к наноизоляционным материалам (Jelle et al., 2010a).

Сеточная структура в NIM, в отличие от VIM и GIM, не должна предотвращать проникновение воздуха и влаги в их пористую структуру в течение срока их службы в течение как минимум 100 лет. NIM достигают своей низкой теплопроводности без создания вакуума в порах за счет использования эффекта Кнудсена.Теплопроводность газа λ _gas , включая взаимодействие газа и стенки поры, с учетом эффекта Кнудсена, может быть упрощенно записана как (Baetens et al., 2010a; Bouquerel et al., 2012; Jelle , 2011a; Jelle et al., 2010a; Kaganer, 1969):

[8.2] λgas = λgas, 01 + 2βKn = λgas, 01 + 2βkBTπd2pδ

, где

[8.3] Kn = σсредн δ = kBT2πd2pδ

λ _газ — теплопроводность газа в порах, включая взаимодействие газа и стенки поры (Вт / (мК)), λ _{газ, 0} — теплопроводность газа в порах при стандартной температуре и давлении ( Вт / (мК)), β — коэффициент, характеризующий эффективность передачи энергии столкновения молекулы со стенкой (in) (между 1.5 и 2.0), k _B — постоянная Больцмана ≈1,38 · 10 ⁻²³ Дж / K, T — температура (K), d — диаметр столкновения молекул газа (м), p — давление газа в порах (Па), δ — характерный диаметр пор (м), а σ _{среднее значение} — длина свободного пробега молекул газа (м).

Уменьшение размера пор в материале ниже определенного уровня (т.е. диаметра пор порядка 40 нм или ниже для воздуха), теплопроводность газа и, следовательно, общая теплопроводность становится очень низкой (<4 мВт / (мК) с адекватной твердотельной структурой с низкой проводимостью) даже с порами, заполненными воздухом.Это вызвано эффектом Кнудсена, когда длина свободного пробега молекул газа больше диаметра поры. То есть молекула газа, расположенная внутри поры, ударится о стенку поры, а не другую молекулу газа, где о взаимодействии твердого тела и газа заботится коэффициент β в формуле. [8.2]. Следовательно, результирующая теплопроводность газа λ _газа , включая взаимодействие газа и стенки поры, в зависимости от диаметра поры и давления порового газа, может быть рассчитана в этой упрощенной модели и изображена на рис.8.11. Для получения дополнительных сведений см. Работу Baetens et al. (2010a) и Jelle et al. (2010a).

Рисунок 8.11. Теплопроводность газа и (вверху) 2D-график, изображающий влияние диаметра пор для воздуха, аргона, криптона и ксенона, и (внизу) 3D-график, изображающий влияние диаметра пор и давления газа в порах для воздуха (Jelle et al. др., 2010а).

Соотношение Стефана – Больцмана может быть применено, чтобы показать, что радиационная теплопроводность линейно уменьшается с уменьшением диаметра поры, причем коэффициент излучения внутренних стенок поры определяет наклон уменьшения.То есть, чем меньше поры и ниже коэффициент излучения, тем ниже будет теплопроводность излучения. Однако в различных работах (например, Joulain et al., 2005; Mulet et al., 2002; Zhang, 2007) описывается большое увеличение теплового излучения, когда диаметр пор уменьшается ниже длины волны теплового (инфракрасного) излучения (например, , 10 мкм), где важную роль может играть туннелирование затухающих волн (эффекты излучения ближнего поля). Работа Mulet et al. (2002) и Joulain et al.(2005) указывают, что сильное тепловое излучение сосредоточено только вокруг определенной длины волны (или нескольких). То есть это может означать, что полное тепловое излучение, интегрированное по всем длинам волн, не так уж велико. Насколько это действительно влияет на общую (общую) теплопроводность, на данный момент полностью не известно, хотя предполагается, что она, по крайней мере, довольно умеренная. Тем не менее, эти темы в настоящее время рассматриваются в текущих исследованиях. Исследование Jelle et al.(2010a) более подробно рассматривает эти вопросы теплового излучения.

Проводимость решетки твердого тела в NIM должна быть как можно более низкой, чтобы получить минимально возможную общую теплопроводность. Если твердотельная решетка с низкой проводимостью и низкая теплопроводность газа будут достигнуты и все еще будут доминировать в теплопередаче (то есть больше, чем часть теплового излучения), тогда NIM могут стать высокоэффективным теплоизоляционным материалом будущего.

(PDF) Теплопроводность композитов на основе пористого силиката кальция, армированного волокном, на основе гидрата

Grunewald, J.(1999). Разработка и новая методология анализа долговечности фасадных систем

Ремонт и модернизация. Заключительный отчет Задача 5. Полная документация программы численного моделирования

DIM3.1, Дрезден.

Ханнант, Д. Дж. (1978). Фиброцементы и фибробетоны, John Wiley and Sons, Чичестер.

ISO 10051: 1996: Теплоизоляция — Влияние влаги на теплопередачу — Определение

Коэффициент теплопроводности влажного материала.

Кларсфельд, С.(1984). Метод защищенной горячей пластины для измерения теплопроводности, In:

Maglic, K.D., Cezairliyan A. and Peletsky, V.E. (ред.), Сборник теплофизических методов измерения свойств

, Обзор методов измерения, Vol. 1. С. 169–230.

Plenum Press, Лондон, Нью-Йорк.

Korontha

´leova

´, O. and Matias

ovsky´, P. (2001). Стационарные измерения влажности

Зависимость теплопроводности капиллярно-пористых материалов, In:

Thermophysics’2001, Proceedings of the Meeting of the Termophysical Society Working

Group of the Slovak Physical Society.ЦП Нитра 2001, стр. 55–62.

Кумаран, М. К. (1996). Тепло, воздух и влагообмен в изолированных деталях с оболочкой. Заключительный отчет

. Задача 3: Свойства материала, Приложение 24 МЭА, К.У. Левен.

Мангат П.С., Азари М.М. (1988). Усадка цементных композитов, армированных стальным волокном,

Материалы и конструкции, 21: 163–171.

Мэн Б. (1994). Характеристики взаимосвязанных поровых систем в зависимости от разрешения:

Разработка и пригодность нового метода, материалы и структуры, 27: 63–70.

Морлье П. и Хенфер М.М. (1991). Effet de la longeur des fibres sur les propriete

´s

me

´caniques des ciments renforcce

´s de fiber cellulosiques, Materials and Structures,

24: 185–190.

Рудч С. (2000). Измерения теплопроводности для разделения тепла и массы

Диффузия во влажных пористых материалах, высокие температуры – высокие давления, 32: 445–451.

Си, Ю. и Дженнингс, Х.М. (1997). Усадка цементной пасты и бетона, моделируемая многомасштабной эффективной однородной теорией

, материалы и конструкции, 30: 329–339.

Теплопроводность композитов силиката кальция 89

+ [30.5.2003–10: 22am] [71–90] [Страница № 89] ПЕРЕСМОТРЕННЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА I: /Sage/Jen/Jen27-1/JEN-32808.3d ( JEN) Документ: JEN-32808 Keyword

в Словацкой академии наук 13 мая 2011 г. jen.sagepub.com Загружено с сайта

Измерения теплопроводности и моделирование изоляционных материалов из керамического волокна (Журнальная статья)

Хедли, Александр Дж., Хилман, Майкл Б., Роббинс, Арон С., Пиекос, Эдвард С., Стирруп, Эмили К. и Робертс, Кристин К. Измерения теплопроводности и моделирование изоляционных материалов из керамического волокна . США: Н. п., 2019. Интернет. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2018.10.060.

Хедли, Александр Дж., Хайлман, Майкл Б., Роббинс, Арон С., Пиекос, Эдвард С., Стирруп, Эмили К. и Робертс, Кристин К. Измерение теплопроводности и моделирование изоляционных материалов из керамического волокна . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.10.060

Хедли, Александр Дж., Хайлман, Майкл Б., Роббинс, Арон С., Пиекос, Эдвард С., Стирруп, Эмили К. и Робертс, Кристин С. Пт. «Измерение теплопроводности и моделирование изоляционных материалов из керамического волокна».Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.10.060. https://www.osti.gov/servlets/purl/1485821.

@article {osti_1485821,
title = {Измерение теплопроводности и моделирование изоляционных материалов из керамического волокна},
автор = {Хедли, Александр Дж. и Хайлман, Майкл Б. и Роббинс, Арон С. и Пиекос, Эдвард С.and Stirrup, Emily K. and Roberts, Christine C.},
abstractNote = {Изоляционные материалы из керамического волокна используются во многих приложениях (например, в аэрокосмической, противопожарной и военной) из-за их стабильности и производительности в экстремальных условиях. Однако термические свойства этих материалов не были полностью охарактеризованы для многих условий, которым они будут подвергаться, таких как высокие температуры, давления и альтернативные газовые атмосферы. Возникающая в результате неопределенность свойств материала может усложнить проектирование систем, в которых используются эти материалы.В этом исследовании теплопроводность двух изоляционных материалов из керамического волокна, ламината Fiberfrax T-30LR и бумаги 970-H, была измерена как функция температуры окружающей среды и сжатия в воздушной среде с использованием метода источника переходной плоскости. Кроме того, вводится модель для учета изменений теплопроводности в зависимости от температуры, сжатия и окружающего газа. Модель была настроена на собранные экспериментальные данные, и результаты сравниваются. Наконец, настроенная модель также сравнивается с опубликованными наборами данных, полученными в средах аргона, гелия и водорода, и обсуждается согласие.},
doi = {10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2018.10.060},
url = {https://www.osti.gov/biblio/1485821}, journal = {Международный журнал тепломассообмена},
issn = {0017-9310},
число = C,
объем = 129,
place = {United States},
год = {2019},
месяц = ​​{2}
}

аэрогелей в аэрокосмической отрасли: обзор

Аэрогели представляют собой высокопористые структуры, полученные с помощью золь-гель процесса и технологии сверхкритической сушки.Среди классов аэрогелей кремнеземный аэрогель демонстрирует самые замечательные физические свойства, обладая более низкими плотностью, теплопроводностью, показателем преломления и диэлектрической проницаемостью, чем любые твердые тела. Его акустические свойства таковы, что он может поглощать звуковые волны, снижая скорость до 100 м / с по сравнению с 332 м / с для воздуха. Однако когда дело доходит до коммерциализации, результат оказывается не таким, как ожидалось. Похоже, массовое производство, особенно в аэрокосмической отрасли, отстает. В этой статье освещается эволюция аэрогелей в целом и обсуждаются функции и значение кремнеземного аэрогеля в предыдущих применениях в космонавтике.Будущие космические приложения были предложены в соответствии с текущим направлением исследований. Наконец, применение обычного кремнеземного аэрогеля в аэронавтике оспаривается альтернативой, известной как Maerogel.

1. Введение

Аэрогели — это легкие нанопористые материалы, состоящие из сети с открытыми ячейками с множеством исключительных характеристик, которые интригуют интуицию ученых в различных областях науки и техники. Диапазон их применений практически безграничен, они прослеживаются в различных областях, таких как тепловая и акустическая изоляция, поглощение кинетической энергии, электроника, оптика, химия и биомедицина среди других [1–5].В пределах классов аэрогелей кремнеземный аэрогель, который представляет собой пористую наноструктурированную форму диоксида кремния, проявляет самые удивительные свойства, такие как низкая теплопроводность (0,015 Вт / м · К), низкая насыпная плотность (0,1 г / см ³ ), оптические характеристики. прозрачность в видимом спектре (99%), высокая удельная поверхность (1000 м ² / г), низкая диэлектрическая проницаемость (1,0-2,0), низкий показатель преломления (1,05), низкая скорость звука (100 м / с), и гидрофобность [6–8]. Такое уникальное сочетание характеристик обусловлено их микроструктурой, состоящей из пор нанометрового размера.

За последние два десятилетия было опубликовано значительное количество статей, показывающих не только энтузиазм, но и научное понимание этих наноструктур. Сегодня одним из наиболее актуальных направлений является моделирование термического поведения силикатного аэрогеля на основе гранул и волокон и его композитов [9–13]. Несмотря на все эти усилия, аэрогель кремнезема применялся только в научных целях в аэрокосмической промышленности. НАСА провело множество астронавтических миссий с использованием этого типа аэрогеля в качестве сверхскоростного улавливателя частиц и теплоизолятора.Мир авиации, как гражданской, так и военной, также может быть многообещающей рыночной нишей. Например, в связи с постоянно растущим потреблением энергии и быстро растущим интересом правительств всего мира к возобновляемым источникам энергии, требуются теплоизоляционные материалы с высокими эксплуатационными характеристиками.

Почему аэрогель кремнезема не выбран в качестве кандидата для решения этой проблемы? Почему заявки в этом секторе остаются нереализованными? Насколько известно авторам, нет доступной литературы, в которой обсуждались бы потенциальные применения кремнеземистого аэрогеля в аэрокосмическом секторе с точки зрения коммерциализации.В этой статье освещается эволюция аэрогелей в целом и обсуждаются функции и значение кремнеземного аэрогеля в предыдущих применениях в космонавтике. Будущие космические приложения были предложены в соответствии с текущим направлением исследований. Наконец, применение обычного кремнеземного аэрогеля в аэронавтике оспаривается альтернативой, известной как Maerogel.

2. Эволюция аэрогелей

Аэрогель, получивший прозвище «синий дым» или «замороженный дым» из-за его облачности (см. Рис. 1), при этом полагая, что это недавнее изобретение нанотехнологии из-за особенностей его наноструктуры. На самом деле это давно забытый материал, разработанный Сэмюэлем Стивенсом Кистлером во время его учебы в Тихоокеанском колледже в Стоктоне, Калифорния, США.В 1931 году он сделал свою первую публикацию об аэрогелях в природе [14], в которой он охарактеризовал аэрогель как гель, в котором жидкая фаза заменена газом таким образом, что твердая сетка сохраняется лишь с небольшим или нет усадки в геле. Успех этого процесса был основан на одном жизненно важном этапе нагрева гелевой системы в автоклаве выше критических температур и давлений жидкой фазы геля, который известен как сверхкритическая сушка. Полученной сверхкритической жидкости позволили уйти, оставив после себя высокопористый материал с чрезвычайно низкой плотностью.

Первым аэрогелем, изготовленным Кистлером, был аэрогель кремнезема с использованием силиката натрия (жидкое стекло) в качестве предшественника кремнезема. Со временем он синтезировал аэрогели органических и оксидов металлов из оксида алюминия, оксида вольфрама, оксида железа, оксида олова, тартрата никеля, целлюлозы, нитроцеллюлозы, желатина, агара, яичного белка и каучука [15]. Он также расширил свои исследования физических свойств кремнеземного аэрогеля, сделав упор на его структуру, плотность и теплопроводность путем изменения механического давления и наполняющих газов, таких как воздух, диоксид углерода и хлорфторуглерод [16].

В результате аэрогель кремнезема был идентифицирован как твердое тело с самой низкой теплопроводностью при атмосферном давлении [18]. В 1950-х годах один из патентов Кистлера был передан Monsanto Corporation на крупномасштабное производство кремнеземных аэрогелей для таких применений, как загустители и термоматериалы под торговой маркой Santocel [19]. Позже он запатентовал первые гидрофобные аэрогели кремнезема, полученные силилированием трихлорметилсиланом для получения водоотталкивающих веществ [20]. Неожиданно проект Масанто подошел к концу, прекратив все производство с внедрением относительно дешевого процесса коллоидного кремнезема с использованием тетрахлорида в 1960-х годах.С тех пор аэрогели не интересовались из-за утомительных и трудоемких процедур, связанных с синтезом аэрогелей, и высокой стоимости производства.

Следовательно, коммерциализация отставала на долгое время, пока в 1968 году группа исследователей во Франции под руководством Тейхнера и Николоана не сформулировала более простой препарат, применив золь-гель химию к препарату кремнеземного аэрогеля, тем самым заменив жидкое стекло, используемое Кистлером, на тетраметилортосиликат. (TMOS), алкоксисилан, который затем удаляли в сверхкритических условиях [21].Аэрогели диоксида кремния (SiO ₂ ), оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ), диоксида титана (TiO ₂ ), диоксида циркония (ZrO ₂ ), оксида магния (MgO) и комбинаций ZrO _{2 Были произведены} -MgO, Al ₂ O ₃ -MgO и TiO ₂ -MgO. При использовании этого метода было обнаружено, что эти оксиды аэрогеля демонстрируют более высокие значения с точки зрения текстурных характеристик по сравнению с оксидами, полученными с помощью оригинального метода. Площадь поверхности также была больше, чем у соответствующих аэрогелей из чистых оксидов [22].Это достижение вызвало новую революцию в мире науки и технологий, которая привела к интенсивным исследованиям этого наноразмерного материала. Первым научным применением аэрогелей стал детектор черенковского излучения, разработанный Кантином и др. в 1974 году. Впоследствии началось массовое производство и было произведено несколько кубометров монолитных высокопрозрачных плиток кремнеземного аэрогеля для оснащения черенковского детектора ТАССО [23].

Первый завод по производству блоков кремнеземного аэрогеля с использованием TMOS был основан в Швеции, но был разрушен взрывом из-за утечки в автоклаве в присутствии метанола в 1984 году.Завод был реконструирован и в настоящее время эксплуатируется Airglass Corporation [24]. Из-за его токсичности TMOS пришлось заменить. Вскоре Тевари и Хант из Беркли обнаружили, что тетраэтилортосиликат (TEOS) является более безопасным реагентом, который не влияет на качество аэрогелей [25]. Но для массового производства этот процесс еще не был безопасным. Хант продолжил поиск улучшений и пришел к идее заменить спирт в геле жидким диоксидом углерода перед сверхкритической сушкой, потому что CO ₂ легко воспламеняется и требует более низкой температуры и давления, чтобы стать сверхкритическим [26].Это снизит риски любых опасностей и повысит энергоэффективность, что приведет к снижению стоимости производства. В то же время компания BASF в Германии заявила о разработке другого маршрута замены CO ₂ через силикат натрия. Они продавали продукт как Basogel до 1996 года [4].

В 1987 году введение гелиевой пикнометрии для измерения скелетной плотности аэрогелей позволило получить данные, согласно которым плотность изменяется в зависимости от концентрации растворителя, pH и термообработки для уплотнения [27].В конце 80-х Пекала из LLNL расширил классы аэрогелей, разработав органические и углеродные аэрогели из органического полимера, резорцин-формальдегида (RF), используя золь-гель метод [28]. Тиллотсон и Хрубеш разработали монолиты прозрачного аэрогеля кремнезема с самой низкой плотностью, 0,003 г / см ³ , и пористостью до 99,8%, используя двухступенчатый кислотно-основной процесс, который включал замещение спирта апротонным растворителем. путем перегонки, вызывая гелеобразование [29]. Это было первое достижение аэрогеля в 90-х годах.

С тех пор НАСА использует плитки этих аэрогелей для исследования космоса. Позже было обнаружено, что при нагревании RF-аэрогеля до температур в несколько сотен градусов Цельсия в инертной атмосфере (такой как азот или аргон) полимер, из которого состоит аэрогель, обезвоживается, оставляя аэрогель из углерода. В отличие от кремнеземного аэрогеля, углеродный аэрогель является проводником электричества. Он был назван аэроконденсатором и охарактеризован как «двойной электрохимический конденсатор с высокой плотностью мощности и высокой плотностью энергии» [30, 31].

Другим ключевым достижением стал метод субкритической сушки, который был разработан для производства кремнеземных аэрогелей низкой плотности для теплоизоляции [32]. Метод включал в себя серию стадий старения и химической модификации пор, чтобы предотвратить резкую усадку геля во время быстрой сушки при атмосферном давлении. Плотность варьируется от 0,15 до 0,3 г / см ³ с теплопроводностью 0,02 Вт / мК в атмосферных условиях. Prakash et al. расширил метод сушки при атмосферном давлении (APD) для дальнейшего снижения стоимости производства диоксида кремния.Был использован простой процесс нанесения покрытия погружением, состоящий из модификации поверхности, вызывающей обратимую усадку при высыхании [33]. Прекурсором было жидкое стекло из-за его низкой стоимости и негорючести. Было обнаружено, что полученный аэрогель имел плотность и пористость, сопоставимую с таковыми при использовании способа сушки в сверхкритическом состоянии. С тех пор было опубликовано множество статей, от синтеза до физических свойств кремнеземного аэрогеля с использованием метода APD, что указывает на его преимущества. Однако путь меняется, и некоторые подходы требуют больше времени, чем другие, из-за длительного процесса промывки и замены растворителей [34–39].

Затем была быстрая сверхкритическая экстракция (RSCE), которая ускорила сверхкритический нагрев. Проведенное Джоном Поко в LLNL в 1996 году, это исследование состоит из помещения золь-геля в пресс-форму под давлением, в которой сверхкритические условия контролировались таким образом, чтобы избежать ненужного расширения и, следовательно, растрескивания [40, 41]. На заре этого тысячелетия началось значительное улучшение. В 2001 году Гаш и Тиллотсон разработали простой, дешевый и эффективный метод получения аэрогелей на основе оксидов металлов с использованием гелеобразующих агентов, легированных эпоксидом, при условии, что соответствующие ионы металлов должны иметь валентность равную или больше +3 при окислении их образования. государственный.Результаты оказались многообещающими, и были получены блоки микропористых материалов с большой площадью поверхности [42]. Год спустя Левентис и др. разработали сверхлегкие механически модифицированные аэрогели, названные X-аэрогелями, путем сшивания диизоцианатов в микроструктуру аэрогелей кремнезема. Прочность последней была увеличена в 300 раз, в то время как ее удельная прочность на сжатие примерно в десять раз выше, чем у стали [43]. Его работа была расширена с помощью других исследователей для изучения сшивки полимера с другими типами аэрогелей, такими как оксиды переходных металлов и органические вещества, что еще больше расширит возможности применения аэрогелей [44].X-аэрогели были получены путем добавления полимера в качестве конформного покрытия на каркас из диоксида кремния.

С другой стороны, о полупроводниках, изготовленных из халькогенидов металлов, в 2005 г. сообщили Mohanan et al. Они использовали метод, который состоял из окислительной агрегации строительных блоков наночастиц халькогенидов металлов в сочетании со сверхкритической сушкой. Полученный полупроводник имел высокую пористость и площадь поверхности, а характерные квантово-ограниченные оптические свойства были идентичны компонентам их наночастиц [45].В следующем году были изобретены монолитные нанопористые металлические пены, которые обладают чрезвычайно низкой плотностью и большой площадью поверхности 0,011 г / см ³ и 270 м ² / г соответственно [46]. В качестве металлов были выбраны железо, кобальт, медь и серебро, а другие потенциальные металлы все еще исследуются. Затем в 2007 году были изобретены аэрогели из углеродных нанотрубок с помощью нового метода синтеза, состоящего из предшественников водного геля, с последующей сверхкритической сушкой и сублимационной сушкой. Нанотрубки можно сделать более прочными, допируя поливиниловый спирт, что позволит им выдерживать вес в 800 раз больше, чем их первоначальная версия.Они также отлично проводят тепло и электричество [47].

Поданная в 2004 году и запатентованная в 2007 году, Халиматон представила свой метод производства чистого кремнеземного аэрогеля золь-гель методом с последующей сушкой над сверхкритическим диоксидом углерода. Однако в качестве источника кремнезема она использовала сельскохозяйственные отходы, золу рисовой шелухи (RHA) (см. Рис. 2). Коммерческий термин Maerogel означает «произведенный в Малайзии аэрогель» [48]. Было доказано, что по текстуре и физическим свойствам последние сопоставимы с традиционными аэрогелями кремнезема (см. Таблицу 1).

Свойство Обычный аэрогель Maerogel Комментарии Кажущаяся плотность 0,003–0,35 г / см 929 9295 0,03–0,35 г / см см 3 Обычно ~ 0,1 г / см 3 для обычных аэрогелей; Обычно 0,03 г / см 3 для Maerogel Площадь внутренней поверхности 600–1000 м 2 / г 700–900 м 2 / г Средний диаметр пор 20 нм 20.8 нм Зависит от плотности Диаметр частиц 2–5 нм 5 нм Определено с помощью электронной микроскопии Термический допуск 500 ° C 500 ° C Усадка начинается постепенно при 500 ° C Температура плавления > 1200 ° C > 1200 ° C Типичная теплопроводность 0,015 Вт / м · К 0,02 Вт / м · К Коэффициент теплового расширения 2.0–4,0 × 10 −6 2,0–4,0 × 10 −6 Определено ультразвуковым методом Коэффициент Пуассона 0,2 ​​ 0,2 ​​ Независимо от плотности Модуль Юнга 10 6 –10 7 Н / м 2 10 6 –10 7 Н / м 2 Незначительная по сравнению с плотным кремнеземом Предел прочности на разрыв 16 кПа 16 кПа Для плотности 0.1 г / см 3 Вязкость разрушения 0,8 кПа · м 0,5 0,8 кПа · м 0,5 Для плотности 0,1 г / см 3 Показатель преломления 1,0– 1,05 1,0–1,05 Диэлектрическая проницаемость ~ 1,1 ~ 1,1 Для плотности 0,1 г / см 3 Скорость звука 100 м / с 100 м / с Для плотности 0.07 г / см 3

Маэрогель получают первым растворением золы рисовой шелухи в водном гидроксиде натрия при соотношении Na ₂ : SiO ₂ 1: 3,33 для получения раствора силиката натрия, содержащего от 1 до 16 мас.% SiO ₂ . Затем к полученному раствору жидкого стекла добавляют концентрированную серную кислоту для превращения силиката натрия в диоксид кремния с получением гидрогеля диоксида кремния.Далее идет процесс старения, который позволяет гелевой структуре развиваться. Это может длиться до сорока дней. Затем воду замещают спиртом от C ₁ до C ₄ , предпочтительно метанолом или этанолом, чтобы получить алкогель. Последний после замены спирта диоксидом углерода подвергают сверхкритической сушке для получения аэрогеля. Сверхкритическую экстракцию предпочтительно проводят, помещая алкогель с дополнительным спиртом в автоклав, снабженный термопарой и регулятором температуры, и медленно повышая температуру в автоклаве до тех пор, пока не будут достигнуты критические температура и давление.Температура может повышаться, например, со скоростью 50 ° C / ч на время, необходимое для достижения критической температуры. По прошествии определенного времени пары спирта удаляются через контролируемую утечку путем постепенного снижения давления и температуры до атмосферных условий. Температура может снижаться в течение, например, двенадцати часов. Количество дополнительного спирта должно быть таким, чтобы в автоклаве было достаточно спирта для достижения критического давления. Полученные аэрогели являются гидрофильными, имеют гидроксильные группы на своей поверхности, но могут быть преобразованы в гидрофобную форму путем замены гидроксильных групп алкоксигруппами.Это может быть достигнуто, например, пропусканием паров метанола над нагретым образцом аэрогеля. Реакцию метилирования более предпочтительно проводить в закрытой системе, в которой образец может быть помещен в трубку, заключенную во внешней печи и проходящую между колбой, содержащей кипящий метанол, и конденсатором, который снова подсоединен к колбе. Температура печи может быть порядка 250 ° C. Образцы предпочтительно дегазируют при температуре около 100 ° C при пониженном давлении около 1 ° С.33 × 10 ⁻⁵ кПа в течение не менее 15 часов как до, так и после процесса метилирования [48].

Другие подходы были определены с использованием RHA либо в сверхкритических, либо в условиях окружающей среды. Тан и Ван предоставили препарат, но значение площади поверхности было ниже, чем при сушке с использованием ТЭОС / сверхкритического этанола. Аэрогель не был прозрачным, скорее он был белым [49]. После этого Ли и Ван [50] разработали способ сушки при атмосферном давлении и температуре 40 ° C.В этом методе гидрозоль был модифицирован небольшим количеством TEOS, что сильно повлияло бы на структуру пор и, следовательно, на другие физические свойства. Было обнаружено, что пористость, площадь поверхности, объем пор и средний размер пор прямо пропорциональны количеству добавленного TEOS, в то время как плотность обратно пропорциональна. Однако было достигнуто оптимальное количество TEOS [51].

В 2009 году первый металлический аэрогель был изготовлен Leventis et al. Это был железный аэрогель, созданный путем взаимопроникающего плавления резорцин-формальдегидных и оксидных ксерогелей (аэрогелей, высушенных при комнатной температуре).Это были «ферромагнитные и суперпарамагнитные» материалы, богатые углеродом и одновременно магнитные и металлические [52]. Недавно в Исследовательском центре Гленна НАСА в Огайо был разработан превосходный полимеризованный аэрогель, известный как полиимидный аэрогель [53]. Полиимидные гели получают путем сшивания олигомеров полиаминовой кислоты с блокировкой ангидрида с ароматическим триамином в растворе и путем химического имидирования. Последующие гели затем подвергаются сверхкритической сушке с образованием полиимидных аэрогелей. Эти модифицированные аэрогели имеют плотность всего 0.14 г / см ³ и с площадью поверхности до 512 м ² / г [54, 55]. Механическая прочность этого нового класса аэрогелей в 500 раз выше, чем у традиционного кремнезема, и он может обеспечить объемную тепло- и акустическую изоляцию. Однако теплопроводность увеличивается в некоторый раз из-за ее монолитности [53].

3. Свойства кремнеземных аэрогелей

Физические свойства аэрогеля сильно зависят от его плотности и химического состава.Следовательно, разные методы синтеза приведут к разным типичным значениям для определенных свойств. Это проиллюстрировано в Таблице 1. В соответствии с рамками данной статьи были даны сведения о тепловых, оптических и механических характеристиках кремнеземных аэрогелей.

3.1. Тепловые свойства

Теплопроводность кремнеземных аэрогелей всегда была основной темой исследователей с самого начала. Аэрогели можно синтезировать в нескольких формах: монолиты, зерна, порошки и пленки, соответствующие желаемому применению.НАСА ранее использовало монолитные кремнеземные аэрогели для теплоизоляции в космических приложениях [56]. Полная теплопроводность монолитных аэрогелей объясняется тремя механизмами теплопередачи: твердой проводимостью через твердый каркас, газовой проводимостью через молекулы газа в пористой структуре и излучением [57]. В аэрогелях можно пренебречь конвекцией из-за их наноразмерных пор [58, 59]. Твердая структура аэрогелей состоит только из небольшого числа частиц кремнезема, извилисто связанных в трехмерную сеть с множеством тупиков, что, таким образом, препятствует переносу тепла [15].Исследования показали, что теплопередача через твердую структуру аэрогеля зависит от его решетчатой ​​структуры, связности и состава. Лу и др. приравнял теплопроводность твердого тела к коэффициенту, зависящему от взаимосвязи частиц и плотности [60]. Более удобное уравнение было предоставлено Би и Тангом и др., В котором теплопроводность твердого тела определяется путем измерения скорости звука в аэрогеле [61] следующим образом: где — плотность аэрогеля, — плотность твердого каркаса, — скорость звука в аэрогеле, — скорость звука в твердом каркасе, — теплопроводность твердого каркаса.Последнее обычно заменяется на, чтобы упростить расчет, поскольку его нельзя измерить напрямую. Однако такая замена может в некоторой степени изменить результат. Тем не менее, можно получить с помощью кинетической теории следующим образом: где — объемная удельная теплоемкость, — средняя скорость звука в твердой основе и — среднее межатомное расстояние в твердой основе.

Теплопередача через газовую фазу продиктована эффектом Кнудсена, который выражает газовую проводимость в пористой среде как функцию давления воздуха и эффективного размера пор [60].Соответствующее уравнение выглядит следующим образом: где где — число Кнудсена, характерная величина для газовой теплопроводности в пористой системе. — длина свободного пробега молекул газа; — характерная длина пор; — диаметр молекул газа; — пористость; — теплопроводность в свободном воздухе; — постоянная Больцмана; — температура; — давление газа. , и является константой, зависящей от газа в порах, обычно между 1.5 и 2.0 [62].

Газовая теплопроводность в аэрогелях кремнезема прямо пропорциональна давлению и размеру пор и косвенно пропорциональна плотности. Кроме того, наноразмерная твердая структура аэрогелей оказывает существенное влияние на газовую теплопроводность, особенно при давлениях от 0,01 × 10 ⁵ Па до 100 × 10 ⁵ Па [63].

Воздействие излучения на общую теплопроводность аэрогелей может быть значительным от условий окружающей среды до высоких температур (выше 200 ° C) из-за их низкого поглощения инфракрасного излучения [10].Радиационную проводимость можно рассчитать по [60] где — постоянная Стефана-Больцмана, — средний показатель преломления аэрогеля, — абсолютная температура, — удельный массовый коэффициент экстинкции и — плотность аэрогеля.

Стоит отметить, что существует альтернативный подход к оценке эффективной теплопроводности кремнеземного аэрогеля. Он использует концепцию, в которой механизмами теплопередачи являются излучение и комбинированная проводимость твердого тела и газа.Теплопроводность твердого тела и газа разработана на основе периодической структуры, в то время как радиационная проводимость рассчитывается с использованием теории диффузионного приближения и уравнения Росселанда [58, 64, 65].

Распространенными методами измерения теплопроводности кремнеземных аэрогелей являются зонд с горячей проволокой [69], анализаторы термической постоянной с горячим диском [70] и измерители теплового потока [71] или использование устройства лазерной вспышки [72]. Однако в этих методах распределение тепла по исследуемому аэрогелю неоднородно.Zeng et al. [73] предложили выход, при котором можно использовать тонкопленочный нагреватель из золотой пленки толщиной 10 нм для равномерного рассеивания тепла. В таблице 2 приведены различные подходы к прогнозированию теплопроводности аэрогелей кремнезема.

Модель Автор Представление структуры Метод Комментарии Эмпирический Lu et al.[60] Wang et al. [67] Не учитывается Среднее значение объема как функция плотности или пористости Не может применяться для аэрогелей с различной микроструктурой Аналитический Wei et al. [10] Lu et al. [65] Wei et al. [10] Кубический массив наносферической структуры Стандартный метод эквивалентной схемы Невозможно представить случайность и сложность аэрогелей Джун-Джи и др.[66] Трехмерная случайная структура DLCA Стандартная эквивалентная схема с улучшенной аналитической моделью параллельного ряда Не требует ввода каких-либо эмпирических параметров Числовой Spagnol et al. [68] Zhao et al. [12] Фрактальная структура снежинки фон Коха и случайная структура DLCA Метод конечных объемов, основанный на делении сетки Трехмерные расчеты занимают много времени

3.2. Оптические свойства

Прозрачность и полупрозрачность аэрогелей в первую очередь обусловлены рассеянием Рэлея, которое возникает, когда неоднородности в сетке твердого геля намного меньше длины волны видимого света. Количество света, рассеянного аэрогелем, зависит от этих структурных неоднородностей, которыми, в свою очередь, можно управлять во время сверхкритической экстракции, которая определяет пространственное расположение гелевой сетки. Рэлеевское рассеяние обратно пропорционально четвертой степени длины волны, то есть чем короче длина волны света, тем больше он рассеивает.Поэтому, когда плитка из аэрогеля размещается на темном фоне, она выглядит слегка голубоватой и демонстрирует желтоватую окраску при воздействии яркого окружения [74, 75]. Второй источник светорассеяния в видимом диапазоне связан с несовершенствами внешней поверхности аэрогеля микрометрового размера, что приводит к размытому виду объектов, просматриваемых через кусок аэрогеля [76]. С другой стороны, эффективность рассеяния зависит от размера рассеивающего центра.Таким образом, волны разной длины будут рассеиваться с разной величиной. Наблюдается усиление рассеяния, когда размер рассеивающего центра становится близким к длине волны падающего света [76, 77]. По мере увеличения длины волны и смещения спектра в сторону инфракрасного диапазона рассеяние становится менее значительным. Это явление позволяет тепловому излучению проходить через аэрогель, увеличивая его теплопроводность [78]. Часто оптические свойства аэрогелей связаны с их тепловыми свойствами, особенно когда требуется прозрачная система теплоизоляции.Был предпринят ряд исследований для оптимизации прозрачности кремнеземного аэрогеля без ущерба для его теплопроводности. Данилюк и др. [79] обнаружили, что монолитный аэрогель, приготовленный с использованием двухэтапного золь-гель метода, более прозрачен, чем тот, который синтезирован с помощью одностадийного подхода. Венкатешвара Рао и Пайонк [80] добавили метилтриметоксисилан (MTMS) в качестве сопредшественника для получения монолитных прочных гидрофобных аэрогелей кремнезема с высоким прямым оптическим пропусканием и низким рассеиванием света.Adachi et al. [81] синтезировали новые плитки из аэрогелей диоксида кремния, добавив новый химический растворитель, диметилформамид (ДМФ), для улучшения оптической прозрачности в диапазоне показателей преломления. Длина передачи превышала 40 мм на длине волны 400 нм, что вдвое превышало значение, полученное в предыдущем исследовании [82]. Bhagat et al. показали, что когда аэрогели силикагеля на основе ТЭОС получают с использованием метанола в качестве растворителя в сочетании с ТЭОС в двухстадийном золь-гелевом процессе, оптическое пропускание в некоторой степени улучшается [83].Напротив, если непрозрачность предпочтительна, аэрогель можно сделать непрозрачным путем включения в его структуру углеродных или минеральных порошков, которые будут поглощать инфракрасное излучение и, следовательно, уменьшать радиационную теплопередачу [84–86].

С ранних лет прозрачный аэрогель на основе диоксида кремния рекламировался как сверхскоростной захват частиц для исследования космического пространства из-за его способности легко обнаруживать космический мусор через его структуру. Недавно Woignier et al. [87] исследовали влияние концентрации TEOS и добавления аммиака в качестве основного катализатора на оптическое пропускание в видимом спектре.Было обнаружено, что аэрогели с более высокой концентрацией TEOS имеют более широкое окно пропускания, чем аэрогели с более низкой концентрацией TEOS, что свидетельствует о плохой прозрачности в видимом диапазоне. Когда в процессе получения аэрогеля добавляется аммиак, пропускание в видимом диапазоне значительно усиливается.

Еще одним обязательным оптическим свойством кремнеземных аэрогелей является показатель преломления. Было доказано, что показатель преломления увеличивается с увеличением плотности, так что где (кг · м ⁻³ ) — объемная плотность аэрогеля [1].

Следовательно, можно ожидать, что показатель преломления кремнеземного аэрогеля очень близок к единице, что буквально означает, что когда свет попадает в аэрогель, отражательные потери отсутствуют. Практическим приложением, использующим это свойство, является черенковский детектор, для которого необходима среда с показателем преломления, близким к единице [88].

3.3. Механические свойства

Аэрогели кремнезема известны своей хрупкостью и хрупкостью из-за межчастичных связей внутри фрактальной сети, подобной жемчужному ожерелью, что делает их непригодными для применения в несущих нагрузках.Было проведено множество исследований, чтобы оценить и охарактеризовать их механические свойства, как показано в таблице 3. Стандартные методы определения механических характеристик кремнеземного аэрогеля включают ультразвуковые методы, трехточечный изгиб и одноосное сжатие. В настоящее время широко используется атомно-силовая микроскопия (АСМ) из-за ее способности измерять локальные упругие свойства аэрогелей только с небольшой силой нагрузки. Параллельно предпринимаются усилия по повышению механической прочности аэрогелей за счет добавления второй фазы.Один из подходов заключается в включении в аэрогели волокон диоксида кремния. Испытания показали, что при введении 10 мас.% Этих волокон модуль упругости и прочность увеличиваются на 85% и 26% соответственно [89]. Кроме того, модуль сжатия и предел прочности аэрогелей можно повысить в три и пять раз соответственно, если в структуру решетки ввести 5% по массе углеродных нановолокон [90]. Сшивание в жидкой фазе, сшивание в паровой фазе, армирование волокон и пониженное связывание также могут улучшить механические свойства аэрогеля [80, 91, 92].Доказано, что X-аэрогели значительно улучшают фрактальные свойства природных аэрогелей как в квазистатических [43, 93–97], так и в условиях сильных ударных нагрузок [98, 99]. Хотя их прочность превосходит кремнеземные аэрогели, их эластичность и гибкость еще предстоит адаптировать для перспективных аэрокосмических применений, таких как структурные компоненты и тепловая защита малых спутников, космических аппаратов, планетарных аппаратов и мест обитания. Несколько схем сшивки для механического усиления аэрогелей подробно обсуждались в [100].Следует отметить, что полимерное армирование уменьшает площадь поверхности кремнеземного аэрогеля примерно наполовину без радикального изменения теплопроводности [100].

Методология Автор Анализ Подход / аппарат Экспериментальный Arvidson and Scull [111] Модуль Юнга, предел пропорциональности и предел текучести Концентрический емкостной экстензометр с перекрывающимися цилиндрами используется для измерения деформации Gronauer et al.[112] Модуль Юнга Измерения скорости звука Woignier и Phalippou [113] Модуль Юнга, прочность на излом и вязкость Трехточечный изгиб и трехточечный изгиб Gross et al. [114] Модуль Юнга и коэффициент Пуассона Ультразвуковое и статическое сжатие Scherer et al. [115] Объемный модуль Порозиметрия по ртути Парментер и Мильштейн [89] Твердость, сжатие, растяжение и сдвиг неармированных и армированных волокном аэрогелей Испытание твердости по Виккерсу и Кнупу, четырехточечный изгиб и испытательная машина Instron 1123 с контролируемым смещением Stark et al. al.[116] Модуль Юнга Атомно-силовая микроскопия Moner-Girona et al. [117] Твердость, модуль Юнга и параметр упругости Измерения микроиндентирования с использованием индентора Nanotest 550 Martin et al. [118] Модуль Юнга Одноосное сжатие и скорость звука Perin et al. [119] Модуль упругости и внутреннее трение Изостатическое сжатие Miner et al.[120] Модуль Юнга и невосстановимая деформация для гигроскопичного кремнеземного аэрогеля Тестер на сжатие в низком диапазоне Despetis et al. [121] Субкритическая область роста в гидрофильном аэрогеле диоксида кремния Испытание на сжатие с двойным расщеплением, просверливанием и сжатием (DCDC) Takahashi et al. [122] Прочность на изгиб Трехточечный изгиб Числовой Yang et al.[123] Ползучесть армированного керамическим волокном аэрогеля диоксида кремния Сканирующий электронный микроскоп Hasmy et al. [124] Интенсивность рассеяния, зависящая от волнового вектора Кубическая модель фрактальной структуры DLCA Rahmani et al. [125] Плотности состояний и динамические структурные факторы 3D кубическая модель фрактальной структуры DLCA Yang et al. [123] Ползучесть армированного керамическим волокном кремнеземного аэрогеля Модель ползучести по степенному закону

Вероятно, наиболее заметным применением кремнеземного аэрогеля в космонавтике является захват внеземных материалов.Это в первую очередь потому, что он не составляет элементов большого космохимического значения, а также неорганических примесей, а во-вторых, из-за его грандиозности в улавливании частиц с высокими скоростями. Тем не менее, исследователи постоянно экспериментируют с этим наноматериалом, чтобы улучшить его физические свойства и разработать безупречный кинетический амортизатор. В большинстве случаев модификация производится в процессе синтеза, так как механические характеристики аэрогеля сильно зависят от его насыпной плотности [101, 102].

Механические и термические свойства аэрогелей с градиентом плотности для захвата сверхскоростных частиц в космическом пространстве были проанализированы Du et al. (см. рисунок 3) [103]. Аэрогели с плотностью от 40 до 175 мг / см ³ были приготовлены с использованием раствора тетраэтилортосиликата (TEOS) и раствора этанол-вода в качестве предшественника и фтористоводородной кислоты в качестве катализатора посредством золь-гель процесса сверхкритической сушки. Для приготовления аэрогелей с градиентом плотности использовали методы послойного гелеобразования, золь-гелирования и градиент-зольного гелеобразования.Динамические механические испытания показали, что модули Юнга аэрогелей при −100 ° C и 25 ° C имеют тенденцию к уменьшению с уменьшением плотности со значениями от 4,6 × 10 ⁵ до 1,9 × 10 ⁵ Па и от 5,0 × 10 Па. ⁵ до 2,1 × 10 ⁵ Па соответственно. Термический анализ показал, что коэффициенты термодиффузии и удельные теплоемкости уменьшаются с уменьшением плотностей, в то время как теплопроводности не изменяются монотонно.

Одним из недостатков аэрогеля как сверхскоростной захватывающей частицы может быть его распространение трещин, которое в конечном итоге может разрушить всю решетку аэрогеля при длительном воздействии.Это вызвано эффектом синерезиса, который представляет собой продолжение реакций гидролиза и конденсации после гелеобразования, что приводит к усадке геля [87, 101]. Hwang et al. наблюдали 10% линейную усадку, вызванную синерезисом во время процедур гелеобразования и старения [104]. Woignier et al. [87] исследовали влияние переменных синтеза на усадку аэрогеля во время приготовления и установили хорошую корреляцию между механическими свойствами с целью получения оптимизированного аэрогеля для космических приложений.Было обнаружено, что линейная усадка уменьшается с увеличением концентрации TEOS и с увеличением pH гидролизного раствора. Кроме того, как модуль упругости, так и прочность на разрыв аэрогелей повышаются с увеличением концентрации TEOS и, следовательно, плотности.

4. Применение кремнеземных аэрогелей в астронавтике

4.1. Улавливание сверхскоростных частиц

Предварительные исследования, проведенные в лаборатории, где нерасплавленные остатки силикатных и алюминиевых снарядов были выпущены на высокой скорости, 7 км / с, сразу же показали превосходство аэрогеля в захвате сверхскоростных частиц по сравнению с традиционными плотными собирающими средами, включая подвергшиеся воздействию на установке длительного воздействия (LDEF).Дефектами этих обычных коллекторов было их постоянное плавление, если не полное испарение, которое препятствовало прилипанию любых снарядов. Следовательно, анализ был невозможен. Исследователи ожидали, что такое поглощение кинетической энергии, характерное для аэрогеля, ускорит открытие внеземных объектов на низкой околоземной орбите [105].

Вскоре после этого, в сентябре 1992 года, аэрогели были отправлены в космическую транспортную систему (STS-47) для анализа их способности в качестве среды для захвата сверхскоростных частиц и долговечности во время запуска и входа в атмосферу.На верхнюю часть контейнеров с полезной нагрузкой Shuttle Get Away Special (GAS) были установлены пять теплоизолированных торцевых крышек для проведения эксперимента по возврату образца (SRE) ячеек захвата, оборудованных панелями из кремнеземного аэрогеля с размерами 10 см × 10 см × 1 см. и плотности порядка 20 мг / мл. Каждая GAS SRE обеспечивала чистую общую площадь поверхности захвата 0,165 м ² . Аэрогели успешно пережили запуск и вход в атмосферу и вернулись без каких-либо видимых повреждений. Как правило, способность захвата сверхскоростной частицы оценивается по тому, насколько быстро она может замедлить столкнувшиеся с высокой скоростью частицы, не разрушая последние, будучи захваченными.Во время этой предварительной миссии было захвачено по крайней мере четыре крупных сверхскоростных частицы. Позже более двух десятков частиц было уловлено из STS-60 и многие из других, таких как газовые баллончики [106]. Одним из них был эксперимент по сбору космического мусора на «Мир».

Развернутый на STS-76 25 марта 1996 г. и управляемый Исследовательским центром Лэнгли, пакет воздействия на окружающую среду «Мир» (MEEP) был оснащен орбитальным сборщиком мусора (ODC), состоящим примерно из 0,63 м. ² высокопористых материалов. с низкой плотностью (0.02 г / см ³ ) кремнеземный аэрогель, размещенный в двух идентичных лотках, лоток 1 направлен в направлении забоя, а лоток 2 — в противоположном направлении, для сбора как искусственных, так и естественных сверхскоростных частиц на низкой околоземной орбите. После 18 месяцев в Космическом центре Джонсона ODC был восстановлен STS-86.

Широкий спектр ударов, например, хлопья покрытия, отходы жизнедеятельности человека и космическая пыль, были извлечены из сборщика аэрогеля для анализа их состава с использованием SEM-EDS и TEM, и, следовательно, были предложены их потенциальные источники.Выявлены два основных класса особенностей сверхскоростных соударений: длинные следы морковной формы и мелкие ямы с типичной длиной до диаметра () 20–40 и 0,5–5 соответственно. Большинство из них представляли собой следы в форме моркови от лабораторных ударов, включая наличие захваченных остатков снарядов на их станциях, в то время как ямы не содержали никаких измеримых остатков и лабораторных аналогов из-за высоких скоростей удара, вызывающих плавление или испарение снарядов. Особенности промежуточных морфологий между этими двумя границами предполагали существование переходной и эволюционной последовательности.Третья группа — это более мелкие и нерегулярные ударные дорожки с соотношением сторон, образованные низкоскоростными ударами коорбитальных хлопьев и капель жидкости, всех продуктов жизнедеятельности человека и сбросов сточных вод. Однако аэрогель не мог предоставить надежные динамические данные для каждой частицы, включая хронологическую информацию о столкновениях. Тем не менее, уникальная способность аэрогеля сохранять и улавливать нерасплавленные остатки при относительно высоких скоростях на низкой околоземной орбите была подтверждена по сравнению с традиционными непористыми средами; эти пороговые скорости испарения были намного меньше, чем у аэрогеля [105, 107].

Самая успешная миссия, связанная с аэрогелем, которая привела к множеству научных открытий, — это, вероятно, миссия «Звездная пыль». Задача миссии, запущенной из Космического центра Кеннеди в 1999 году, заключалась в том, чтобы нести коллектор сверхскоростных частиц, который должен был встретиться с известным телом из внешней части Солнечной системы (комета 81P / Wild 2) для захвата образцов комы и межзвездной пыли, которая будет доставлена ​​на поверхность. Земля для лабораторных исследований [108–110].

Коллектор, металлический каркас в форме «теннисной ракетки», состоял из двух направленных в противоположных направлениях решеток, каждая из которых содержала сто тридцать ячеек кремнеземного аэрогеля разного объема (см. Рис. 4) [127].Одна сетка имела кубики размером приблизительно 4 см × 2 см × 3 см для захвата кометных частиц, в то время как другая сетка содержала плитки аэрогеля размером 4 см × 2 см × 1 см для захвата межзвездных материалов [56]. Когда требовался сбор, коллектор отсоединяли от защитного возвратного патрубка (SRC) и обнажали. По сравнению с миссиями, указанными выше, аэрогель, созданный для этого задания, имел профиль плотности с непрерывным градиентом, начиная с 10 мг / см ³ на поверхности удара до более высокого значения внизу в зависимости от типа сетки.Максимальные плотности составляли 50 мг / см ³ и 20 мг / см ³ для кометной сетки и межзвездной сетки соответственно. Уже было признано, что плотность зависит от соотношения конденсируемого диоксида кремния в растворителе, используемом в растворе предшественника аэрогеля. Эта концепция использовалась, когда раствор прекурсора для аэрогеля низкой плотности постоянно смешивался с аэрогелем плотности раствора прекурсора, постоянно закачивая полученную смесь в аэрогель кремнезема с градиентом плотности [128].Можно было ожидать, что другие зависящие от плотности характеристики, такие как тепловые, оптические, акустические и диэлектрические аэрогеля, будут изменяться в соответствии с профилем градиента [129]. Последнее предотвратит повреждение нанопор кремнеземного аэрогеля микрочастицами. Когда высокоскоростные частицы ударяются о аэрогель, они сначала сталкиваются с аэрогелем с низкой плотностью, и, когда они проникают, плотность аэрогеля увеличивается, одновременно замедляя их. Кинетическая энергия была преобразована в механическую и тепловую энергию, что в итоге свело скорость к нулю [130].

После рандеву с кометой в 2004 г. коллектор был отозван в ЦРК для защиты образцов. Два года спустя капсула Stardust снова вошла в атмосферу Земли и успешно приземлилась в Юте. В очередной раз аэрогель доказал свое превосходство в том, что выдерживает переход от атмосферного давления к вакууму космоса без каких-либо повреждений, несмотря на то, что он хрупкий. Это происходит из-за структуры аэрогеля с открытыми ячейками, которая позволяет выходить интерстициальным газам.Пути попадания снарядов были чистыми и, следовательно, проанализированы, поскольку аэрогель прозрачен. На рис. 5 показано, что кометы вошли с правой стороны и, наконец, остановились в аэрогеле. Эти частицы были первыми материалами, полученными из указанного небесного тела, отличного от Луны, и были аккуратно извлечены с помощью высокоскоростной вибрирующей стеклянной иглы [131]. Открытие касалось в основном высокотемпературных и низкотемпературных минералов и неизвестной органики, оставив после себя вывод ученых из Космического центра Джонсона о том, что составные части комет были намного более сложными, чем другие внеземные объекты, такие как метеориты.Межзвездная пыль также была обнаружена и извлечена, но ее не удалось распознать [132–135]. 14 февраля 2011 года переработанная версия Stardust, названная Stardust-NExT, была отправлена ​​в космос для анализа другой кометы, Tempel 1, которую ранее посещали во время миссии Deep Impact в 2005 году [136]. Однако основной целью Stardust-NExT было получение изображений ядра с высоким разрешением с помощью камеры NAVCAM для дальнейшего анализа. Миссия была успешной [137, 138].

В 2003 году была предложена еще одна миссия, основанная на той же концепции, что и миссия «Звездная пыль» по сбору образцов в космическом пространстве, известная как «Сбор образцов миссии по исследованию Марса» (SCIM).Ее назвали малобюджетной программой с низким уровнем риска. Эта миссия Mars Scout была предназначена для полета во время сбора взвешенной пыли через верхние слои марсианской атмосферы в коллектор из кремнеземного аэрогеля, который затем будет направлен обратно на Землю для анализа [139]. Различие между Stardust Mission и SCIM заключается в том, что последнему нужно было лететь в атмосферу, что вызвало бы существенный нагрев космического корабля во время захвата высокоскоростных частиц. Чтобы решить эту проблему, коллекторы аэрогеля на основе диоксида кремния должны быть расположены в кормовой части аэрозольной оболочки, где тепло минимально.Результаты предварительных экспериментов показали, что большинство захваченных сверхскоростных частиц сохранили свои физические и химические свойства [140]. Однако эта миссия была запрещена и была предложена снова в 2006 году, которая снова была отклонена из-за технологии Stardust. Джонс исследовал другие потенциальные коллекторы на основе аэрогеля, например, углерод, оксид алюминия, диоксид титана, германия, диоксид циркония и ниобию из-за большого количества силикатных минералов, присутствующих в нашей солнечной системе [56]. Кроме того, было доказано, что рамановский спектрометр является удобным инструментом для идентификации частиц удара в аэрогеле [141].

Несколько лет назад по согласованию с ONERA, ESA, Национальным центром космических исследований (CNES) и Саутгемптонским университетом была начата операция, известная как Эксперимент по воздействию и разложению материалов (MEDET). космическая среда на низкой околоземной орбите на свойства материала и деградацию материала из-за загрязнения при измерении локального потока микрочастиц. Пакет MEDET был установлен на борту Европейского технологического центра (EuTEF).Модуль был запущен STS-122 7 февраля 2008 г. и получен STS-128 11 сентября 2009 г. [142, 143]. Аэрогель снова был выбран в качестве пассивного детектора для захвата микрометеороидов и орбитальных частиц мусора. Две прозрачные плитки аэрогелей диоксида кремния размером 30 × 25 × 45 мм ³ были приготовлены с помощью золь-гель процесса с последующей сверхкритической сушкой. Полученная объемная плотность составила 0,087 ± 0,004 г / см ³ . Из аэрогелей была извлечена обширная серия столкнувшихся частиц, включая металлы, стекло и смешанные оксиды, размером от одного до нескольких микрон.Как упоминалось Woignier et al., Продолжается исследование по анализу этого вопроса. [87].

В процессе захвата частицы значительная часть ее кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию, тем самым изменяя или разрушая ее структуру. Недавно было проведено исследование Jones et al. [144] для измерения температуры, испытываемой сверхскоростными частицами во время их захвата в аэрогелях. Использовались агрегатные снаряды из магнитного субмикронного гематита. Используемая концепция заключалась в том, что когда эти частицы нагреваются выше своей температуры Кюри (675 ° C) во время проникновения, они теряют свой магнетизм.Следовательно, частицы выстреливались с разной скоростью для достижения разной температуры при схватывании аэрогелей. Затем их намагниченность наблюдалась с помощью атомной и магнитно-силовой микроскопии наряду с электронным парамагнитным резонансом. Было обнаружено, что нагрев этих агрегатов мелких частиц сильно зависит от того, в каком месте трека захвата они останавливаются. Частицы, выпущенные со скоростью до 6,6 км / с, все еще были магнитными. Аэрогель на основе диоксида кремния, обладающий высокой пористостью и прозрачностью, остается идеальным материалом для захвата частиц с высокой скоростью.

4.2. Теплоизоляция

НАСА расширило исследования аэрогеля в области теплоизоляции из-за его чрезвычайно низкой проводимости. Кремнеземный аэрогель впервые был использован в качестве изолятора на марсоходе Sojourner в рамках миссии Pathfinder в 1997 году. Аэрогель был упакован в композитные коробки, называемые Warm Electronics Boxes (WEBs), для защиты первичной аккумуляторной батареи Alpha Particle. Рентгеновский спектрометр (APXS) от экстремально низких температур. Рабочий диапазон батареи был установлен в пределах от -40 ° C до + 40 ° C каждый день с ограничением + 55 ° C в течение не более пяти часов.Было успешно достигнуто значение 21 ° C [145]. Из-за своей эффективности аэрогель был снова выбран в марсоходах Mars Exploration Rovers, Spirit и Opportunity в 2003 году. В этих роботах были установлены дополнительные устройства, например, радиоизотопные нагревательные блоки (RHU), которые выделяли дополнительное тепло [146]. Чтобы избежать рассеивания тепла, аэрогель был помещен в качестве барьера, чтобы выдерживать колебания температуры до 100 ° C между днем ​​и ночью во время боевых действий, когда температура составляет примерно + 20 ° C и -99 ° C, соответственно.

Чтобы улучшить характеристики кремнеземного аэрогеля в качестве изолятора, его состав был модифицирован путем легирования графита с необходимым изменением процесса сушки, чтобы исключить растрескивание и усадку [147]. Следовательно, прозрачный аэрогель из диоксида кремния был преобразован в непрозрачный аэрогель, тем самым подавляя значительное тепловое излучение, таким образом сводя к минимуму его общий перенос тепла. Затем аэрогели были сформированы в относительно большие панели. Два геолога, Спирит и Оппортьюнити, были назначены на трехмесячную операцию, но первый бродил почти семь лет до марта 2010 года, преодолев в общей сложности семь лет.7 километров. Оппортьюнити, с другой стороны, все еще находится на боевой почве и только что начала свое научное исследование на месте в «Уайтуотер-Лейк» с помощью мозаики микроскопического тепловизора (МИ) с последующим размещением APXS [148]. Цель миссии — поиск воды на планете Марс [149]. Таким образом, аэрогель показан как сверхлегкий изоляционный материал, который не только выдерживает относительно большие колебания температуры, но также обладает стойкостью в суровых условиях окружающей среды.

Вследствие этого изучаются возможности использования кремнеземных аэрогелей в космических скафандрах, для которых требуются материалы с особыми характеристиками для обеспечения безопасности космонавтов в условиях резкой пыли и экстремального давления и температуры [150].Фактическое устройство для передвижения вне космического корабля (EMU) разделено на пять классов слоев, как показано на Рисунке 6. Первый внутренний слой обеспечивает поддержание давления в костюме и изготовлен из нейлона с полиуретановым покрытием, который, в свою очередь, защищен от любых повреждений. внешнее давление со стороны дакронового слоя, удерживающего ткань. Остальные слои образуют тепловую микрометеороидную одежду (TMG), которая в первую очередь обеспечивает тепловую и микрометеорную защиту. Подкладка TMG представляет собой нейлоновый рипстоп с неопреновым покрытием над слоем MLI, состоящий из пяти-семи ламинатов, изготовленных из алюминизированного майлара с низкой проводимостью, армированного нейлоновыми прокладками из холста.MLI имеет в целом низкую теплопроводность из-за низкой поглощающей способности и высокой излучательной способности на его поверхности, а также низкой теплопроводности между ламинатами. Наружная ортоткань дополнительно защищает от разрывов и износа. Настоящая TMG работает только в условиях жесткого вакуума, таких как низкая орбита и Луна, где радиационная теплопередача является преобладающим механизмом. При наличии атмосферы, как и на Марсе, MLI неэффективен из-за присутствия промежуточных газов, которые вызывают конвекционное и кондуктивное охлаждение.

Характеристики различных потенциальных волокнистых материалов были рассмотрены на предмет возможных применений скафандров для решения этой проблемы [151]. Было обнаружено, что для обеспечения достаточной изоляции MLI требуется эффективная теплопроводность 5 мВт / мК. Комбинация волокна 4DG и промежуточной пустотной среды из аэрогеля дала лучшие изоляционные характеристики среди других систем с номинальной теплопроводностью 7,5 мВт / мК. Эта конфигурация состоит из высокой доли пустот в промежутках с тепловым потоком, перпендикулярным волокнам.Тем не менее, аэрогель по-прежнему считается хорошим изоляционным материалом для изоляции будущих скафандров.

В космических аппаратах скопление плотного воздуха, льда, воды и сжиженного воздуха в изоляционных материалах имеет первостепенное значение. Это явление известно как криозакачивание. Это влияет на функцию изолятора и, следовательно, ухудшает характеристики транспортного средства из-за увеличения теплопередачи через изоляционный материал, что увеличивает взлетную массу и потенциальный риск повреждения мусора.Аэрогель рассматривался как потенциальный кандидат на роль теплозащитного экрана в таких криогенных системах, как резервуары с жидким водородом (LH ₂ ) и подводящие трубопроводы с жидким кислородом (LO ₂ ) из-за его полностью пригодных для дыхания и гидрофобных характеристик [ 152]. Кроме того, эксперименты в [153] показали, что жидкий азот (LN ₂ ) может быть предотвращен от накопления в межбаке космического челнока с помощью системы изоляции, состоящей из материала аэрогеля с объемным наполнением.Ключевые этапы оценки характеристик криогенных систем изоляции — это отрыв и возврат в атмосферу при резких изменениях температуры и давления. Например, при повторном въезде температура транспортного средства превышает тысячу градусов Цельсия, в то время как LH ​​ ₂ и LO ₂ необходимо поддерживать ниже −253 ° C и −183 ° C соответственно, чтобы оставаться в жидком виде [154].

Широкий выбор и разновидности покрытий из аэрогеля, производимых Aspen Airgel Inc.и шарики аэрогеля от Cabot Corporation были охарактеризованы с использованием криостатов для испытания изоляции в Криогенной испытательной лаборатории Космического центра Кеннеди НАСА. Было замечено, что после термостабилизации эффекты циркуляционного насоса прекратились [155]. Используя эти материалы суперизоляции, можно спроектировать легкие и прочные автомобили, которые обеспечат безопасность операций.

Как ни странно, был предложен пилотируемый полет на Марс, который, как ожидается, продлится почти три года.Для этого был спроектирован удобный для человека архитектурный дизайн, и был выбран кремнеземный аэрогель для обеспечения необходимой теплоизоляции полов, стен и окон. Концептуальный дизайн требует использования тонкого гибкого аэрогеля с низкой теплопроводностью, что делает Spaceloft вероятным выбором [156].

4.3. Сдерживание криогенной жидкости

Третья функция кремнеземного аэрогеля — удерживать криогенную жидкость. Эта идея была предложена в 2004 году, когда инженеры работали над миссией «Спутниковая проверка принципа эквивалентности» (STEP).Спутник должен был быть отправлен на околоземную орбиту, чтобы исследовать фундамент, лежащий в основе теории Эйнштейна, — (локальную) эквивалентность гравитационной и инертной массы [157]. Испытательные массы и детекторы были необходимы для обеспечения устойчивости к возмущениям, таким как сопротивление воздуха, магнитное поле и давление Солнца, чтобы получить точные результаты [158]. Этого можно достичь, поместив измерительные приборы в сосуд Дьюара, содержащий жидкий гелий, поддерживаемый при криогенных температурах. Аэрогель кремнезема, являясь высокопористым материалом с открытыми порами, был признан отличным контейнером для хранения жидкого гелия, одновременно предотвращая возникновение объемного течения.Жидкий гелий, выходящий из аэрогеля, будет направлен в двигатели космического корабля во время миссии. В систему хранения гелия был встроен аэрогелевый прилив [159]. Сначала аэрогель был сформирован в виде кольцевых цилиндров, которые должны были быть окружены цилиндрами, внутри которых находилось оборудование. Позже было предложено формировать аэрогель в виде частей, трапеций [56], а не одного кольцевого цилиндра, чтобы облегчить его сборку в любую желаемую структуру. Присутствие аэрогеля в дьюаре вызывает определенные сомнения.Один из них заключался в том, выдержит ли аэрогель, наполненный жидким гелием, среду вибрации при запуске. Был проведен тест, и было обнаружено, что не было никаких признаков повреждения и деградации. Однако миссия STEP так и не была запущена; вместо этого НАСА выбрало SMEX 2003 года. Однако эта технология была успешно применена в миссии Gravity Probe B. Тем не менее, существует оптимистичное видение того, что когда-нибудь аэрогель появится в STEP.

5. Оценка аэрогелей диоксида кремния в аэронавтике

В соответствии с Федеральными авиационными правилами, раздел 25.856 (а), тепло- и звукоизоляция должна быть обеспечена одним и тем же материалом, но одновременно являться антипиреном. В первую очередь это относится к фюзеляжу, а текущий материал — ватин из стекловолокна. Чтобы удерживать стекловолокно на месте и защитить его от загрязнения, вокруг него оборачиваются изоляционные кожухи [160]. Обычными пластиковыми покрытиями являются полиэтилентерефталат (ПЭТ), поливинилфторид (ПВФ) и стекловолокно с силиконовым покрытием для использования в условиях высоких температур. Таким образом, кремнеземный аэрогель, являющийся суперизоляционным материалом и акустическим амортизатором, может рассматриваться как тепловой / акустический изолятор для этой задачи.Но более реалистичным способом использования аэрогеля было бы использование его замечательных свойств отдельно для теплоизоляции, противопожарной защиты и акустических целей в разных частях самолета.

5.1. Термобарьер

Обоснование рассмотрения кремнеземистого аэрогеля в качестве теплового барьера связано с его благоприятными характеристиками в отношении рабочих температур, долговечности, химических свойств (авиационное топливо и смазочные материалы) и эрозионной стойкости и обслуживания. Может быть достигнута более простая и легкая общая конструкция системы теплоизоляции, что, следовательно, снизит стоимость сборки, поскольку потребуется меньше материалов.Будет доступно больше места для других целей. Повышение энергоэффективности за счет минимизации потерь тепла и, следовательно, экономии топлива. То есть прямые операционные расходы также уменьшатся. Учитывая, что в авиационном двигателе, кремнеземный аэрогель может применяться в двух режимах, в зависимости от температуры и требований окружающей среды. Во-первых, его можно распылять как тонкое изолирующее покрытие, чтобы защитить недостижимую и неровную основу от высоких температур. Гладкий и однородный слой изоляции будет оказывать небольшое сопротивление потоку воздуха.Температурные характеристики будут улучшены, что, в свою очередь, увеличит производительность двигателя во время крейсерского полета на большой высоте. Во-вторых, в отсеках с высокой вибрацией можно использовать гибкие легкие одеяла из кремнеземного аэрогеля нестандартной толщины. Их можно закрепить механически, чтобы предотвратить смещение и возникновение проблем с натягом. В отличие от покрытий, одеяла более устойчивы к загрязнениям и не разрушаются легко. Стоимость их обслуживания также ниже, чем у покрытий.

5.2. Огнестойкость

Тот факт, что он является неорганическим и легковоспламеняющимся материалом с постоянной рабочей температурой от −273 ° C до 650 ° C и высокой температурой плавления 1400 ° C, делает кремнеземный аэрогель отличным противопожарным экраном по сравнению с существующими горючими органическими покрытиями. которые при горении вызывают токсичные пары. Такие компоненты, как трубы, провода и электронные аксессуары в зонах возгорания авиационного двигателя, можно защитить с помощью тонких покрытий из аэрогеля, одновременно обеспечивая снижение веса по сравнению с обычными металлическими листами.Точно так же будет предотвращено возгорание прилегающих конструкций планера. Компания Aspen Aerogels исследовала такие области применения, в которых изоляционное покрытие из аэрогеля кремнезема толщиной 7 мм подвергалось воздействию пламени при температуре 1100 ° C в течение не менее 15 минут (см. Рисунки 7 (a) и 7 (b)). Температура на холодной стороне не превышала 150 ° C. И испытания на огнестойкость, и результаты соответствуют требованиям FAR Part 25.1191 [160] и AC 20–135 [161]. Однако продукт Pyrogel 6350 до сих пор не продавался для использования в авиации [162].Кроме того, тепловые потери, когда одеяла находятся под постоянной вибрацией и гравитационным напряжением в результате повторяющихся тепловых циклов, все еще неизвестны.

5.3. Акустика

Звуковые волны значительно поглощаются кремнеземными аэрогелями, что снижает скорость распространения до 100 м / с. Это связано с их чрезвычайно низким модулем Юнга, связанным с синтезом аэрогеля, точнее, с типом, давлением и плотностью межузельного газа [163, 164]. В настоящее время аэрогель на основе диоксида кремния признан перспективным материалом для создания акустических согласующих слоев высокочувствительных воздушных ультразвуковых преобразователей для усиления акустических волн в воздухе [165].Эксперименты проводились с использованием аэрогелей различной золь-гель плотности для наблюдения за эффектом скорости звука через аэрогели. Было обнаружено, что чувствительность ультразвукового преобразователя с согласующим слоем (ML-UT) может быть в двадцать раз выше, чем у обычного. Таким образом, ультразвуковой преобразователь аэрогеля может быть включен в будущие авиационные системы зондирования для определения дальности. Акустическая изоляция в самолетах с использованием аэрогеля также может быть рассмотрена на основе его акустического поглощения.Форест и Гибиат обнаружили, что минимальные потери передачи в гранулированном аэрогеле могут быть на 10 дБ выше, чем у стекловолокна той же толщины [166].

5.4. Анализ затрат

Основным ограничением предотвращения коммерческой интеграции кремнеземистого аэрогеля в авиационный сектор является его высокая стоимость. Стоит ли сейчас тратиться на такой дорогой материал для экономии места и меньшего веса? Может ли существовать линейная зависимость между экономией места и экономией затрат? American Airlines утверждала, что в 2011 году они сэкономили 422 миллиона долларов на эксплуатационных расходах за счет экономии топлива [167].Один из способов добиться этого — уменьшить взлетную массу, например, убрав с самолета ненужные предметы. В результате можно сэкономить около 1 миллиона галлонов реактивного топлива, что в сумме составит примерно 3,63 миллиона долларов в год [168]. На сегодняшний день ведущими компаниями по массовому производству кремнеземистого аэрогеля являются базирующиеся в Северной Америке промышленные предприятия Cabot Corporation и Aspen Aerogels. Оба опасаются теплоизоляции. Первый производит аэрогели диоксида кремния в основном в форме гранул под торговой маркой Nanogel, а второй концентрируется на гибких полотнах, зарегистрированных как Криогели, Пирогели и Spaceloft.Недавно в Китае появилась компания Nano Hi-Tech, которая считается третьим игроком, за которым следуют некоторые другие относительно небольшие производители, такие как EM-Power (Корея), AIRGLASS AB и немецкий ROCKWOOL. Несмотря на существующую рыночную конкуренцию, по-прежнему сложно компенсировать стоимость кремнеземного аэрогеля за счет других выгодных факторов. С другой стороны, сообщается, что можно достичь снижения стоимости производства Maerogel до 80%. Сравнение производительности и затрат между стекловолокном, обычным кремнеземным аэрогелем и Maerogel показано ниже.Сравнение производительности и стоимости стекловолокна, обычного кремнеземного аэрогеля и Maerogel показано в таблице 4.

Материал Теплопроводность (Вт / мК) Акустическое поглощение (дБ) Средняя стоимость (долл. США) Стекловолокно 0,0345–0,0040 ~ 5 0,2–2,8 / м 2 [126] Монолитный аэрогель кремнезема 0.0136–0,0038 ~ 15 3800 / м 3 [126] Монолитный Maerogel 0,0200–0,099 ~ 15 ~ 750–900 / м 3

6. Выводы

На основании вышеупомянутой литературы можно сказать, что фундаментальные отношения синтеза, структуры и свойств аэрогелей теперь осознаны в исследовательском сообществе после восьмидесяти лет огромных усилий.С течением времени были разработаны различные рентабельные методы производства, способствующие коммерциализации кремнеземных аэрогелей в различных высокотехнологичных областях. В аэрокосмической промышленности эффективность улавливания кремнеземного аэрогеля в качестве поглотителя кинетической энергии уже считается превосходной, в то время как его потенциал в качестве теплоизолятора показывает большие перспективы для применения в диапазоне от криогенных температур в космических кораблях до высоких температур в авиационных двигателях. Технико-экономические испытания изоляции космических скафандров с помощью аэрогеля показывают, что требуется более низкая теплопроводность, но ее еще предстоит достичь.Аэрогель на основе диоксида кремния, армированный волокном, эффективно удовлетворяет необходимым критериям Федеральных авиационных правил по огнестойкости авиационных двигателей, в то время как для акустических применений в самолетах все еще требуются глубокие исследования.