0 引言

随着经济和社会的发展以及人们对绿色高性能建筑材料高涨的需求，节约能源，环保建设成为经济发展、生态文明建设的必然趋势和基本要求。2005年，建筑行业消耗的能源占全国新增能源消耗量的不到35%，而到了2012年，该值达到了57%～75%[1]，目前，我国在建筑全过程中的直接能耗占到了社会各项总能耗的30%以上，并呈继续上升趋势，因此建筑节能势在必行。使用高效节能材料和设计合理节能体系是实现节能的有效途径，其中保温隔热绿色材料的使用是降低热耗能的主要措施之一。气凝胶是一种新型纳米多孔固态材料，是世界上最轻的固体，因其具有多孔率、低密度、低导热率、高燃烧等级的特性，在建筑节能部品领域拥有可观的应用前景。

本文首先介绍了气凝胶的特性、种类和用途，主要研究了其在建筑节能部品领域的应用及其发展现状。气凝胶在建筑节能部品领域的主要应用有保温玻璃、保温管道、内墙外墙保温隔热板、屋面保温板、保温涂料和防火涂料等等。

1 气凝胶概述

气凝胶，又称为干凝胶，1931年美国斯坦福大学的Kistler S S首次合成了气凝胶材料，并创造了“aerogel”这一概念[2]。此后，美国、日本、西欧等国将气凝胶广泛应用于航空航天、建材、化工、模具、储能器件、污水治理等领域。并在建筑节能部品领域有了愈来愈广泛的研究与应用。气凝胶在国内的研究起步较国外晚一些。同济大学的波耳固体物理研究所，是国内少数几个专门研究气凝胶的主要科研机构，其在90年代初首次开展了气凝胶的研究工作，十几年来，已在无机、有机、炭气凝胶等多种气凝胶以及气凝胶的制备、性能测试和应用研究方面积累了大量经验[3]。气凝胶孔隙率可达80%～99.8%[4]，孔洞尺寸范围在1～100nm之间，比表面积可达1000m2/g，常温下的热导率可达0.013W/（m·K）[5]，密度在3～500mg/cm3之间。图1为典型的SiO2气凝胶样品照片和微观形貌[6]。

图1 S iO2气凝胶样品及SEM扫描

1.1 气凝胶的分类

1.1.1 按组成成分分类

气凝胶按组成成分，可以分为有机、无机和炭气凝胶[7]。

（1）无机气凝胶。以金属有机物作为原料制备的低密度非晶固态材料，即为无机气凝胶。已研制的无机气凝胶有单元氧化物气凝胶、二元或多元氧化物气凝胶、超细金属、陶瓷粉末等。SiO2气凝胶属于无机气凝胶。

（2）有机气凝胶。20世纪80年代，美国的RW Pekala成功制备了间苯二酚/甲醛有机气凝胶[8]。其制备过程与无机气凝胶类似。目前已研制出的有机气凝胶有：间苯二酚-甲醛（RF）、三聚氰胺-甲醛（MF）等。有机气凝胶具有更强的红外吸收能力，辐射导热率更低。

（3）使用气凝胶复合材料。将气凝胶与其他低价高性能保温材料复合，既能降低成本又能提升普通保温材料的保温效果。

采用SPSS 19.0统计软件对数据进行统计分析，计量资料以均数±标准差（±s）表示，比较采用t检验，计数资料以百分率表示，采用x2检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

气凝胶保温板材是以气凝胶材料或以气凝胶材料为主的复合材料作为夹芯层，经过粘结、压实等工艺制备而成或将气凝胶与水泥砂浆混合制成复合板材（作为混凝土添加剂）。气凝胶板具有低密度、低热导率和高阻燃性的特征，是墙体和屋面的理想保温材料。

1.1.2 按亲水性分类

气凝胶按亲水性可分为亲水和疏水型气凝胶。其表面基团为-OR时，为疏水型气凝胶；表面基团为-OH时，为亲水型气凝胶。

（1）亲水气凝胶。亲水气凝胶和水蒸汽作用时，能吸附水蒸汽且其自身结构不会被破坏，但遇液体水则完全不同，块状气凝胶遇液体水容易破碎。这是因为亲水气凝胶的表面-OH基团与液体水能形成氢键，使得液体水进入气凝胶微孔十分容易，在毛细张力下使气凝胶破碎。亲水型气凝胶烷基化处理后可转化成疏水型气凝胶[10]。

（2）疏水气凝胶。气凝胶在常压干燥过程中容易发生不可逆收缩，有很多应用研究转向超临界干燥法，超临界干燥法虽然制备效果好，但造价很高，而经过疏水处理后的凝胶在常压干燥下同样能得到形态良好的硅气凝胶。

1.2 气凝胶的性能及其用途

（2）屋面板材。屋面作为建筑物围护结构之一，热量的消耗损失在建筑物的总能耗中占8%左右[24]。因此屋面的保温隔热也是一个重要的切入点。将气凝胶保温层引入屋面结构同墙体保温一样，能够极大提升保温效率，隔热阻燃，绿色环保，简化施工，省时省力。

表1 气凝胶特性及应用

性能 特性 用途或应用领域力学低密度 轻质建筑板材，催化剂载体、燃料存储器、净化器过滤高孔隙率 网、污水处理高弹性 减震器、超速离子捕获器高吸附性 萃取剂、吸附剂、动能吸收材料极低热导率 建筑保温隔热板材、保温涂料、保温窗、保温管道等热学 良好热稳定性 航天器、探测器、模具耐火（A级不燃）钢结构阻燃涂料电学 介电常数低 电容器、真空电极良好透光性光学 玻璃、光学仪器、太阳能集热器低折射率声学 声速低 传感器、扩音器、测距仪、隔音板材

2 气凝胶在建筑节能部品的应用分析

2.1 气凝胶在建筑领域的优势分析

气凝胶具有很低的导热系数，通常为0.01～0.03 W/（m·K），是目前导热系数最低的固体材料[11]，且其燃烧等级为A1，也是优良的防火材料。近年来，由于易燃的保温板材引发的建筑火灾事故频发[12]，引起了社会各界广泛关注。气凝胶与传统的EPS、XPS、PU等有机保温材料相比，具有难燃、保温效果强、重量轻、耐腐蚀的优点。

1～2月份，气温逐渐寒冷，要增加温度，适当加覆盖物或室内生火炉。开花期温度适宜20～30℃，夜温15～20℃，低于15℃或高于35℃都不利于花期的正常发育及开花授粉。

SiO2气凝胶在建筑节能部品领域的研究方向有保温窗（气凝胶玻璃）、保温管道、气凝胶保温板（内墙板、外墙板、屋面板）、气凝胶保温涂料、钢结构防火涂料、混凝土添加剂、屋面太阳能集热器、污水处理及室内空气净化等，因其具有的各项突出性能，有望发展为21世纪绿色环保的高效保温隔热轻质新型节能建材[13]。

气凝胶有着其它主流建筑保温材料无法比拟的性能优势。表2为气凝胶与主流建筑保温材料的性能对比[14，15]。

表2 气凝胶与主流建筑保温材料性能对比

B2 ≥18挤塑聚苯乙烯板（XPS）0.030 B222～35聚氨酯（PU）0.018～0.024 -196～70 B2 ≥32聚异氰酸酯（PIR）0.019～0.022 -185～140 B1 ≥35岩（矿）棉 0.0400～600 A 140～200膨胀珍珠岩 0.05～0.15 -200～800 A 70～250酚醛板 0.019～0.024 -196～130 B1 ≥45玻璃棉（纤维）0.0345～0.040 室温～250 A 90～150无机保温砂浆 0.100 ≤800 A 400～700泡沫混凝土 0.060 - A 200～400气凝胶 0.015 -200～1400 A 3～500保温材料导热系数/（W·m-1·K-1）温度范围/℃燃烧等级表观密度/（kg·m-3）模塑聚苯乙烯板（EPS）0.040室温～70

2.2 气凝胶在建筑材料上的应用

（1）气凝胶颗粒。气凝胶颗粒分为疏水型和亲水型，它的制备方式常采用一次成型法和二次成型法。李兴旺等人[16]将甲酰胺作为催化剂，水玻璃作为凝胶先驱体，采用一次成型法在常压干燥下制得了机能良好的SiO2气凝胶微粒。乌尔里克鲍尔等人[17]采用二次成型法制得了粒径小于1μ m的气凝胶颗粒，其在实验过程中将疏水型气凝胶颗粒用均化器进行了研磨并做了表面处理，获得了良好的效果。

（2）气凝胶毡。气凝胶毡就是将溶胶与纤维增强材料复合，最后通过干燥制得，它可以结合气凝胶导热率低和纤维高强、不易裂、耐高温的优势，使其在建筑节能部品领域获得更大的应用价值。增强材料有两种：一种是有机纤维，其韧性较好，例如芳纶纤维、聚氨酯纤维等；另一种是无机材料，耐高温，例如玻璃纤维、陶瓷纤维和硅钙石。

（3）气凝胶板。气凝胶板是将制得的纯气凝胶和金属、纤维、砂浆、颗粒、有机聚合物等复合成刚性板材。目前的商业用气凝胶板通常都是由SiO2气凝胶和无机纤维毡复合制成的。

随着环境日益恶劣和能源供应日益紧张，国际社会对船舶节能和污染物排放控制的要求不断提高。国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)已于2011年实施TierⅡ排放标准，并于2016年强制要求船用柴油机NOx排放符合Tier Ⅲ的要求。面对日益严苛的主机运营成本要求和排放法规，大型船舶低速柴油机电控智能化成为低速船用柴油机发展的必然趋势。

（4）气凝胶玻璃。气凝胶玻璃可以减少室外的热量向室内传递，同样可以阻止室内的热量向室外扩散，从而起到保温隔热的作用，由于气凝胶透明的特征也不影响到室内的采光。气凝胶玻璃的制备成型方法有两种，一种是先制备气凝胶溶胶，通过浸泡或涂膜在玻璃表面形成湿凝胶薄膜，最后干燥成型；另一种是上下两层玻璃中间夹气凝胶层，再加上对双层玻璃抽真空密封，可以进一步提高整个气凝胶玻璃的隔热性能。

2.3 气凝胶在建筑节能部品领域的应用

2.3.1 节能门窗

据统计，典型的建筑通过门窗散失的热量占到了建筑总热量损失的40%～50%[18]。因此节能玻璃的改进和应用对整个建筑节能将起到至关重要的作用。Reim等[19]通过制备气凝胶夹层玻璃研究了透明SiO2气凝胶颗粒在玻璃中的填充厚度对气凝胶玻璃的导热系数和透光率的影响，得到填充厚度小于50mm的气凝胶夹层，其传热系数为0.4W/（m2·K），透光率可达88%。

⑧关于作者里帕生平及其《图像学》写作与版本概况，参见黄燕《切萨雷·里帕及其著作》，《新美术》2016第3期，第99-106页。

2.3.2 管道保温

由于气凝胶制成的保温毛毡导热系数仅为0.016 W/（m·K），保温隔热性能极佳，且具有疏水、抗压、寿命长、易安装维护等特点[20]。具体结构为紧贴管道的一层为气凝胶保温毡，外层为金属保护层，将气凝胶毡错位搭接还能提高管道的保温性能。与传统主流保温材料相比，气凝胶保温结构保温性能明显好于其他材料。张鑫[21]等人将几种传统主流保温材料与气凝胶毡包覆在管道上进行性能对比，发现10mm厚气凝胶毡的保温功效与25mm厚保温橡塑、17mm厚聚氨酯发泡保温材料的相当。

2.3.3 隔热保温板材

心肌梗死是冠状动脉急性、持续性缺血缺氧所引起的心肌发生不可逆转坏死而形成的病理过程，心肌出现缺血性的坏死后可引起心脏的收缩功能和(或)舒张功能发生障碍，出现心力衰竭[1]。心力衰竭多伴恐惧或焦虑的心理反应，因而在急救的过程中除了提高急诊的效率以缩短患者接受治疗的时间，同时还不可忽视患者的心理反应[2]。舒适护理是1995年由Kolcaba提出的，其更注重患者的舒适感和满意感[3]。2016年6月～2018年2月，我们对45例心肌梗死致心力衰竭患者在临床护理路径基础上给予舒适护理，取得满意效果。现报告如下。

数据分析统计版本为SPSS21.0系统,临床治疗总有效率、VAS评分数据指标涉及计数、计量资料类型分析,P<0.05则有差异意义。

（1）墙面板材。气凝胶的导热系数只有占据保温材料市场80%的聚苯板的1/3，保温隔热性能十分突出。且其燃烧等级高达A1，很好地解决了建筑保温材料燃烧性能差的问题。气凝胶毡或板的密度均小于200 kg/m3[22]，施工方便，同时还减轻了建筑墙体的重量。所以，从节能的角度出发，在建筑外墙外保温上采用SiO2气凝胶保温板材，不仅可以起到良好的保温和耐高温的作用，并且能够有效地减小太阳辐射对建筑物内部温度的不利影响；同时还隔热隔音、无毒环保、防潮防霉，也是极佳的内墙体保温材料。倪星元等人[23]将建筑水泥砂浆与气凝胶材料混合，将样品成型干燥后对复合保温板进行性能测试。结果显示，不掺气凝胶材料的对比板材，其导热系数为0.6～0.8W/（m·K），而掺入气凝胶材料后，测试板材的导热系数变为0.2～0.3 W/（m·K），约降低了50%～70%。

气凝胶由于其低密度、高孔隙率、高弹性、高耐火性、低导热率、低介电常数、低折射率和低声速等突出性能，在热学、力学、电学、光学和声学等方面都有着广泛的应用，表1为气凝胶的特性及应用概述。

常用的清洗基片的方法包括物理方法和化学方法两种，实验中采用超声清洗机清洗与化学试剂清洗相结合的方法进行，以达到实验对基片清洁程度的要求，具体的清洗步骤为：将石英基片(基片尺寸：20×20×1 mm3)先后用去离子水、酒精和丙酮浸泡，之后利用超声震荡清洗15min，烘干，备用。

3 应用难点及改进方法

3.1 低成本制备问题

（1）使用低价原材料。使用低价硅源，由原来高价的正硅酸乙酯转而使用低价的硅溶液或水玻璃。邓忠生等用廉价的工业级多聚硅为前驱体制得了比表面积为470m2/g和热导率为0.014W/（m·K）的SiO2气凝胶[25]；使用低价溶剂，由高价的乙醇变为水溶液，沈军课题组在纯水体系下制得密度约为250mg/cm3的SiO2 气凝胶[26]。

气凝胶在建筑节能领域实现产业化生产应用的最大阻碍就是成本高的问题。而实现气凝胶低成本制备现有如下改进措施：

（2）使用改进的常压干燥法。原有的超临界干燥法虽然效果良好但制备成本很高，对常压干燥法进行改造，使其同样能获得形态和性能良好的气凝胶则可以大大降低成本。

（3）炭气凝胶。将热固性有机气凝胶炭化后可得到一种多孔、轻质、非晶态的块状纳米炭材料，具有导电性能，常温下电导率高达10～25s/cm，比其他炭材料的导电能力强。此外，炭气凝胶具有耐腐蚀性好、比表面积高等优点[9]。

2.4 lncRNA ASB16-AS1能促进胶质瘤细胞增殖、侵袭、迁移能力 在LN382和U87MG两个细胞系上RTCA增殖实验证实NC组增殖速度明显快于silence组(见图2B、图2C)。Transwell侵袭迁移试验证实，NC组细胞侵袭、迁移能力明显高于silence组(见图3A、图3B)。划痕试验证实沉默lncRNA ASB16-AS1后划痕愈合速度明显慢于阴性对照组(见图4)。结果表明lncRNA ASB16-AS1能促进胶质瘤细胞增殖、侵袭和迁移能力。

3.2 力学性能差及其改进

由于气凝胶特殊的微观结构致使其力学性能差、韧性差、强度低，限制了它在建材中的应用，因此有研究加入增韧体来提升气凝胶的力学性能。高庆福等[27]将SiO2溶胶与陶瓷纤维复合，通过超临界干燥的方法制得了由陶瓷纤维增强的SiO2气凝胶保温复合材料，复合材料力学性能明显改善，其压缩强度为0.60 MPa。

3.3 保温隔热能力差及其改进

SiO2气凝胶在高温状态下阻挡红外辐射的能力很差。研究通过加入遮光剂后有所改善，杨海龙等[28]以氨水、硅酸铝纤维、正硅酸乙醋等为原料，采取溶胶凝胶法获得湿凝胶，再将湿凝胶与硅酸铝纤维混合，通过超临界干燥法制得复合凝胶。当温度达到400℃时，复合材料的热导率约为0.1W/（m·K），结果表明，制得的复合材料在常温和高温下均能保持稳定，均获得了优良的隔热性能。

4 工程应用实例

4.1 世博会零碳馆实例

气凝胶涂料应用范围较广，不仅可以应用在内外墙体保温中，还应用在建筑顶部和底部保温中。

2010年上海世博会零碳馆，作为中国第一座零碳排放的建筑，也使用了该种涂料。它使用的外墙保温结构是气凝胶涂料+13mm抹灰层+140mm混凝土砌块层+300mmXPS层+外墙面材料，其墙体保温U值达到了0.11～0.3W/（m2·K）[29]。

4.2 广东埃力生气凝胶公司实例

广东埃力生高新科技有限公司（原英德市埃力生亚太电子有限公司）有着近十年的气凝胶研发及生产经验，并且已经成为该行业的领导者。其推出的纳米气凝胶隔热材料具有优良的性能，应用领域有管道保温、炉体隔热、建筑内墙保温、屋顶及房屋地板保温隔热。

目前，高职高专的学生对抽象概念知识的理解接受能力一般，对机械产品的几何公差的相关概念及内涵理解不彻底，所以对实验操作只是照葫芦画瓢。实训实验教学提前安排实验任务，通过慕课、翻转课堂、课堂派等互联网学习助手把预习要求告知学生，完成相关预习任务，帮助学生理解测量要素的实际意义和操作步骤，同时将预习情况作为实验成绩的一部分。

作为建筑内墙保温材料，该材料具有热阻高、传热系数低、高效防火、大幅降低保温层厚度，使用寿命长等优点。A1级防火导热系数低至0.018 W/（m·K），高温灼烧下不释放任何有害物质。图2（a）为气凝胶毡在墙体结构中的应用实例。

该公司生产的DRT06系列气凝胶毡是一种柔性、高效保温隔热毡，该材料是将纳米气凝胶与无机纤维结合在一起，专用于各类高温管道的保温隔热。图2（b）为气凝胶毡在管道上的铺设现场。

图2 气凝胶毡的应用实例

5 结语

气凝胶的突出优势引领建材走向更加多功能、高性能、绿色节能的方向。随着关于气凝胶在建筑节能领域研究的不断更新和应用的持续改进，气凝胶建材的产业化生产和应用创新必将有可观的前景和巨大的发展空间，更好地顺应我国的能源战略转型和生态文明建设。

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