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当今社会,节能、降耗、减排是被提倡的发展模式。可行的措施中,除了能源的高效转化及可再生能源的合理开发外,提高能源的利用效率也是节能的关键,这就是“隔热材料”开始得到重视的原因。

之所以这样说,是因为隔热材料可凭借极低的导热系数减少热量在产生、输送、储存和使用等过程中的热量损失,因此被广泛应用于建筑、化工、电子、服装、航空航天等领域。而在这其中,最典型的代表莫过于二氧化硅气凝胶了,由于具有低导热性(<20.0mW/m·K),介电常数(<1.7),折射率(<1.1)和高表面积(>1000.0m²/g)等独特性能,在许多方面上能够发挥作用。在所提出的所有应用中,作为隔热材料应用的潜在候选者无疑是最受人们关注的方向之一。

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二氧化硅气凝胶的隔热原理

二氧化硅气凝胶极低的热导率主要归功于其独特的纳米孔和三维网状结构。由于气凝胶的孔隙处于纳米级,与声子的平均自由程相近,当热量经过气凝胶孔隙时,纳米孔将对声子产生严重的散射作用,降低声子的平均自由程,使热量通过气固耦合传热的效率降低。

同时,气凝胶内部的孔隙率很高,可达到90%以上,而纳米孔的孔壁就像一个个的遮热板,不断的对热辐射进行反射、折射,无穷多的气孔壁使得辐射传递的热量不断下降;气凝胶孔隙尺寸与空气分子的平均自由程相近,纳米孔内的气体分子往往失去自由流动的能力,使得气孔内处于真空状态,对流传热的效率接近于零。

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二氧化硅在隔热方面的应用

二氧化硅气凝胶是目前隔热性能最好的固态材料,因其存在脆性,应用上一般会采取不同掺杂方法改进力学性能。目前相关产品的应用已涵盖科研、工业、国防等保温隔热场合,尤其是航空航天和航海领域,同时,还可用于民用和工业的多种领域,以下是二氧化硅气凝胶的部分应用形式。

1气凝胶毡

纤维增强法制备的复合材料一般称为气凝胶毡。目前,二氧化硅气凝胶毡最主要被应用在保温隔热建筑方面。相比起市场的岩棉、砌砖、纤维等传统的墙体保温材料,气凝胶毡不仅具有极好的保温性能,而且其也具有相应的机械强度,能够满足墙体保温的隔热和强度要求。更有甚者将二氧化硅气凝胶毡制成夹心结构,使其能够直接应用于外墙体保温。

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2、隔热玻璃

目前中国是成为世界第一玻璃幕墙出产和使用大国,虽然有着出色的采光及美观优势,但玻璃幕墙因为吸热和反光的特点,同时也会造成建筑能耗过高。但如果在玻璃幕墙加入气凝胶,可在不影响玻璃原有采光及美观条件下,增加其建筑物隔热保温能力,降低玻璃幕墙建筑物的能耗。Jensen等曾利用多孔硅气凝胶填充玻璃中间层,发现隔热性能确实得到增强,从而展示了硅气凝胶窗广阔的市场前景,有望成为未来节能减排的一大利器。

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2、隔热涂料/薄膜

目前关于气凝胶在涂料/薄膜领域的研究正逐步展开。涂料方面,中南大学的卢斌等曾将二氧化硅气凝胶与水性丙烯酸树脂混合制备玻璃用的隔热涂料,高淑雅等将二氧化硅气凝胶与环氧树脂混合制备了气凝胶的复合材料;薄膜方面,倪星元等曾制得金属铝膜与二氧化硅气凝胶复合的保温隔热薄膜,使其保温隔热效果提高了五倍。



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