Unikátny keramický aerogél prežije mráz aj plameň nad 1300 °C

KĽÚČOVÉ ZISTENIA:

• Aerogél je 98 % stlačiteľný a pružný.

• Prežil kvapalný dusík aj plameň nad 1300 °C.

• Tepelná vodivosť: 0,02414 W·m⁻¹·K⁻¹ pri 25 °C.

Keramika sa bežne spája s krehkosťou: vydrží teplo, ale zlomí sa pri náraze alebo pri opakovanom namáhaní. Nový typ keramického aerogélu však ukazuje, že “keramické” nemusí automaticky znamenať “lámavé”, a že extrémna ľahkosť môže ísť ruka v ruke s pružnosťou.

V centre pozornosti je nanovláknitý aerogél z vysokentropického oxidu s označením GLTZH, navrhnutý ako tepelná superizolácia a tesnenie pre extrémne prostredia. Najvýraznejšie sú mechanické demonštrácie.

Autori uvádzajú, že aerogél zvláda opakované deformácie vrátane 1000 cyklov stláčania pri 50 % inžinierskom pretvorení, 360° torzie a 180° preloženia. Z pohľadu použiteľnosti je to zásadné, pretože mnohé aerogély sú síce skvelé izolanty, no pri reálnom kontakte s vibrujúcou konštrukciou alebo pri montáži rýchlo strácajú tvar a integritu.

Extrémy pokračujú aj pri teplote. V texte sa uvádza, že zhutnená vzorka sa dokáže úplne vrátiť do pôvodného tvaru po ponorení do kvapalného dusíka pri −198 °C. To je zaujímavé, pretože nízke teploty často spravia z poréznych štruktúr krehké “sklo”, no tu sa má materiál správať elasticky.

Rovnako pôsobivé je správanie pri vysokej teplote. Pri dynamickom plameňovom zaťažení acetylénovým horákom nad 1300 °C sa aerogél podľa autorov dá stlačiť do tenkého tvaru a následne sa znovu úplne zotaví bez prasknutia.

Ak sa takáto vlastnosť ukáže aj mimo laboratória, je to presne to, čo potrebujú konštrukcie, kde izolácia nie je len “doska”, ale súčasť systému, ktorý sa hýbe, tesní a absorbuje deformácie. Aerogély sú pritom atraktívne najmä pre veľmi nízku tepelnú vodivosť, ktorá vyplýva z vysokej pórovitosti.

Pre GLTZH sa uvádza tepelná vodivosť 0,02414 W·m⁻¹·K⁻¹ pri 25 °C a 0,08121 W·m⁻¹·K⁻¹ pri 1000 °C. Zároveň sa spomína použiteľnosť pri vysokých teplotách a servisná teplota približne 1300 °C, čo je oblasť, kde už veľa “mäkkých” izolantov končí.

Autori demonštrujú izoláciu aj na praktickom scenári. Jedna strana materiálu sa zohrieva až na 1300 °C, zatiaľ čo na druhej strane má byť teplota stále pod 50 °C, teda znesiteľná pri krátkom dotyku ruky.

Pointa nie je “trik”, ale to, že tepelná izolácia a mechanická poddajnosť môžu byť v jednom materiáli, čo je v priemyselných aplikáciách často bolestivá kombinácia. Dôležité je aj použitie ako tesnenie pri simulovanej tryske motora so stredovou teplotou nad 1300 °C.

Tesnenie v takýchto podmienkach typicky trpí, pretože musí naraz izolovať a vyplniť medzery pri teplotnej rozťažnosti a vibráciách. Ak to aerogél zvládne, je to signál, že nejde len o “izolačný vankúš”, ale o funkčný konštrukčný prvok. Pozoruhodná je napokon aj hustota, ktorá sa uvádza ako 4,35 mg·cm⁻³, teda 4,35 kg·m⁻³.

Pri takýchto hodnotách sa zvyčajne očakáva krehký materiál, no tu sa zároveň uvádza 98 % stlačiteľná elasticita a schopnosť fungovať v extrémnych podmienkach. Práve táto kombinácia vysvetľuje, prečo podobné materiály priťahujú pozornosť od energetiky cez letectvo až po kozmické technológie.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ:
Ak keramika prestane byť krehká, izolácia sa dá použiť aj tam, kde sa všetko hýbe a hreje. To je kľúčové pre motory, tepelné štíty aj tesnenia v extrémnych podmienkach.

^{Zdroj: nanowerk.com, advanced.onlinelibrary.wiley.com foto: depositphotos.com}