BR112015021190B1

BR112015021190B1 - Compósito de aerogel e painel laminado

Info

Publication number: BR112015021190B1
Application number: BR112015021190-9A
Authority: BR
Inventors: Shannon O. White; Nicholas A. Zafiropoulos; Jimmy L. Clark
Original assignee: Aspen Aerogels, Inc
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2021-10-05
Also published as: CN105189104A; CA2902538C; BR112015021190A8; US20210371592A1; US20140255642A1; US20170326849A1; US9593206B2; US20230357504A1; CN105189104B; WO2014197028A3; US10246554B2; AU2014275508A1; BR112015021190A2; US20190225753A1; WO2014197028A2; US11046815B2; CA2902538A1; AU2014275508B2; CN111136987A; US11760837B2

Abstract

compósito de aerogel reforçado com fibra, e painel laminado. a presente invenção refere-se a artigos e métodos relacionados a painéis de isolamento feitos de aerogéis e, especificamente, aerogéis com base em poliimida. tais painéis de isolamento têm uma ampla variedade de aplicações, incluindo especificamente em aplicações aeroespaciais.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção foi feita com o apoio do governo dos Estados Unidos da América sob o Contrato W31P4Q-10-C-0209 concedido por DARPA. O governo tem certos direitos nesta invenção.

[002] A invenção refere-se aos painéis laminados os quais podem ser usados em aplicações aeroespaciais. Os painéis incluem uma camada de aerogel com base em poli-imida, pelo menos uma camada da folha dupla e uma camada de proteção refletora na folha dupla.

HISTÓRICO

[003] A presente invenção refere-se a painéis laminados os quais incluem uma camada de aerogel com base em poli-imida, pelo menos uma camada da folha dupla e uma camada de proteção refletora na folha dupla. A camada de aerogel funciona tanto para isolar como para apoiar estruturalmente o painel.

[004] Os painéis aeroespaciais são difíceis de projetar e produzir. A natureza da viagem aeroespacial apresenta tensão ambiental sobre os materiais do painel que estão muito além da tensão observada nas aplicações típicas daqueles materiais. Os materiais usados no design de revestimento aeroespacial devem ser, portanto, duráveis o suficiente para suportar as condições extremas naqueles ambientes estressantes. A natureza da viagem aeroespacial também exige que os materiais de revestimento sejam tão leves quanto possível. Pequenas diferenças na densidade e peso destes materiais podem ter efeitos significativos sobre a funcionalidade do painel, assim como a funcionalidade e eficiência energética do dispositivo aeroespacial como um todo. Assim, os materiais de isolamento e estruturais nos painéis aeroespaciais devem ser selecionados e otimizados para os desafios específicos encontrados na viagem aeroespacial.

[005] Os compósitos de aerogel têm propriedades físicas e químicas que podem ser potencialmente otimizadas para suportar as demandas do design do painel aeroespacial. Os aerogéis descrevem uma classe de materiais com base na sua estrutura; a saber, estruturas de célula aberta com baixa densidade com grandes áreas de superfície (frequentemente, 900 m2/g ou maior) e tamanhos de poro em escala de subnanômetro. Aerogéis podem ser preparados pela substituição do solvente líquido em um gel aquoso com ar, sem substancialmente alterar ou causar um colapso da estrutura de rede (por exemplo, características de poro) ou do volume do corpo do gel. As tecnologias de extração de fluido supercríticas e subcríticas são usadas para extrair o fluido do gel sem causar o colapso dos poros. Uma variedade de diferentes composições de aerogel inorgânicas e orgânicas é conhecida. Os aerogéis inorgânicos são geralmente com base nos alcóxidos de metal e incluem materiais tais como sílica, carbetos e alumina. Os aerogéis orgânicos incluem aerogéis de carbono e aerogéis poliméricos tais como poli-imidas.

[006] Os aerogéis funcionam como isolantes térmicos principalmente ao minimizar a condução (caminho tortuoso com baixa densidade para a transferência de calor através das nanoestruturas), convecção (tamanhos de poro muito pequenos para minimizar a convecção) e radiação (dopantes supressores de IV podem ser facilmente dispersos ao longo da matriz de aerogel). Dependendo da formulação, os aerogéis podem funcionar em temperaturas de 550 °C e acima. Materiais de aerogel com densidade baixa a moderada (tipicamente na faixa de cerca de 0,01 g/cm a cerca de 0,3 g/cm) são amplamente considerados os melhores isolantes térmicos sólidos, e têm condutividades térmicas de cerca de 12 mW/m-K e abaixo a 37,8° C e pressão atmosférica.

[007] Os aerogéis também podem ser reforçados com fibra durante a produção para prover significativa estabilidade estrutural e resiliência, particularmente em aplicações de alta tensão de flexão. A flexibilidade das folhas duplas finas de aerogel (tipicamente entre cerca de 0,1 mm e cerca de 25 mm) permite a fabricação de grandes seções de compósitos de aerogel que retêm a maioria das qualidades úteis de aerogéis, tais como baixa densidade e baixa condutividade térmica.

[008] Assim, existe uma necessidade de materiais de isolamento e estruturais que tenham as propriedades de resistência, condutividade térmica e densidade para permitir o design e fabricação otimizados de painéis aeroespaciais. Especificamente, existe uma necessidade de materiais de aerogel otimizados que tenham propriedades de resistência, condutividade térmica e densidade que permitam o design e fabricação otimizados de painéis aeroespaciais. Também existe uma necessidade de painéis aeroespaciais laminados que incorporem eficazmente os materiais de aerogel otimizados.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] A presente invenção descreve um painel laminado, compreendendo: (a) uma camada de aerogel com base em poli-imida tendo duas faces principais; (b) uma folha dupla em pelo menos uma face principal da camada de aerogel e; (c) uma camada refletora adjacente à folha dupla. O painel pode incluir uma folha dupla em ambas as faces principais da camada de aerogel. O painel pode incluir adicionalmente as vedações de borda para vedar as bordas do painel. O painel pode compreender pelo menos um orifício em ou através do painel para facilitar a fixação.

[010] O painel inclui uma camada de aerogel com base em poli-imida. Os aerogéis com base em poli-imida usados na presente invenção podem ser carbonizados. A carbonização pode ser realizada pela pirólise em elevadas temperaturas em uma atmosfera inerte. As formas carbonizadas dos aerogéis usados na presente invenção podem ter o teor de nitrogênio entre 0 e 20%. Os aerogéis usados na presente invenção também podem compreender componentes de sílica. Tais componentes de sílica podem estar nas misturas físicas com poli-imidas ou covalentemente ligadas à sílica. A camada de aerogel também pode ser reforçada com fibras. O aerogel pode compreender um opacificador tal como dióxido de titânio, carbeto de silício, negro de fumo, fosfatos de grafite, boratos, silicatos de metal, metalocenos, molibdatos, estanatos, hidróxidos, carbonatos, óxidos de zinco, óxidos de alumínio, óxidos de antimônio, misturas de magnésio-zinco, misturas de magnésio- zinco-antimônio ou uma combinação dos mesmos.

[011] A camada de aerogel pode compreender uma poli-imida com base em aerogel que tem propriedades físicas e químicas específicas. Especificamente, a camada de aerogel da presente invenção pode ter uma combinação de resistência à flexão específica, módulo de flexão, densidade e condutividade térmica. O material de aerogel pode ter uma resistência à flexão, sem falha, de pelo menos 150 psi, pelo menos 200 psi, ou pelo menos 250 psi. O material de aerogel pode ter um módulo de flexão, sem falha, de pelo menos 5.000 psi, pelo menos 20.000 psi, ou pelo menos 40.000 psi. O material de aerogel pode ter uma densidade abaixo 0,25 g/cc, abaixo 0,15 g/cc, ou abaixo 0,10 g/cc. O material de aerogel pode ter uma condutividade térmica à temperatura ambiente e pressão ambiente abaixo 40 mW/m-K, abaixo 30 mW/m-K, ou abaixo 20 mW/m-K. O material de aerogel pode ter uma condutividade térmica à temperatura ambiente em um vácuo de 10-5 torr abaixo 10 mW/m-K, abaixo 5 mW/m-K, ou abaixo 3 mW/m-K.

[012] O painel inclui a folha dupla em pelo menos uma face principal da camada de aerogel. Em uma realização, o painel inclui uma folha dupla em ambas as faces principais da camada de aerogel. Em outra realização, a folha dupla compreende uma folha dupla de éster de cianato de grafite.

[013] O painel inclui uma camada refletora adjacente à folha dupla. A camada refletora reflete pelo menos uma frequência de energia incidente. Em uma realização, a camada refletora cobre a totalidade da folha dupla. Em outra realização, a camada refletora protege o painel do dano pela reflexão de pelo menos uma frequência de energia incidente que pode danificar potencialmente o painel. A camada refletora pode compreender um material de revestimento de Teflon prata.

[014] O painel pode incluir pelo menos um respiradouro que permite que o ar flua para dentro e para fora do painel. O painel pode incluir pelo menos um filtro que filtra uma matéria particulada. Em uma realização, o painel inclui um respiradouro que permite que o ar flua para dentro e para fora do painel e um filtro particulado sobre o respiradouro que mantém a matéria particulada dentro do painel. Em outra realização, o painel inclui vedações de borda que incluem pelo menos um respiradouro e pelo menos um filtro particulado. Em uma realização adicional, o painel inclui vedações de borda que incluem pelo menos um respiradouro e pelo menos um filtro particulado, em que os respiradouros nas vedações de borda permitem que o ar flua para dentro e para fora das bordas do painel, e em que os filtros capturam e retêm matéria particulada no escoamento de ar para impedir a contaminação do ar fora do painel com matéria particulada.

[015] A presente invenção também provê métodos de fabricação de um painel laminado compreendendo as etapas de: (a) prover uma camada de aerogel de poli-imida com duas faces principais; (b) fixar uma folha dupla a pelo menos uma face principal da camada de aerogel e; (c) fixar uma camada refletora à folha dupla. Os painéis da presente invenção podem ser vedadas nas bordas. Pelo menos um orifício através do painel pode ser provido por várias razões, incluindo a acomodação para os membros estruturais. Tais orifícios podem não ter que ser através de toda a espessura do painel e podem simplesmente permitir que os fixadores ou parafusos sejam usados para a fixação do painel contra outros componentes.

[016] Em uma realização, a presente invenção compreende uma camada de isolamento de aerogel tendo: (a) densidade de 0,20 g/cc ou menos, 0,15 g/cc ou menos, ou 0,10 g/cc ou menos; (b) uma condutividade térmica à temperatura ambiente e pressão ambiente de 30 mW/m-K ou menos, 25 mW/m-K ou menos, 20 mW/m-K ou menos, ou 15 mW/m-K ou menos; (c) uma resistência à flexão de 150 psi ou mais, 200 psi ou mais, ou 250 psi ou mais e; (d) um módulo de flexão de 5000 psi ou mais, 20000 psi ou mais, ou 40000 psi ou mais. A camada de isolamento de aerogel também pode ter uma condutividade térmica à temperatura ambiente e pressão a vácuo a 10-5 Torr de 10 mW/m-K ou menos, 5 mW/m-K ou menos, ou 3 mW/m-K ou menos.

[017] Em outra realização, a camada de isolamento de aerogel compreende um aerogel de poli-imida ou derivado do mesmo. A camada de isolamento de aerogel também podem ser um aerogel reforçado com fibra.

[018] Ainda em outra realização, a presente invenção compreende um painel laminado compreendendo: (a) uma camada de aerogel tendo pelo menos duas faces principais; (b) uma folha dupla adjacente a pelo menos uma face principal da camada de aerogel e; (c) uma camada refletora adjacente à folha dupla. O painel pode incluir uma primeira folha dupla adjacente a uma primeira face principal da camada de aerogel, e uma segunda folha dupla adjacente a uma segunda face principal da camada de aerogel. O painel também pode ser vedado nas bordas por pelo menos uma vedação da borda.

[019] Em ainda outra realização, o painel inclui pelo menos um respiradouro, e pelo menos um filtro do respiradouro. O painel também pode incluir uma vedação da borda que inclui pelo menos um respiradouro e pelo menos um filtro do respiradouro. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A figura 1 ilustra o esquema sintético para fazer poli-imidas. A figura 2 ilustra uma variedade de fatores de forma de aerogel de poli-imida: monolito, monolito moldado, monolito usinado, monolito opacificado, e reforçado com fibra. A figura 3 ilustra a resistência compressiva de gel de poli-imida úmido e tempo de gelação versus concentração de catalisador. A figura 4 descreve monolitos de aerogel PI opacificados com carbono verdes não carbonizados (g) e recozidos (a). A figura 5 ilustra a condutividade térmica versus a densidade final para aerogéis PI opacificados e não opacificados. A figura 6 ilustra monolito de aerogel de poli- imida antes e após a compressão uniaxial. A figura 7 ilustra a resistência compressiva versus os dados de tensão para os monolitos de aerogel de poli- imida. A figura 8 ilustra o módulo compressivo versus a densidade para monolitos de aerogel de poli-imida, sílica e híbridos com sílica. A figura 9 ilustra imagens de PI reforçado aerogéis. A figura 10 ilustra dados de densidade e condutividade térmica para monolitos de aerogel de poli-imida reforçados com fibra. A figura 11 ilustra condutividade térmica, espessura e densidade para empilhamentos de 1, 2, 3 e 4 camadas de aerogéis de poli-imida reforçados com fibra. A figura 12 ilustra um gráfico de espessura e densidade de empilhamentos de múltiplas camadas de aerogéis de poli-imida reforçados com fibra. A figura 13 ilustra fotografia de compósitos de fibra de carbono de aerogel PI preparados em várias densidades alvo. A figura 14 ilustra espessura, densidade e condutividade térmica finais para aerogéis de poli-imida reforçados com fibra de carbono preparados em várias densidades alvo. A figura 15 ilustra imagens SEM de compósito de fibra de carbono de aerogel PI em ampliações de a) 30x, b) 250x e c) 150kx. A figura 16-1 inclui uma fotografia de compósito de fibra de carbono de aerogel PI com 4 camadas acolchoadas usando fio Kevlar. A figura 16-2 ilustra resistências compressivas e à flexão para aerogéis de poli-imida reforçados com fibra de carbono com múltiplas camadas. A figura 17 ilustra força compressiva versus curvas de tensão para vários aerogéis de poli-imida reforçados com fibra. A figura 18 ilustra força de flexão versus curvas de tensão para vários aerogéis de poli-imida reforçados com fibra. A figura 19 ilustra condutividade térmica com nível a vácuo versus temperatura de monolito e aerogéis de poli- imida reforçados com fibra de carbono. A figura 20 ilustra um esquema e protótipo de painel compósito sanduíche equipado com insertos e aerogel de poli-imida reforçado com fibra de carbono contendo vedações na borda. A figuras 21a-21k ilustram etapas para a instalação de inserto cego no conjunto de compósito sanduíche. A figura 22 ilustra um esquema para o design de vedação na borda segmentado. A figura 23 ilustra cupons do painel com 3” x 8” após teste de dobramento de 4 pontos, indicação a delaminação nas bordas entre folhas duplas e núcleo PI de aerogel. A figura 24 ilustra falha interlaminar para amostras com 2” x 2” durante o teste de tração com o lado plano para cima. A figura 25 ilustra falha interlaminar para amostras com 3” x 4” durante o teste de cisalhamento. A figura 26 ilustra curvas de força-tensão para amostras com 2” x 2” durante compressão com o lado plano para cima.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[020] A presente invenção provê um painel laminado compreendendo: (a) uma camada de aerogel com base em poli-imida tendo duas faces principais; (b) uma folha dupla em pelo menos uma face principal da camada de aerogel e; (c) uma camada refletora adjacente à folha dupla. O painel pode incluir uma folha dupla em ambas as faces principais da camada de aerogel. O painel pode incluir adicionalmente vedações de borda para vedar as bordas do painel. O painel pode compreender pelo menos um orifício em ou através do painel.

[021] Os aerogéis de poli-imida podem ser otimizados para ter propriedades físicas e químicas específicas. Especificamente, os aerogéis da presente invenção podem ser otimizados para ter uma combinação específica de resistência à flexão, módulo de flexão, densidade e condutividade térmica. O material de aerogel pode ter uma resistência à flexão, sem falha, de pelo menos 150 psi, pelo menos 200 psi, ou pelo menos 250 psi. O material de aerogel pode ter um módulo de flexão, sem falha, de pelo menos 5.000 psi, pelo menos 20.000 psi, ou pelo menos 40.000 psi. O material de aerogel pode ter uma densidade abaixo 0,25 g/cc, abaixo 0,15 g/cc, ou abaixo 0,10 g/cc. O material de aerogel pode ter uma condutividade térmica à temperatura ambiente e pressão ambiente abaixo 40 mW/m-K, abaixo 30 mW/m- K, abaixo 20 mW/m-K, ou 15 mW/m-K ou menos. O material de aerogel pode ter uma condutividade térmica à temperatura ambiente em um vácuo de 10-5 torr abaixo 10 mW/m-K, abaixo 5 mW/m-K, ou abaixo 3 mW/m-K.

[022] A resistência à flexão de um material é a capacidade de um material de resistir à deformação catastrófica sob uma tensão carregada. A resistência à flexão pode ser medida usando uma técnica de teste de flexão com dobramento transversal de três pontos, tal como o teste ASTM D790. Geralmente, a resistência à flexão é definida pela pressão (psi ou Mbar) experimentada por um material no momento de ruptura ou evento físico catastrófico devido à tensão carregada. Este valor é extraído, tipicamente, de uma curva de força-tensão produzida por um teste de resistência à flexão para um material (vide a Figura 18).

[023] O módulo de flexão de um material é a tendência de um material a dobrar ou, mais especificamente, a razão de tensão para força na deformação de flexão do material. É determinado a partir da inclinação de uma curva de força-tensão produzida por um teste de resistência à flexão (tal como o ASTM D790).

[024] O painel laminado também pode incluir uma vedação da borda. A vedação da borda pode ser contínua ao longo de toda a borda do painel. A vedação da borda pode consistir em um design segmentado (Figura 22). Em uma realização, o design segmentado pode incluir segmentos de vedação de fibra de vidro com formatos em U com 2” de comprimento que são distribuídos ao longo da borda do painel. Os segmentos de vedação incluem respiradouros com 0,25” cobertos por 0,5 μm de filtros de partícula. Os respiradouros permitem que o ar passe para dentro e para fora do painel. Este respiradouro é importante em aplicações aeroespaciais porque ele permite que a pressão do ar dentro do painel normalize com a pressão ambiente do ambiente à medida que o painel atravessa entre várias elevações. O filtro de partícula impede quaisquer partículas de escapar do painel interior durante evacuação por lançamento e/ou desgaseificação do painel. Estes segmentos são ligados às folhas duplas externas com uma lacuna de 2” entre as extremidades dos segmentos. A lacuna com 2” entre os segmentos é coberta com fita Kapton de 2-mil para completar a vedação das bordas do painel. Este design oferece algumas vantagens de fabricação significativas pelo fato de que os segmentos com 2” de comprimento de vedação da borda formada podem ser pré-formados, cortados em comprimentos de 2” e inventariados.

[025] A presente invenção também provê processos para a produção de compósitos de aerogel reforçados com fibra poli-imida. O processo inclui: (a) a formação de solução de poli (ácido ámico) de uma mistura de dianidrido e monômeros de diamina em um solvente básico dipolar tal como N,N-dimetilacetamida (DMAc) ou N-metilpirrolidona (NMP); (b) fundição da solução de poli (ácido ámico) em uma almofada de fibras antes da gelação; (c) gelificação da solução de poli (ácido ámico) por imidização química usando anidrido acético e piridina; (d) remoção da fase líquida transiente contida dentro do gel com CO2 supercrítico ou subcrítico para dar um compósito de aerogel de fibra/poli-imida. Os aerogéis de poli-imida podem ser produzidos de dianidrido aromático e monômeros de diamina, tais como diaminas aromáticas ou uma mistura de pelo menos um monômero de diamina aromático e pelo menos um monômero de diamina alifático. O aerogel de poli- imida resultante pode ser otimizado para possuir distribuição de tamanho de poro de baixa densidade, estreita, com mesoporos e boa resistência mecânica.

[026] A preparação de géis aquosos de poli- imida é um procedimento em duas etapas (Figura 1): (a) formação da solução de poli (ácido ámico) de uma mistura de dianidrido e diamina em um solvente básico dipolar tal como N,N-dimetilacetamida (DMAc) ou N-metilpirrolidona (NMP) e; (b) ciclização catalisada com anidrido acético e piridina para formar poli-imida. O trabalho anterior com a sintetização de aerogéis de poli-imida mostrou que a primeira etapa exige tipicamente pelo menos 12 horas de mistura à temperatura ambiente permitindo a formação significativa do polímero de poli (ácido ámico) e rendendo géis aquosos estáveis robustos. As condições de gelação dependem de vários fatores, incluindo a densidade preparada da solução. As soluções com maior densidade gelificarão mais rápido do que as soluções com menor densidade. Uma vez que o sistema tenha alcançado o estado gelificado, os géis são tratados com calor em um forno a 65 °C por 16 horas após cujo tempo os géis aquosos são enxaguados repetidamente com etanol. O enxágue ocorre pelo menos três vezes antes da extração de CO2 e serve para remover o solvente de DMAc residual e monômeros não reagidos os quais são insolúveis tanto no CO2 super quanto subcrítico. O CO2 pode então ser usado em técnicas conhecidas daqueles versados na técnica para a extração de solvente úmido para criar a estrutura de aerogel. Outras técnicas para a preparação e otimização de aerogéis de poli-imida podem ser encontradas nos Pedidos de Patentes Norte-Americanos 10/625.501 e 11/047.200, ambos os quais são incorporados aqui por referência em sua totalidade.

[027] Os aerogéis de poli-imida podem tomar uma variedade de formas (Figura 2). Quando a solução de poli (ácido ámico) é catalisada usando anidrido acético e piridina, o gel aquoso e o aerogel resultantes são transparentes e laranja avermelhado na cor. Quando catalisado usando trietilamina, o gel aquoso e aerogel resultantes são opacos e amarelos na cor. Os aerogéis de poli-imida podem ser preparados como monolitos transparentes independentes os quais podem ser moldados em formato específico ou usinados no estado de aerogel final. Os aerogéis de poli-imida também podem ser reforçados com uma almofada de fibras contínua para prover um material compósito em placa rígida. Finalmente, a solução de poli (ácido ámico) anterior à gelação pode ser dopada com uma variedade de opacificadores, incluindo negro de fumo, grafite, nanotubos de carbono, óxidos de metal, metais, dióxido de titânio, carbeto de silício, fosfatos, boratos, silicatos de metal, metalocenos, molibdatos, estanatos, hidróxidos, carbonatos, óxidos de zinco, óxidos de alumínio, óxidos de antimônio, misturas de magnésio-zinco, misturas de magnésio-zinco-antimônio ou uma combinação dos mesmos.

[028] Em uma realização, os componentes de sílica também estão presentes nos aerogéis da presente invenção. A sílica pode ser incorporada na matriz de poli- imida seja como mistura física ou ela pode ser ligada covalentemente à poli-imida. O Pedido de Patente Norte- Americano Ser. No. 13/299.677 descreve alguns de tais aerogéis híbridos de sílica-poli-imida covalentemente ligados, os quais são incorporados por referência em sua totalidade. Em outra realização, os aerogéis de poli-imida da presente invenção são carbonizados. A carbonização resulta em pelo menos alguns dos materiais poliméricos sendo convertidos em carbono usando várias técnicas conhecidas, tais como pirólise. Em uma realização preferida, os aerogéis de poli- imida são aquecidos até temperaturas elevadas suficientemente altas para induzir a pirólise. As temperaturas típicas da pirólise variam range entre 500°C e 2000° C. A temperatura pode ser aumentada para reduzir o teor de nitrogênio do aerogel de carbono resultante. A pirólise é tipicamente realizada em uma atmosfera inerte (isto é, nitrogênio, hélio, neon, argônio ou alguma combinação). O teor de nitrogênio dos aerogéis de carbono pode ser de 0% a 20%.

[029] A presente invenção provê adicionalmente processos para a fabricação de laminado, compósitos de painel sanduíche compreendidos de compósitos de aerogéis de poli- imida reforçados com fibra e folhas duplas. Os painéis também podem incluir elementos adicionais tais como camadas de proteção refletoras, vedações na borda, respiradouros, filtros e insertos para a montagem de componentes. O processo inclui: (a) provisão de uma camada de aerogel tendo duas faces e pelo menos uma folha dupla; (b) limpeza e, opcionalmente, abrasão das superfícies do aerogel e folha dupla para preparar para a adesão; (c) aplicação de uma película adesiva à folha dupla; (d) combinação da folha dupla e camada de aerogel de modo que a folha dupla adere à face da camada de aerogel e; (e) cura do laminado de folha dupla de aerogel até a completa adesão.

[030] Os exemplos a seguir provem várias realizações e propriedades da presente invenção. EXEMPLO 1

[031] A resistência do gel de gel aquoso de poli-imida foi medida para um sistema preparado com densidade alvo inicial (isto é, teor de sólidos) de 0,085 g/cc em função da concentração de catalisador. O teor de catalisador na Figura 3 representa a razão molar combinada de anidrido acético e piridina. Verificou-se que a resistência compressiva do gel aquoso medida após 24 horas de sinerese é de aproximadamente 4600 psi para os teores de catalisador variando entre 9,2 e 4,4. Quando a concentração de catalisador foi de 2,8, o tempo do gel foi consideravelmente maior e a resistência da resistência do gel aquoso resultante foi quase a metade (1900 psi) daquelas com maiores teores de catalisador. EXEMPLO 2

[032] O negro de fumo (de Cabot - Monarch 1300) foi usado como um opacificador na preparação de monolitos de aerogel de poli-imida a fim de reduzir a condutividade térmica. Os opacificadores com tamanho de partícula de submícron são preferivelmente usados como um material de dissipação de calor adicional. A solução de poli (ácido ámico) como descrita anteriormente foi usada para preparar os monolitos PI de aerogel não opacificados também foi empregada para a síntese de monolitos de aerogel PI opacificados com carbono. As densidades alvo de 0,03, 0,06 e 0,08 g/cc foram preparadas com 1 e 5 % em peso de carbono. Não é preferível adicionar o opacificador em estágios iniciais de formação de PI visto que isso pode resultar em crescimento de polimerização obstruído e géis úmidos. Preferivelmente, a adição do opacificador em 1 e 5 % em peso (relativa ao teor de sólido total) após o anidrido acético, mas antes dos catalisadores de piridina, ajuda a conservar a integridade da polimerização. Para impedir a possível sedimentação do carbono antes da gelação, as soluções foram submetidas à ultrassom por 15 minutos e, após os géis serem fundidos, elas foram aquecidas imediatamente a 65 °C por 16 horas (durante a noite). Da mesma forma, os géis aquosos foram enxaguados três vezes com etanol antes da extração de CO2. As imagens de aerogéis PI opacificados com carbono podem ser vistos na Figura 4.

[033] A opacificação levou uma diminuição de quase 10 unidades em condutividade térmica quando 5 % em peso de carbono foram empregados. Isto é evidente na Figura 5 e Tabela 1. Tabela 1. Características Físicas de monolitos de aerogel PI opacificados com carbono.

[034] Por exemplo, 1%-8g tinha uma TC de 43,0 mW/m-K. 5%-8g tinha quase a mesma densidade final, mas um valor de TC de 34,0 mW/m-K. Para aquelas amostras que foram recozidas, 1%-6a, 1%-8a e 5%-8a, o resultado é consistente com monolitos PI de aerogel não opacificados pelo fato de que a densidade aumenta após o recozimento levando a um aumento em TC. Isto demonstra o potencial para a opacificação para reduzir a condutividade térmica pelo menos em condições ambientes. Espera-se que esta observação seja mais dramática em temperaturas elevadas onde contribuições para transferência de calor radiante são maiores. A opacificação acima de 5 % em peso de carbono tendeu a diminuir a resistência dos aerogéis, especialmente em menores densidades e foi, portanto, não considerado para estudo adicional. EXEMPLO 3

[035] A análise da compressão uniaxial das amostras da presente invenção foi testada usando um ínstron (Modelo 5569) com uma célula com carga de 50kN e velocidade de cruzeta de 0,050”/min. As curvas de força-tensão foram determinadas para cada densidade de monolito PI de aerogel e módulo compressivo de Young, E, foi calculado. Quando os monolitos PI de aerogel são comprimidos uniaxialmente, seus perfis de compressão são comparáveis às espumas orgânicas. Em tensões menores, a inclinação inicial (entre tensão ~2 e 5%) é usada para calcular o módulo de Young. Acredita-se que neste estágio de compressão, o monolito possua propriedades elásticas. Após a inclinação inicial, a amostra exibe um platô onde, à medida que a tensão aumenta, a tensão aumenta minimamente. Nesta força compressiva, as células entram em colapso irreversível e desde que haja uma estrita distribuição em tamanho de célula, a região de platô deve permanecer relativamente horizontal. À medida que as células entram em colapso completamente com tensão continuada, as paredes celulares opostas comprimem e o sólido empunha contra o sólido. Isto é refletido em um aumento rápido na tensão e é comumente referido como densificação. A Figura 6 mostra um monolito PI antes e após a compressão. EXEMPLO 4

[036] As resistências compressivas para PI-4, PI-5, PI-6, PI-8, PI-4a, PI-6a e PI-8a foram medidas de suas curvas de força-tensão correspondentes mostradas na Figura 7 e listadas na tabela em anexo. A curva de força-tensão inteira para cada uma das densidades revela a capacidade única do aerogel de não lascar, rachar ou quebrar durante uma carga compressiva. Comparado com aerogéis de sílica os quais são extremamente empoeirados e muito quebradiços, esta é uma característica importante ao considerar aplicações personalizadas que exigem a usinagem e derramamento de partícula mínimo. O módulo de Young foi calculado da inclinação sobre a faixa de tensão de 2% e 5%. É evidente a partir dos dados è medida que a densidade aumenta assim também aumenta o módulo de Young e o início do colapso da célula. Parece ser consistente que após cerca de 5% de tensão, independente da densidade, o colapso do poro começa.

[037] A relação típica entre o módulo compressivo e a densidade segue uma função da lei de potência. Como visto na Figura 8, a resistência de aerogéis PI aumenta em uma taxa mais rápida, com relação a uma densidade crescente, do que qualquer outra sílica ou sistemas híbridos de sílica. EXEMPLO 5

[038] O reforço de aerogéis PI foi considerado como um meio para aumentar a resistência mecânica total de manuseamento enquanto ainda mantém as densidades finais dentro das exigências do programa. Como será descrito posteriormente, o reforço de aerogel de poli-imida não apenas aumentou a resistência à flexão, mas também abaixou a condutividade térmica (TC) de seus monolitos PI de aerogel não reforçados não opacificados de origem. Três materiais de acolchoamento - ou substratos - foram escolhidos para este estudo: feltro de carbono (CF) com uma densidade de 0,094 g/cc e TC medida de 34,4 mW/m^K (placa quente testada sob condições ambiente à temperatura ambiente), Quartzel® (de Saint-Gobain, abreviado aqui como Q) com uma densidade de 0,0069 g/cc e TC medida de 38,6 mW/m^K e tecido de carbono (de Technical Fibre Products, Inc.; abreviado como CT) com uma densidade de 0,0396 g/cc e TC medida de 27,2 mW/m-K.

[039] Aerogéis PI reforçados foram preparados pela fabricação de soluções de poli-imida com densidades alvo iniciais de 0,03, 0,04, 0,06 e 0,08 g/cc. Dependendo da densidade inicial e do tamanho de substrato, um volume predeterminado de solução de poli-imida foi preparado a fim de encher completamente o substrato. Após o anidrido acético e piridina serem sequencialmente adicionados à solução de poli (ácido ámico), dependendo do tempo do gel predeterminado, as soluções foram fundidas diretamente nos substratos contidos dentro de um molde de polipropileno. A solução PI penetrou facilmente nas fibras, o que não interferiu com os tempos esperados de gelação. Uma vez que as soluções gelificaram, os géis aquosos foram aquecidos a 65 °C por 16 horas para permitir o fortalecimento de gel. Antes da extração de CO2, os géis foram enxaguados pelo menos três vezes diariamente com etanol a fim de remover solvente residual, catalisadores e monômeros não reagidos. As imagens de aerogéis PI reforçados verdes e recozidos podem ser vistos na Figura 9.

[040] Quando os aerogéis PI são reforçados com feltro de carbono, Quartzel® ou tecido de carbono, pode-se ver uma diminuição geral na condutividade térmica (Figura 10). Embora com feltro de carbono tenha sido constatada uma diminuição considerável na condutividade térmica (a TC variando de 18,5 a 23,6 mW/m-K), a densidade final foi muito acima da densidade alvo desejada para o programa, CF-4g com densidade final de 0,1159 g/cc. Adicionalmente, esta amostra exibiu significativo encolhimento e quebra após a extração e recozimento devido a um encolhimento não uniforme do substrato com relação ao aerogel PI. Quartzel®, uma fibra mais leve, no entanto, exibiu baixas densidades finais e baixas condutividades térmicas (19,0 a 24,6 mW/m-K), mas também encolheu de maneira não uniforme. A qualidade deste compósito final foi geralmente fraca, mas flexível, características não exigidas para um painel de satélite estrutural. Um aerogel que utiliza este substrato pode ser um forte candidate para outras aplicações que exigem flexibilidade e bom desempenho térmico. Por último, o tecido de carbono demonstrou baixas densidades, baixas condutividades térmicas e nenhum encolhimento durante a extração e recozimento. Um exemplo é CT-4g com uma densidade final de 0,0936 g/cc e condutividade térmica de 18,6 mW/m-K. O tecido de carbono é uma almofada formada de fibras com base em carbono longo que se movimentam de maneira planar nas direções lateral x e y. Esta fornece ao tecido de carbono sua notável rigidez. Como um resultado, o tecido de carbono foi escolhido como o substrato selecionado abaixo a ser usado para experimentos de reforço adicionais. EXEMPLO 6

[041] Para aumentar a espessura dos compósitos de aerogel/fibra, foram pré-estabelecidas almofadas de fibra de carbono com 6” x 6” em espessuras com 1, 2, 3 e 4 camadas. A solução de poli (ácido ámico) com uma densidade alvo de 0,045 g/cc foi fundida no topo das disposições de múltiplas camadas e deixada gelificar. As amostras são então envelhecidas, enxaguadas e supercriticamente secas para render as amostras mostradas na Figura 11. Antes de qualquer teste térmico ou mecânico, os compósitos foram tratados com calor a 200 °C por 20 minutos para completar a imidização e expulsar quaisquer solventes residuais. Após cada uma destas etapas, não existiu qualquer evidência de delaminação intercamadas ou camada-camada, sugerindo uma rede de aerogel PI contínua através do compósito.

[042] Para cada disposição com múltiplas camadas preparadas (descrita acima), a densidade e condutividade térmica foram medidas para cada compósito à temperatura ambiente e pressão. As densidades finais para todas as camadas estavam todas dentro do erro uma da outra, 0,12 g/cc. O peso e espessura aumentam linearmente com o número de camadas. Um compósito de camada única exibiu a espessura final de aproximadamente 5 mm. Para alcançar um núcleo do painel ITS com %” seria necessária uma disposição com 3 ou 4 camadas, 0,63” e 0,81”, respectivamente. A condutividade térmica também não foi afetada pelo aumento do número de camadas. Uma disposição de camada única tinha uma condutividade térmica de 21,8 mW/m-K, mas à medida que o número de camadas aumentou para 2, 3 e 4 camadas, a TC não mudou significativamente, 20,7, 19,3, 20,1 mW/m-K, respectivamente. Estas tendências e dados são demonstrados na Figura 12. EXEMPLO 7

[043] Uma série de compósitos de fibra de carbono de aerogel PI com 6” x 6” foi preparada de acordo com os mesmos métodos que os descritos anteriormente, mas com maiores densidades alvo, isto é, com maior teor de sólidos na preparação de solução de poli (ácido ámico) (Figura 13). Decidiu-se aumentar a densidade como um esforço para aumentar a resistência total do compósito. De acordo com estudos de densidade alvo, a resistência compressiva de amostras monolíticas de aerogel PI aumenta exponencialmente. Embora usando o mesmo reforço de fibra de carbono, densidades alvo de 0,04, 0,05, 0,06 e 0,07 g/cc foram preparadas.

[044] A Figura 14 resume as características físicas destes compósitos. A amostra com a densidade alvo de 0,04 g/cc foi preparada como um controle com a espessura de 5,06 mm e densidade final de 0,120 g/cc. Ao aumentar a densidade alvo, pode-se ver uma leve diminuição na espessura final e um aumento esperado na densidade final. Um aumento de cerca de 0,5 mW/m-K de condutividade térmica foi observado para cada aumento da unidade na densidade alvo. EXEMPLO 8

[045] O compósito de fibra de carbono de aerogel PI foi investigado pela microscopia de varredura de elétrons (SEM) a fim de compreender a continuidade da rede de aerogel dentro do compósito e da interface entre aerogel e fibra. Acredita-se que os materiais de compósito onde a conexão entre múltiplos componentes é forte exibirá maior resistência mecânica. As descontinuidades na forma de lacunas ou microquebra resultam em integridade mecânica diminuída. De acordo com as imagens SEM vistas na Figura 15 de um compósito de aerogel PI/fibra de carbono, em ampliação de 30x, é evidente que o material de aerogel PI é contínuo ao longo da fibra. No entanto, em inspeção mais detalhada em ampliação de 250x, existe uma carência óbvia de conectividade entre o reforço de fibra de carbono e o aerogel PI. Este comportamento é refletido nas fracas resistências à tração e compressivas transversais observadas para este material. Devido às fibras de carbono no acolchoamento estarem predominantemente no plano x,y e serem muito rígidos e, portanto, terem alta resistência à flexão, quando o gel PI sofre encolhimento, o aerogel encolhe da fibra deixando para trás lacunas no nível de mícron. É óbvio que durante um teste de compressão com o lado do plano para cima, uma amostra exibira resistência à baixa compressão, especialmente, em baixa densidade de compósito. A imagem em 150kx ilustra a rede fibrilar típica para aerogéis PI em Aerogéis Aspen.

[046] A fim de aumentar a resistência à tração na direção z, o requerente acolchoou (a mão) uma disposição com múltiplas camadas usando fio Kevlar (tamanho 46) em um padrão em ponto de cruz como visto na Figura 16. A amostra de compósito acolchoada foi notavelmente mais forte. Quando testada quanto à resistência à flexão, um aumento de 13% na resistência foi observado. A Figura 16 prova que as tensões de cisalhamento camada-camada foram aliviadas por cargas flexurais maiores sustentadas e, portanto, acolchoadas. EXEMPLO 9

[047] As análises de compressão uniaxial das amostras reforçadas descritas acima com TD = 0,04 g/cc foram usadas usando um Ínstron (Modelo 5569) com uma célula de carga a 50kN e velocidade de cruzeta de 0,050”/min. Curvas de força-tensão foram determinadas para cada aerogel PI reforçado e módulo compressivo de Young, E, foi calculado.

[048] As resistências compressivas para CF-4g, CF-4a, Q-4g, Q-4a, CT-4g, CT-4a foram medidas de suas curvas de força-tensão correspondentes mostradas na Figura 17 em comparação com aerogéis de sílica, os quais são amostras de PI extremamente empoeiradas e muito quebradiças, não reforçadas e reforçadas mostram derramamento de partícula mínimo e poeira. Um módulo de Young e máxima força compressiva foram determinados para cada amostra e resumidos na Figura 17. No geral, o reforço de aerogéis PI leva a menores condutividades térmicas à custa de forças compressivas máximas menores e módulos de Young menores. Um monolito PI de aerogel não reforçado preparado com TD = 0,04 g/cc tem uma resistência compressiva máxima de 57,3 psi e um módulo de compressão de 816,7 psi. Quando um aerogel PI da mesma densidade é reforçado com feltro de carbono, Quartzel®, e tecido de carbono, as resistências compressivas máximas são 11,7, 10,7 e 11,5 psi e módulos de compressão de 91,8, 90,4 e 182,4 psi. O substrato do tecido de carbono rendeu as mais altas resistências compressivas dentre todas as fibras devido em parte a sua configuração de fibra única. Como esperado, as amostras recozidas exibiram maiores resistências, uma reflexão da densidade aumentada mediante o aquecimento. EXEMPLO 10

[049] A análise mecânica dos mesmos aerogéis PI reforçados também inclui teste de flexão com 3 pontos de acordo com o design configurado por ASTM D790. O teste de flexão provê uma visão para forças alternativas que não a compressão. Por exemplo, quando um painel é flexionado, a amostra sofre ambas forças de tensão e de compressão, mas na direção lateral (x,y). Estas forças não podem ser medidas em um teste de compressão uniaxial (direção z) sozinho. As curvas de força-tensão foram medidas para a verde e amostras reforçadas recozidas com TD = 0,04 g/cc (Figura 18), e os dados são resumidos na Figura 18. Em contraste à resistência compressiva dos aerogéis PI reforçados, a resistência à flexão na maioria dos casos excedeu aquela do monolito PI de aerogel não reforçado. O substrato do tecido de carbono exibiu a maior resistência à flexão de 186 psi e um módulo de Young de 26.892 psi. A resistência à flexão combinada e baixa condutividade térmica torna CT-4g um candidato primordial para o desenvolvimento adicional.

[050] O compósito de aerogel PI reforçado com fibra exibiu excelente condutividade térmica em um vácuo de 10-5 torr. A Figura 19 mostra como este material se compara com aerogel de poli-imida não reforçado em vácuo sobre a faixa de temperatura de 193 K até 423 K (-80 °C a 150 °C). Como pode ser visto, a condutividade térmica deste material foi medida em uma muito baixa de 1,5 mW/m-K em uma temperatura de amostra de 193 K (-80 °C) e então cresceu até 4,5 mW/m-K em 423 K (150 °C). Olhando para a Figura 19, acredita-se que a queda dramática em condutividade térmica no material do vale de carbono (uma variante mais fina do tecido de carbono) foi devido ao efeito opacificante cumulativo do reforço de vale do carbono com a adição do opacificador de negro de fumo a 5% melhorando adicionalmente os resultados. Ao adicionar estes opacificadores aos aerogéis de poli-imida, o componente radiativo de transferência de calor foi grandemente reduzido; dessa forma, trazendo a condutividade térmica total para baixo até uma faixa de 1,5 mW/m^K a 193 K até 4,5 mW/m^K a 423 K, como mostrado na Figura 19. EXEMPLO 11

[051] Uma representação pictórica de um compósito de painel sanduíche, onde as funções estruturais e térmicas são integradas em um componente único, é mostrada na Figura 20, com imagens de painel de protótipo fabricado com 14”x14”. Este painel sanduíche foi fabricado por um processo de ligação camada a camadas do material de núcleo de aerogel de poli-imida reforçado com fibra com baixa condutividade térmica (3,3 mW/m-K a 10-5 torr a 20 °C) e boas propriedades mecânicas (resistência à flexão ~700 psi e resistência ao cisalhamento de 120 psi) para folhas duplas com adesivo, uma matriz de insertos cegos e com furos vazados foi incorporada, com um sistema de fechamento de vedação na borda segmentado.

[052] A descrição a seguir provê detalhes de uma realização específica da fabricação de painéis laminares da presente invenção. MATERIAIS:

[053] Os substratos a serem ligados são peles de compósito de fibra de carbono de aerogel PI e grafite - éster de cianato (Gr/Ce) para amostras ensanduichadas. O aerogel pode ser de camada única ou múltiplas camadas. Uma película adesiva com densidade de 0,030 lbs./ft2 FM300-2U, que é qualificada no espaço é usado nesta realização. PREPARAÇÃO DA SUPERFÍCIE:

[054] Todas as superfícies de ligação foram inicialmente limpas. A superfície de Gr/Ce sofreu abrasão até uma esteira fosca terminar e foi limpa com lenços com álcool umedecidos em álcool até o lenço ficar limpo e se manter limpo durante o processo de ligação. Manchar as superfícies de ligação com lenço umedecido em álcool como exigido para remover quaisquer contaminantes de superfície incidentais. Remover gentilmente quaisquer resíduos de aerogel soltos de bordas cortadas quando necessário. Cuidar para não deixar soltos resíduos adicionais. PROCESSO DE LIGAÇÃO/CURA EM SANDWÍCHE:

[055] As peles Gr/Ce de lenço com lenço umedecido com álcool até o lenço se tornar limpo. Permitir 10 minutos para que o álcool seja limpo a RT.

[056] Remover quaisquer resíduos soltos de aerogel nas bordas de núcleo e, se necessário, o núcleo manchado com lenços umedecidos com álcool (não saturado) e permitir 20 minutos para que o álcool seja lavado à RT. Esta é uma linha guia; este material é muito poroso na superfície e pode exigir temperatura elevada prolongada (120°F por 30 minutos) para pegar todo o álcool para lavar dos poros. Para o núcleo deste tipo, é melhor usar luvas protetoras apropriadas e superfícies limpas que possam entrar em contato com o material de núcleo para impedir qualquer contaminação que exija limpeza anterior à ligação.

[057] Aplicar a película adesiva aos revestimentos. Usar calor das mãos para aderir amostras com tamanho menor ou amostras maiores, sacola a vácuo e compactar em vácuo completo (~12 psi) por 15 minutos. Algumas áreas estarão desprotegidas devido ao fraturamento e descascamento da película adesiva antes ou após o processo de aplicação de adesivo. Os reparos para estas áreas podem ser feitos usandfo a mesma película adesiva.

[058] Empilhando o laminado sanduíche. Quando necessário, prover barragens para a borda para proteger os lados do núcleo contra a pressão lateral da sacola a vácuo.

[059] Ensacolar para a cura com controle de temperatura apropriado. Aplicar o vácuo completo (~12 psi) para a avaliação do empilhamento sanduíche quanto a vazamentos e cura.

[060] Curar aumentando até 3°-5°F por minute até a temperatura alcançar 250°±10°F e manter nesta faixa de temperatura por no mínimo 90 minutos.

[061] Resfriar a 3°-5°F por minuto para menos que 150°F.

[062] Ventilar o vácuo e remover da ferramenta. PROCESSO DE LIGAÇÃO/CURA DO NÚCLEO COM MÚLTIPLAS CAMADAS DE LAMINAÇÃO:

[063] Remover quaisquer resíduos soltos de aerogel em bordas do núcleo e, se necessário, manchar o núcleo com lenços umedecidos com álcool (não saturado) e permitir por 20 minutos que o álcool brilhe a RT. Esta é uma linha guia; este material é muito poroso na superfície e pode exigir temperatura elevada prolongada (120°F por 30 minutos) para conseguir que o álcool brilhe a partir dos poros. Para o núcleo deste tipo, é melhor usar luvas protetoras apropriadas e limpar as superfícies que entrem em contato com o material de núcleo para impedir qualquer contaminação que exija limpeza antes da ligação.

[064] Aplicar a película adesiva à camadas do núcleo. A adesão é difícil neste tipo de superfície, realizar reparos nos pontos desprotegidos quando necessário usando a mesma película adesiva. Aplicar vácuo completo (~12 psi) por 30 minutos para assegurar a adesão.

[065] Empilhar as camadas múltiplas do núcleo. Quando necessário, prover barragens de borda para proteger os lados do núcleo contra pressão lateral da sacola a vácuo.

[066] Ensacolar para a cura com controles de temperatura apropriados. Aplicar o vácuo completo (~12 psi) à avaliação do empilhamento de núcleo com múltiplas camadas quanto a vazamentos e cura.

[067] Curar aumentando até 3°-5°F por minuto até a temperatura alcançar 250°±10°F e manter nesta faixa de temperatura por no mínimo 90 minutos.

[068] Resfriar a 3°-5°F por minuto para menos do que 150°F.

[069] Ventilar o vácuo e remover da ferramenta.

[070] Um procedimento etapa a etapa para a instalação de uma penetração parcial ou inserto “cego” em uma disposição de múltiplas camadas de aerogéis de poli-imida reforçados com fibra (Figura 21). Visto que os insertos são tipicamente feitos de metal, a fim de eliminar o vazamento de calor direto através da direção z do painel, um método foi desenvolvido para instalar de modo seguro insertos com penetração parcial na espessura do painel. Este tipo de inserto é cocurado com uma folha dupla pré-perfurada e a seguir instalada como um componente único em um núcleo de aerogel já perfurado.

[071] A vedação da borda consiste em um design segmentado (Figura 22). Neste design, os segmentos de vedação com formato em U foram produzidos em segmentos com 2” de comprimento com respiradouros de 0,25” cobertos por filtros de partícula de 0,5 μm para impedir quaisquer partículas de escapar do painel interior durante a evacuação por lançamento e/ou desgaseificação do painel. Estes segmentos seriam então ligados às folhas duplas externas com uma lacuna de 2” entre as extremidades dos segmentos. Esta lacuna de 2” seria então coberta com fita Kapton com 2 mils para completar a vedação das bordas do painel. As espessuras da parede para estes segmentos formados foram de 0,010” para minimizar a quantidade de vazamento de calor conduzido ao longo da vedação da borda. Este design oferece algumas vantagens de fabricação significativas pelo fato de que os segmentos com 2” de comprimento da vedação da borda formada podem ser pré- feitos, cortados em comprimentos de 2” e inventariados. A fibra de vidro foi o material escolhido para os segmentos formados deste design de vedação da borda devido a seu vazamento de calor adicionado muito baixo e peso reduzido. EXEMPLO 12

[072] A Tabela 2 lista todos os testes mecânicos (cisalhamento, de flexão, compressão e tração), o número de amostras e configurações do painel para os compósitos de aerogel PI em sanduíche. Dois conjuntos de testes flexurais de dobramento com 4 pontos foram realizados, três cupons com 3” x 8” cada um com e sem o padrão de grade exigido com 5 cm e de acordo com ASTM C-393 e incluíram folhas duplas de éster de cianato e grafite, com nenhuma vedação de borda ou insertos com furos vazados. O teste de cisalhamento, de acordo com ASTM C-273, foi conduzido em cinco amostras de núcleo somente de aerogel tendo as dimensões 3” x 4” x 0,75”. O teste de tração com o lado plano para cima, de acordo com ASTM C-297, foi realizado em núcleo somente de aerogel com amostras de 2” x 2”. Também foi de interesse entender como os insertos com furos vazados adicionariam à resistência à tração, assim três amostras com 6” x 6” com folhas duplas foram preparadas e testadas tendo apenas um inserto com furo vazado instalado no centro do painel. Em últmo lugar, as amostras somente com núcleo de 2” x 2” foram testadas quanto à compressão com o lado plano para cima de acordo com o ASTM D695. TABELA 2 . CUPONS DE TESTE MECÂNICO PREPARADOS E CONFIGURAÇÕES

[073] O primeiro conjunto de amostras testado incluía três cupons cada um para o dobramento com 4 pontos (de acordo com ASTM C-3 93) - 3 com nenhum inserto e 3 com a grade de insertos cegos de 5 cm. De acordo com os dados observados na Tabela 3, existe pouca visibilidade entre as medições e a instalação de insertos cegos não parece afetar o comportamento de flexão dos painéis dimensionado como o cupom. As cargas flexurais máximas foram observadas entre cerca de 325 e 380 lbf (carga de flexão) com deslocamentos de aproximadamente -0,23 e -0,89 polegadas. A quantidade de deslocamento exigida para iniciar a falha do cupom indica que o compósito sanduíche é bastante flexível. O método de falha em todos os casos foi a delaminação por cisalhamento na folha dupla/interface do núcleo (Figura 23). TABELA 3 . RESULTADOS PARA O TESTE DE FLEXÃO DE DOBRAMENTO COM 4 PONTOS

[074] Os testes de tração no lado plano para cima foram realizados de acordo com ASTM C-297 com núcleos de 0,75 polegada e nenhum inserto. Os resultados deste teste são resumidos em 4. Existe variabilidade considerável entre os dados coletados, com dados de carga máxima variando entre 12 e 45 lbf, (3 e 11 psi). Para a mesma densidade alvo de 0,05 g/cc, pressões de pelo menos 25 psi foram exigidas para alcançar a falha interlaminar (Figura 24). TABELA 4. RESULTADOS PARA O TESTE DE TRAÇÃO NO LADO PLANO PARA CIMA

[075] Um total de cinco amostras foi preparado para o teste de cisalhamento (de acordo com ASTM C-273). Nenhum inserto ou folhas duplas foi incluído com estas amostras. Os resultados são resumidos na Tabela 5. Três das cinco amostras exibiram alguma forma de delaminação antes do teste. Para as amostras 2 e 3, as cargas máximas exigidas para causar o cisalhamento do núcleo dentro do empilhamento de múltiplas camadas de compósito de aerogel ocorreram a 568 e 464 lbf (ou 47 e 38 psi, respectivamente). Em comparação com as medições de resistência ao cisalhamento anteriores em compósitos de densidade alvo de 0,05 g/cc com as almofadas de fibra de carbono antigas, os valores de cargas máximas foram entre 1621 e 1858 lbf (134 e 153 psi). Na Figura 25, é evidente a partir da imagem de falha de pós-cisalhamento do núcleo que as irregularidades no acúmulo das almofadas de fibra de carbono podem levar à falha mecânica preliminar. TABELA 5. RESULTADOS PARA O TESTE DE RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DO NÚCLEO

[076] Cinco amostras com 2” x 2” foram medidas quanto à compressão (de acordo com ASTM D-695). Nenhum inserto, vedação nas bordas ou folhas duplas foi instalado para este conjunto de amostras. Curvas de força-tensão para todas as cinco amostras são mostradas na Figura 26. A análise de compressão uniaxial destes compósitos indica que em menores tensões, as amostras alcançam um platô seguido por um aumento mais substancial na carga compressiva. Durante o platô, a morfologia do aerogel entra em colapso irreversível e visto que há uma estreita distribuição no tamanho de célula, a região do platô permanece relativamente horizontal. À medida que as células entram em colapso completamente com tensão continuada, as paredes de célula opostas comprimem e o sólido empurra contra o sólido. Isto é refletido em um rápido aumento na tensão e é comumente referido como densificação. A resistência compressiva para estas amostras é estimado como senso em torno de 5 psi e é determinada na tensão inicial e antes da porção de platô da curva. A resistência destes compósitos é novamente mais fraca do esperado devido a irregularidades das almofadas de fibra de carbono não uniforme. EXEMPLO 13

[077] CT-4g foi preparado usando fibra de carbono, fabricada por Technical Fibre Products Inc., como o reforço para o aerogel PI. A fibra tem uma densidade original de 0,0396 g/cc e tem aproximadamente %” em espessura. A fim de obter a espessura de núcleo final de aproximadamente %”, o compósito de aerogel PI/fibra foi disposto em múltiplas camadas. CT-4g foi preparado primeiro preparando a solução de poli (ácido ámico). O dianidrido piromelítico (PMDA, 1 mol) é dissolvido em um solvente básico dipolar tal como N,N- dimetilacetamida (DMAc) ou N-metilpirrolidona (NMP) (4% de sólidos). Uma vez dissolvida, 1,4-fenileno diamina (PDA, 1 mol) é então adicionada à solução e deixada dissolver e polimerizar por 12 horas à temperatura ambiente. Após a solução de poli (ácido ámico) ter sido preparada, ela está pronta para ser catalisada e fundida no reforço de fibra de carbono. À solução de poli (ácido ámico), anidrido acético (3,15 mol) é adicionado e deixado agitar por 1 hora à temperatura ambiente. A piridina (1,26 mol) é adicionada à solução. Antes do ponto de gelação (20 minutos), a solução é fundida no reforço de fibra de carbono. Após o gel PI ser formado, o compósito de fibra com gel úmido é envelhecido 16 horas a 6 0 °C e subsequentemente enxaguados com etanol para remover todo o DMAC, monômeros não reagidos e catalisadores residuais. O compósito de fibra de gel úmido é assim submetido à secagem de CO2 supercrítica para render o compósito de fibra de carbono PI de aerogel.

Claims

1. COMPÓSITO DE AEROGEL que é reforçado com fibra e caracterizado por possuir: a) uma densidade entre 0,01 g/cc e 0,30 g/cc; b) uma condutividade térmica à temperatura ambiente e pressão ambiente entre 15 mW/m-K e 30 mW/m-K; e c) uma resistência à flexão entre 105 psi e 275 psi.

2. COMPÓSITO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela condutividade térmica do compósito de aerogel à temperatura ambiente e pressão ambiente estar entre 15 mW/m-K e 25 mW/m-K.

3. COMPÓSITO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela condutividade térmica do compósito de aerogel à temperatura ambiente e pressão ambiente estar entre 15 mW/m-K e 20 mW/m-K.

4. COMPÓSITO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela resistência à flexão do compósito de aerogel estar entre 150 psi e 275 psi.

5. COMPÓSITO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela resistência à flexão do compósito de aerogel estar entre 200 psi e 275 psi.

6. COMPÓSITO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter um módulo de flexão entre 5.000 psi e 46.000 psi.

7. COMPÓSITO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo módulo de flexão do compósito de aerogel estar entre 15.000 psi e 46.000 psi.

8. COMPÓSITO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo módulo de flexão do compósito de aerogel estar entre 25.000 psi e 46.000 psi.

9. COMPÓSITO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um aerogel de poliimida ou derivado do mesmo.

10. PAINEL LAMINADO, caracterizado por compreender: (a) uma camada compreendendo o compósito de aerogel, conforme definido na reivindicação 1, tendo pelo menos duas faces principais; (b) uma folha dupla adjacente a pelo menos uma face principal da camada de aerogel e; (c) uma camada refletora adjacente à folha dupla.

11. PAINEL, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por incluir uma primeira folha dupla adjacente a uma primeira face principal da camada de aerogel uma segunda folha dupla adjacente a uma segunda face principal da camada de aerogel, e pelo menos uma borda entre a primeira folha dupla e a segunda folha dupla; e em que a borda do painel é selada por pelo menos uma vedação de borda.

12. PAINEL, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pela vedação de borda compreender pelo menos um respiradouro e pelo menos um filtro do respiradouro.

13. PAINEL, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela condutividade térmica do compósito de aerogel à temperatura ambiente e pressão ambiente estar entre 15 mW/m-K e 25 mW/m-K.

14. PAINEL, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pela condutividade térmica do compósito de aerogel à temperatura ambiente e pressão ambiente estar entre 15 mW/m-K e 20 mW/m-K.

15. PAINEL, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela resistência à flexão do compósito de aerogel estar entre 150 psi e 275 psi.

16. PAINEL, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pela resistência à flexão do compósito de aerogel estar entre 200 psi e 275 psi.

17. PAINEL, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo compósito de aerogel ter um módulo de flexão entre 5.000 psi e 46.000 psi.

18. PAINEL, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo módulo de flexão do compósito de aerogel estar entre 15.000 psi e 46.000 psi.

19. PAINEL, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo módulo de flexão do compósito de aerogel estar entre 25.000 psi 46.000 psi.

20. PAINEL, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo compósito de aerogel compreender um aerogel de poliimida ou derivado do mesmo.