一种生物启发设计制备的保温仿生气凝胶

来源 | Advanced Science

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背景介绍

能源危机已成为最紧迫的问题和首要任务，其中建筑占全球能源消耗的40%以上。世界各地的建筑行业占全球能源消耗的40%以上，是温室气体的最大生产者之一。建筑的能源消耗主要是由于建筑围护结构内热舒适所需的加热和冷却系统。目前，常用的保温材料包括矿棉、玻璃纤维和聚苯乙烯泡沫塑料在内，材料的导热系数在0.030-0.090W/(mK)之间。

传统保温材料已经不能满足下一代建筑的节能要求。先进的隔热材料，如气凝胶，是一类具有超低导热性的多孔轻质材料。然而，这些具有良好隔热性能的高多孔材料通常具有较低的机械强度，并且需要额外的结构材料进行加固。目前，单一功能的围护结构无法满足下一代建筑的能源效率。设计具有高机械稳健性、高保温性能和多功能的建筑已引起世界各国的关注。

然而，在双碳背景下，需要大量生产建筑材料来减少能源浪费。因此，如何提高材料效率，以更少的原材料获得更高的性能，是下一代建筑材料面临的关键挑战。水泥作为世界上应用最广泛的建筑材料，由于其高机械强度、长期耐久性和耐高温性，是这种多功能创新的有希望的候选者。基于生物启发设计和材料效率改进的进一步优化已被采用为实现令人满意的性能的有效方法。

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成果掠影

近期，东南大学佘伟教授联合普渡大学李恬教授团队，受坚固多孔的墨鱼骨骼的启发，通过在聚合物溶液中自组装水合钙铝硅酸盐纳米颗粒(C-A-S-H，水泥的主要成分)，开发了隔热保温的水泥气凝胶材料。

通过在聚合物溶液中自组装水泥的主要成分(C-A-S-H纳米颗粒)，大大提高了材料效率。该工艺方法避免了水泥原料的煅烧，与普通水泥相比，隐含碳减少了50%以上。所得水泥气凝胶的质量密度仅为0.015 g cm−3。合成的水泥气凝胶在刚度(315.65 MPa)和韧性(14.68 MJ m−3)方面表现出超高的力学性能。水泥气凝胶内部具有多尺度孔隙的高孔隙结构极大地抑制了传热，从而实现了超低导热系数(0.025 W/(mK))。此外，无机C-A-S-H纳米颗粒在水泥气凝胶中形成防火屏障，具有良好的阻燃性（极限氧指数高达46.26%，UL94-V0）。多功能水泥气凝胶具有高机械稳健性，显著的绝热性，轻质和阻燃性，是实际建筑应用的有前途的候选者。它的高性能使其成为建筑中具有竞争力的水泥替代品，并扩大了其在结构施工中的应用。

研究成果以“Bioinspired Super Thermal Insulating, Strong and Low Carbon Cement Aerogel for Building Envelope ”为题发表于《Advanced Science》。

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图文导读

 

图1.仿生水泥气凝胶。

 

图2.水泥气凝胶的设计与微观结构。

图3.水泥气凝胶的力学性能。

图4.水泥气凝胶的耐热性和阻燃性。

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