تجمع مركبات الأيروجيل المصنوعة من الأراميد والسيراميك بين العزل خفيف الوزن والقوة الميكانيكية ومقاومة التآكل لتطبيقات الفضاء والإلكترونيات ومعدات الحماية.
مواجهة البيئات القاسية باستخدام مركبات الأراميد والسيراميك
غالباً ما تواجه المواد المقاومة للتآكل والعازلة للحرارة، والمصممة للبيئات القاسية، تحديات غير متوقعة أثناء تطويرها وتصنيعها. فمن جهة، يجب أن تحافظ المادة على خصائص محددة، مثل مقاومة الصدمات، ولكن غالباً ما يتدهور أداؤها (وتحديداً، تنخفض مقاومتها للحرارة) عند درجات الحرارة العالية. ونتيجة لذلك، يتطلب تصنيع منسوجات متينة للحماية الحرارية في كثير من الأحيان عمليات تصنيع معقدة تتضمن دمج مواد متعددة.
الأراميد الألياف تُستخدم هذه المواد على نطاق واسع في تطبيقات الحماية، مثل معدات رجال الإطفاء وفرق الاستجابة للطوارئ، نظرًا لخصائصها الميكانيكية الممتازة. مع ذلك، تحدّ خصائصها الحرارية من استخدامها؛ إذ إنّ موصليتها الحرارية العالية نسبيًا وطبيعتها البوليمرية الحساسة للحرارة تجعل من الصعب توفير حماية حرارية كافية عبر نطاق واسع من درجات الحرارة مع الحفاظ في الوقت نفسه على قوة ميكانيكية عالية.
في المقابل، توفر الهلاميات الهوائية الخزفية قدرات عزل استثنائية بفضل بنيتها المسامية المتوسطة، التي تتميز بمساحة سطحية نوعية عالية وكثافة منخفضة. ومع ذلك، تعاني هذه المواد فائقة الخفة من هشاشة ميكانيكية وضعف في الأداء الميكانيكي.
قام باحثون في جامعة بافالو بدمج نقاط قوة كلا المادتين لتطوير مركب نانوي من الأراميد/السيراميك المقاوم للتآكل والذي يتميز بخصائص ميكانيكية وحرارية رائعة.
(على سبيل المثال، هذا المركب النانوي من هلام الأروميد الهوائي يستقر على برعم زهرة)
تظهر عينة من مركب الأيروجيل النانوي الجديد المصنوع من ألياف الأراميد موضوعة على برعم زهرة، مما يدل على خفة وزن المادة. هذه الخصائص تجعل هذا المركب النانوي الجديد مرشحًا واعدًا لإنتاج منسوجات قابلة للارتداء بتكلفة منخفضة، مصممة للاستخدام في بيئات قاسية، بما في ذلك صناعات الطيران والفضاء والإلكترونيات ومعدات الحماية الشخصية.
أعلن فريق بقيادة أستاذ من جامعة بافالو عن نتائجهم المتعلقة بهذا المركب الهوائي المتطور من الأراميد والسيراميك، حيث عرضوا مادة ذات كثافة منخفضة (0.08 جم/سم³)، وموصلية حرارية منخفضة (0.034 واط/م.ك)، وقابلية انضغاط عالية، إلى جانب قوة انضغاط تبلغ 1.1 ميجا باسكال. تتضمن العملية تحضير نسيج هوائي من الأراميد من خلال تفاعل ربط متقاطع في الموقع بين
ألياف الأراميد ومواد أولية لهلام السيليكا الهوائي (حمض الهيدروكلوريك، ومذيلات CTAB، واليوريا، وسيليكات الصوديوم). تصف شركة Nanowerk عملية التصنيع قائلةً: "استخدمنا استراتيجية تصنيع بسيطة وقابلة للتطوير لإنتاج المركب النانوي عبر تفاعل ربط متقاطع في الموقع بين هلام السيليكا الهوائي النانوي المسامي وألياف الأراميد؛ وتشكل ألياف المركب النانوي الناتجة شبكة ثلاثية الأبعاد مترابطة مع مصفوفة سيليكا مجوفة متوسطة المسام." يتميز هيكل ألياف الهلام الهوائي بشبكة مسامية مترابطة ومحتوى عالٍ من الهواء المحبوس، مما يمنح مركب ألياف الأراميد-الهلام الهوائي أداءً استثنائيًا في العزل الحراري، حتى في البيئات القاسية التي تتراوح درجات حرارتها من -196 درجة مئوية إلى 400 درجة مئوية.
يكمن سرّ هذه الطريقة التصنيعية في الترابط الموضعي الذي يحدث بين طليعة هلام السيليكا وألياف الأراميد. خلال عملية التجفيف تحت الضغط الجوي، تتحول الطليعة إلى هلام سيليكا نانوي المسام ويترسب على ألياف الأراميد. تشكل ألياف الأراميد شبكة ترشيح، بينما يترابط هلام السيليكا ويترسب على هذه الشبكة. كما أن الترابط البيني بين ألياف الأراميد والهلام، الذي يتشكل أثناء عملية التجلط، يمنع انهيار شبكة الألياف.
بعد أن أثبت الفريق بنجاح الخصائص الفائقة لمادة العزل النانوية المركبة هذه، فإنه يقوم الآن بدراسة تطبيقات محددة، بما في ذلك العزل الحراري وأنظمة مقاومة التآكل، والدروع المقاومة للصدمات، والمكونات الهيكلية للتطبيقات الحساسة للحرارة.
