30.11.2013

Аэрогель – материал XXI века



Аэрогель или frozen smoke («застывший дым»), уже заслуживший 15 упоминаний в «Книге рекордов Гиннеса», является поистине самым необычным материалом на планете. Получают его путём высушивания жидкого геля, например, углерода или кремния. Вес 1 кубометра аэрогеля не превышает двух килограммов, а плотность некоторых его видов лишь в 1,5-2 раза больше плотности воздуха. Этот материал почти не пропускает звук и тепло и имеет температуру плавления более 1200 °С. Такие свойства позволяют использовать аэрогель как теплоизолятор в открытом космосе и как защитный противоударный материал.

Кремнивый аэрогель — это низкоплотный материал, состоящий, в основном, из воздуха и сложной, но хрупкой сети твёрдого вещества (0,1 г/см3). При физическом воздействии распад твёрдой сети происходит постепенно, тем самым рассеивая силу удара длительное время. В то же время аэрогель имеет открытые поры, и воздух, содержащийся в нём, вытесняется во время разрушения материала. А так как поры аэрогеля очень малы (20-50 нм в диаметре) и сила трения при выходе газа через поры достаточно высока, материал поглощает значительное количество энергии. Поскольку структура аэрогеля разрушается при ударе, отдача очень мала или её нет совсем.

Исследователи из лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (Балтимор, США) разработали технологию, которая позволяет эффективно использовать аэрогели (например, диоксида кремния, углерода и др.) как поглотители кинетической энергии, возникающей, например, в бронежилете при попадании пули, во время взрыва и т.д. Также могут быть использованы в качестве защитных антиаварийных покрытий в транспортных средствах.

Предложенная конструкция состоит из нескольких очень лёгких разрушаемых слоёв неорганического аэрогеля, размещённых между более традиционными упругими слоями органической ткани. Возможен также вариант внешнего расположения слоёв аэрогеля, прикреплённых к упругим слоям в определённых точках. Предполагается, что слои аэрогеля будут чрезвычайно тонкими, и такой защитный композит будет состоять из множества слоёв.

Сара Стаггс из Государственного университета Оклахомы (Стилуотер, США) разработала прототип современного лёгкого и прочного бронежилета. Путём объединения коммерческого защитного волокна Dyneema® (используемого вместо керамической плитки баллистического класса для уменьшения веса бронежилета), аэрогеля и кевлара баллистического класса Сара Стаггс сконструировала пластины бронежилета, который способен останавливать стандартную винтовочно-пулемётную пулю 7,62 NATO с минимальной деформацией защитных слоёв. Разработанная броня имела большую плотность, чем последние модели бронежилетов, но меньшую склонность к деформации. После испытаний прогиб внутренней поверхности бронежилета после попадания пули составил 12,7 мм. Стандартный бронежилет в тех же условиях даёт прогиб 44 мм и соответственно на 70% хуже защищает человека от попадания пуль.

Возможностей для применения аэрогеля масса: как теплоизолятор в снаряжении для водолазов, в космических аппаратах, как звуко- и теплоизоляционный материал в строительстве, как фильтр для очистки воды от ртути, свинца и кадмия, наконец, вследствие его биосовместимости как средство доставки лекарственных средств в организм человека. Словом, аэрогель — материал будущего!

Андрей Панов, ноябрь 2013.

По материалам:

  1. Kinetic energy absorbing aerogel composite structures for use in crash of impact protection and body or vehicle armor.
  2. Penetration resistance of polymer crosslinked aerogel armor subjected to projectile impact.

TEXT.RU - 92.39%