水泥基仿生气凝胶——未来超低能耗建筑新保障

【导读】

兼具轻质、高强，隔热和耐火性能的先进建筑材料是我国建筑行业实现“双碳目标”的重要基础。全球建筑物能源消耗超过总能耗的40%，其中大部分用于供暖和制冷系统以满足舒适度需求。墙壁和屋顶热传导占总传导的约40%。因此，设计和制备高效隔热的多功能建筑材料至关重要。传统的商用保温材料已经无法满足下一代绿色建筑的能效要求。虽然硅气凝胶作为最先进的绝热材料之一，具有高孔隙率（99.98%）和极低导热系数（仅0.018 W m-1 K-1），但其天然脆性和昂贵的制备工艺限制了大规模应用。

因此，实现低密度、高力学性能和低导热率的先进隔热材料的组合是一项巨大挑战。在建筑材料研发中，追求轻质、高强、隔热和耐火的全新解决方案势在必行。

【成果掠影】

本研究基于仿生理论对水泥基因C-S-H（C-A-S-H）进行微结构改良，创制了一种超轻水泥气凝胶，这种水泥气凝胶表现出超高的机械性能，超低导热率，良好的阻燃性，拓展了气凝胶种类，推动了水泥材料从 “传统性能” 到“先进功能”的跨越。

相关论文被选为封面期刊发表在Advanced Science，以及Carbon Energy上。

【核心创新点】

本文提出有机-无机杂化气凝胶设计策略，充分发挥水泥水化产物 C-(A)-S-H 自固化和自胶粘特点，通过可控定向冷冻法诱导 C-S-H 凝胶成核形成有序仿墨鱼骨微结构，开发出一种新型水泥基气凝胶;新型水泥气凝胶密度低至 15Kg/m3， 导热系数低至 0.02W/(m·K)，比强度最高为1216.88 MPa cm3 g-1，同时具有负泊松比、比强度高等优异的综合性能。解决了现有常规气凝胶材料强度低、脆性大、工艺复杂、难以宏量化生产的难题，成为未来超低能耗建筑隔热材料选择之一。

使用水泥气凝胶（左侧）和混凝土（右侧）作为建筑外壳时，能源节约过程的示意图比较：水泥气凝胶比混凝土更轻、具有更好的保温性能和耐火性能。

【数据概览】

图1作为建筑材料的水泥气凝胶、木材、多孔水泥、聚合物泡沫和陶瓷气凝胶的性能对比。

图2水泥气凝胶的设计和微观结构。a) 水泥气凝胶的XCT扫描图。b) 带有壁和隔板的水泥气凝胶的扫描电子显微镜图像。c) 水泥气凝胶的能量散射谱（EDS）图，显示检测到的元素（碳、硅酸盐、钙和铝）。d) PVA、CASH和水泥气凝胶的傅里叶变换红外光谱图。e) 水泥气凝胶的X射线光电子能谱（XPS）。f) 模拟水泥气凝胶的全景图。g) PVA链与C-A-S-H颗粒之间界面的放大示意图。

 图3水泥气凝胶的力学性能。a) 水泥气凝胶在轴向压缩试验下的应力-应变曲线。b) 水泥气凝胶的老化试验，表明机械强度增加，插图为密度为0.015 g cm−3的轻质水泥气凝胶。c) 水泥气凝胶受冲击载荷的实时图像组。d) 水泥气凝胶的泊松比随压缩应变的变化。e) 水泥气凝胶与其他商业材料的密度和模量对比。f) 水泥气凝胶与其他商业材料的韧性与密度对比。

图4水泥气凝胶的热阻和耐火性能。a) 加热实验中水泥气凝胶的红外图像。b) 水泥气凝胶的热重分析。c) 水泥气凝胶的热绝缘性能示意图。d) 水泥气凝胶与商业材料的热导率对比。e) 火焰下的水泥气凝胶照片。f) 火焰下的纯水泥照片。

图5  水泥气凝胶的电池应用实验。(A)水平燃烧测试。(B)锂电池的热失控实验对比图（有无水泥气凝胶包覆）。(C)样品表面的温度变化。(D)锂电池的热失控红外对比图（有无水泥气凝胶包覆）。(E)锂电池包表面的温度变化。(F)温度传感器的放置。(G) NCM 523锂电池热失控实验示意图。(H)两个NCM 523电池包热失控实验对比图（有无水泥气凝胶隔离）。

【成果启示】

研究者相信，此项研究将会为建筑材料研究打开了一扇窗户，并为基于传统建筑材料新应用提供思路。用水泥气凝胶，打造更绿色，更环保的未来！