介紹一種新型的隔熱材料---氣凝膠(Aerogel)

2021-03-01 集景堂


氣凝膠誕生於1931年，由美國Steven.S.Kistler博士無意中發明。氣凝膠質量極輕，密度大約為3mg/m³，約為空氣的三倍重。可能很多人用望文生義，以為氣凝膠是某種膠體，其實不然，它的製作過程是使用超臨界乾燥法將凝膠中的液體逐漸析出，於此同時液體的位置被其他氣體取代，從而結成透明的固體結構。

氣凝膠中空氣成分佔99.8%，其外觀輕盈，半透明的膠體呈現出淡藍色，所以氣凝膠有許多俗稱：凍結的煙霧、固態煙霧、藍煙等。

▲  圖片來源：網絡

氣凝膠，按照其基體的化學性質可分為 4 大類：

無機氣凝膠: 如二氧化矽、二氧化鈦、如碳化矽等。

有機氣凝膠: 間苯二酚-甲醛、三聚氰胺-甲醛、碳納米管。

混合氣凝膠:混合氣凝膠含有有機和無機相，主要有機相，由二氧化矽氣凝膠改性而來。

如二氧化矽/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。

複合氣凝膠:是由兩種或兩種以上具有不同化學和物理性質的材料製成；一種材料形成基體（或連續相），其它材料形成分散相。

眾所周知，空氣是熱的不良導體，而氣凝膠作為被空氣「霸佔」的材料，自然顯示出優越的阻熱屬性。它幾乎可以阻絕由三種熱傳導方式（熱傳導、熱對流、熱輻射）其中兩種帶來的熱量傳遞。

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所以在氣凝膠的隔熱實驗中常可以看到將被加熱物體放置在氣凝膠上方，用上千度的噴燈去加熱，實驗物體會完好無損的。還有更直觀的實驗讓你了解其阻熱性能的優良。

▲  圖片來源：https://www.youtube.com/watch?v=GcdB5bFwio4

實驗者用將氣凝膠製成的氣凝膠氈裹扎表面，熱成像儀器顯示此時氣凝膠表面的溫度已經高達900多度，但從他滿臉寫著的笑容看，他的手指並沒有因高溫受到損傷。這個實驗顯示了氣凝膠在阻隔熱量上的絕對優勢。 

 

1.無對流效應：氣凝膠材料中密布的氣孔極小，直徑小於70nm，以至於空氣分子不能夠進行自由的流動，所以無法進行熱對流。

2.無窮遮擋效應：氣凝膠自身密度低，並且其內部氣孔為納米級別，從某種程度來說，這種特性，使得氣凝膠內孔趨近於無窮多。每個氣孔相當於「遮熱板」，無窮多個氣孔，就具有了無窮的遮擋效應。

3.無窮長疏鬆路徑效應：氣凝膠內部的無窮多孔洞在某種程度上構成了無窮長的路徑，且氣凝膠自身密度小，結構疏鬆，熱量在疏鬆且無窮長的路徑中流動，可將熱量傳動的效率降至無窮低。 

 

氣凝膠被稱為「凍結的煙霧」，其導熱係數為EPS/XPS板的1/2，是膨脹玻化保溫砂漿的1/3，是巖棉板的1/2。最初被廣泛應用於航空航天、軍事工業等高端技術領域，隨著中國經濟轉型升級及實施國家納米材料戰略，氣凝膠納米材料已逐漸在工業、建築、汽車及電子等行業應用。以下是兩種氣凝膠在建築領域最常用的方式。

氣凝膠薄層隔熱保溫體系是根據超導的反射、輻射和阻隔的三種方式和原理，利用納米技術和納米材料製備出氣凝膠水性熱反射材料、氣凝膠水性隔熱保溫材料和氣凝膠水性防鏽底漆，三種不同功能完整的水性塗層體系，以利發揮整體協同作用，起到建築物的隔熱保溫、防水及裝飾功能的塗層。例如山西陽泉七小區住宅樓節能改造中，分別在建築物外牆和屋面採用了氣凝膠保溫中塗層，達到了較好的保溫隔熱節能的效果。再例如對陽泉賓館外牆和屋面進行全面改造升級時，也使用了氣凝膠塗料，不但恢復了建築往日的色彩，而且又能達到節能降耗的目的。同時，氣凝膠塗料相比於傳統塗料具有抗裂性、自潔性、耐酸鹼性等優點。

▲ 圖片來源：http://www.agel-tech.com/hthk/info_16_itemid_385.html

除了在建築外保溫領域的應用，還可與玻璃結合，製成氣凝膠玻璃。通常，玻璃的保溫隔熱的性能主要由遮蔽係數和傳熱係數這兩個因素決定，現有的建築節能玻璃主要通過鍍膜和中空玻璃、真空玻璃、夾層玻璃等來降低玻璃的傳熱係數。

氣凝膠除了能有效地透過太陽光中的可見光部分,還能阻隔環境溫度的紅外輻射.例如,10mm厚的SiO2氣凝膠層的可見光透過率為85%,太陽光透過率為88%;而16mm 厚SiO2氣凝膠層的可見光透過率為74%，太陽光透過率為71%。但氣凝膠本身脆弱易碎，製備氣凝膠玻璃通常是在兩片玻璃外側用密封膠密封，在兩片玻璃之間形成中空夾層並抽真空，把氣凝膠填入空腔中。這樣的「三明治」結構，使得氣凝膠玻璃　由於氣凝膠既具有絕熱特性，又具有吸聲特性，且具有透光性，因此氣凝膠玻璃的絕熱效果比普通的雙層玻璃高几倍，且具有降噪效果。

在中國國際太陽能十項全能競賽中，西安建築科技大學設計的住宅，在南立面與西立面應用了60cm*60cm*5cm的方形氣凝膠玻璃,達到了非常好的保溫隔熱效果。由於氣凝膠良好的透光率，但卻不透視的特徵，在保證房間私密性的前提下，達到了較好的採光效果。同時乳白色的氣凝膠玻璃與黃色木結構相互映襯，形成了較好的立面及空間效果。

▲ 圖片來源：《氣凝膠建築玻璃透光隔熱性能及影響因素》，呂亞軍, 吳會軍

▲ 圖片來源：

https://mp.weixin.qq.com/s/BCIfSvjh6MeNoEnGqBd_RA

美國新澤西州紐瓦克一所大學使用Kalwall生產的氣凝膠玻璃進行建築節能改造，發現氣凝膠玻璃系統較普通玻璃系統節能效果增加4倍。CABOT公司在紐約州立大學石溪分校諾貝爾大廳實施了氣凝膠玻璃系統工程示範，建築立面的部分窗戶採用氣凝膠玻璃窗，獲得了良好的自然光線和優越的絕熱性，該項目獲得LEED金牌認證。

 

▲ 圖片來源：

https://mp.weixin.qq.com/s/BCIfSvjh6MeNoEnGqBd_RA

圖片來源：

https://www.stonybrook.edu/commcms/cpdc/news.php

 

氣凝膠雖然表現出強大的保溫隔熱的屬性，在建築節能方面有優越的表現，但在建築中的應用由於性價比不高，並沒有廣泛的應用。例如氣凝膠玻璃，其在國際上都屬於新產品，它在國內還沒有開始廣泛應用，因此氣凝膠玻璃新製品在以下方面還需繼續突破：首先是提高產品性價比，相同平米數的氣凝膠玻璃是普通玻璃成本的數倍以上，公司應將著力解決生產成本問題，即需要通過擴大產能途徑，實現規模化效應，擴大成本優勢；其次是產品標準問題。應加快建立氣凝膠玻璃相關國家、行業或地方標準，以及應用技術規程與建築構造圖集。

隨著技術的不斷進步，加之國家對於節能減排綠色建築策略的深入推行，氣凝膠這種高科技材料在建築領域將有更廣泛的應用。

 

文章參考來源：

1.沈軍,連婭,祖國慶,鄒麗萍,王文琴,張志華.氣凝膠低成本製備及其在建築保溫領域中的應用

2.程頤,成時亮,阮豐樂,辛春華.氣凝膠材料在牆體保溫系統中的應用

3.王歡,吳會軍,丁雲飛.氣凝膠透光隔熱材料在建築節能玻璃中的研究及應用進展

4.呂亞軍, 吳會軍.氣凝膠建築玻璃透光隔熱性能及影響因素

5.https://www.youtube.com/watch?v=GcdB5bFwio45

6. http://www.agel-tech.com/hthk/info_16_itemid_385.html

7. https://mp.weixin.qq.com/s/BCIfSvjh6MeNoEnGqBd_RA

8. https://www.zhihu.com/question/20969577/answer/913908959



『磚』想成為什麼——作為社會現象傳統建築 l 系列講座06



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