一種生物啟發(fā)設(shè)計制備的保溫仿生氣凝膠

來源|Advanced Science

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背景介紹

能源危機(jī)已成為最緊迫的問題和首要任務(wù)，其中建筑占全球能源消耗的40%以上。世界各地的建筑行業(yè)占全球能源消耗的40%以上，是溫室氣體的最大生產(chǎn)者之一。建筑的能源消耗主要是由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)熱舒適所需的加熱和冷卻系統(tǒng)。目前，常用的保溫材料包括礦棉、玻璃纖維和聚苯乙烯泡沫塑料在內(nèi)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.030-0.090W/(mK)之間。

傳統(tǒng)保溫材料已經(jīng)不能滿足下一代建筑的節(jié)能要求。先進(jìn)的隔熱材料，如氣凝膠，是一類具有超低導(dǎo)熱性的多孔輕質(zhì)材料。然而，這些具有良好隔熱性能的高多孔材料通常具有較低的機(jī)械強(qiáng)度，并且需要額外的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行加固。目前，單一功能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)無法滿足下一代建筑的能源效率。設(shè)計具有高機(jī)械穩(wěn)健性、高保溫性能和多功能的建筑已引起世界各國的關(guān)注。

然而，在雙碳背景下，需要大量生產(chǎn)建筑材料來減少能源浪費(fèi)。因此，如何提高材料效率，以更少的原材料獲得更高的性能，是下一代建筑材料面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。水泥作為世界上應(yīng)用最廣泛的建筑材料，由于其高機(jī)械強(qiáng)度、長期耐久性和耐高溫性，是這種多功能創(chuàng)新的有希望的候選者?；谏飭l(fā)設(shè)計和材料效率改進(jìn)的進(jìn)一步優(yōu)化已被采用為實(shí)現(xiàn)令人滿意的性能的有效方法。

02

成果掠影

近期，東南大學(xué)佘偉教授聯(lián)合普渡大學(xué)李恬教授團(tuán)隊(duì)，受堅(jiān)固多孔的墨魚骨骼的啟發(fā)，通過在聚合物溶液中自組裝水合鈣鋁硅酸鹽納米顆粒(C-A-S-H，水泥的主要成分)，開發(fā)了隔熱保溫的水泥氣凝膠材料。

通過在聚合物溶液中自組裝水泥的主要成分(C-A-S-H納米顆粒)，大大提高了材料效率。該工藝方法避免了水泥原料的煅燒，與普通水泥相比，隱含碳減少了50%以上。所得水泥氣凝膠的質(zhì)量密度僅為0.015 g cm?3。合成的水泥氣凝膠在剛度(315.65 MPa)和韌性(14.68 MJ m?3)方面表現(xiàn)出超高的力學(xué)性能。水泥氣凝膠內(nèi)部具有多尺度孔隙的高孔隙結(jié)構(gòu)極大地抑制了傳熱，從而實(shí)現(xiàn)了超低導(dǎo)熱系數(shù)(0.025 W/(mK))。此外，無機(jī)C-A-S-H納米顆粒在水泥氣凝膠中形成防火屏障，具有良好的阻燃性（極限氧指數(shù)高達(dá)46.26%，UL94-V0）。多功能水泥氣凝膠具有高機(jī)械穩(wěn)健性，顯著的絕熱性，輕質(zhì)和阻燃性，是實(shí)際建筑應(yīng)用的有前途的候選者。它的高性能使其成為建筑中具有競爭力的水泥替代品，并擴(kuò)大了其在結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用。

研究成果以“Bioinspired Super Thermal Insulating, Strong and Low Carbon Cement Aerogel for Building Envelope ”為題發(fā)表于《Advanced Science》。

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圖文導(dǎo)讀

圖1.仿生水泥氣凝膠。

圖2.水泥氣凝膠的設(shè)計與微觀結(jié)構(gòu)。

圖3.水泥氣凝膠的力學(xué)性能。

圖4.水泥氣凝膠的耐熱性和阻燃性。

END

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