質(zhì)地輕薄、干脆、微透,顏色呈淡粉、淡藍(lán)、乳白……南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究生朱昆萌同學(xué)在崔升教授實(shí)驗(yàn)室內(nèi)擺放著她的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品,一種神奇的材料——氣凝膠。氣凝膠是一種三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米材料,具有低密度、高比表面積和低熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能,可用于建筑保溫和工業(yè)生產(chǎn)保溫,是未來發(fā)展的十大新材料之一。
性能突出的建筑保溫材料
現(xiàn)在的墻體保溫以聚苯乙烯泡沫為主,熱導(dǎo)率高并且耐高溫性差。氣凝膠作為建筑外保溫材料,其內(nèi)部的介孔結(jié)構(gòu),使得其相較于傳統(tǒng)隔熱材料具有更優(yōu)異的保溫隔熱效果,熱導(dǎo)率也低于靜止空氣,是保溫性能較為突出的固體材料?!皻饽z屬于A級(jí)保溫材料,遇到火星不會(huì)燃燒,將它作為保溫材料也能有效地減少火災(zāi)發(fā)生的可能性。”崔升介紹說,“氣凝膠熱導(dǎo)率低,作為墻體保溫材料比現(xiàn)有的保溫材料薄且效果好?!?/p>
除了作為墻體保溫材料,氣凝膠還可參與到玻璃窗的制作,增強(qiáng)玻璃的保溫效果?,F(xiàn)在應(yīng)用到玻璃上的氣凝膠有顆粒狀和塊狀兩種。據(jù)了解,顆粒狀氣凝膠玻璃窗中間用氣凝膠顆粒填充,外層為Low-E玻璃,這種方案透光較差,但熱損小;塊狀氣凝膠玻璃窗,其透光率可達(dá)0.75,隔音效果好。目前實(shí)際應(yīng)用以顆粒氣凝膠方案為主,最高節(jié)能率可達(dá)80%。
材料學(xué)院博士劉思佳使用發(fā)泡水泥、泡沫玻璃及發(fā)泡陶瓷等作為基體,結(jié)合真空浸漬和快速乙醇超臨界干燥工藝,制備出一系列發(fā)泡基體復(fù)合SiO2氣凝膠隔熱材料。該材料熱導(dǎo)率可低至0.045W/(m·K),并克服了氣凝膠材料無抗壓折強(qiáng)度、無法承重的缺陷,使氣凝膠具備抗壓折能力,可用在某些特定結(jié)構(gòu)中作承重材料,通過機(jī)械加工還可以適應(yīng)不同使用環(huán)境要求?!霸谙奶煅谉岬貐^(qū),該材料用于商業(yè)建筑外墻,替代傳統(tǒng)的混凝土加隔熱層結(jié)構(gòu),可節(jié)省全年20%的總能耗?!眲⑺技呀榻B說,“除了建筑應(yīng)用,該材料在冷庫保溫、窯爐保溫和熱管保溫等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景?!?/p>
“新力量”助力工業(yè)生產(chǎn)保溫
晶硅生長爐是光伏行業(yè)一項(xiàng)重要生產(chǎn)設(shè)備,其內(nèi)部較高的生產(chǎn)溫度亟需高效節(jié)能的保溫隔熱材料,降低生產(chǎn)能耗。
材研1602班鎖浩同學(xué)對(duì)光伏行業(yè)中晶硅生長爐進(jìn)行節(jié)能改造,提出制備成本低、使用周期長及高溫?zé)釋?dǎo)率低的新型碳纖維增強(qiáng)碳化物氣凝膠材料,有效替換晶硅生長爐中高純石墨氈,突破了技術(shù)和資金雙重壁壘。該項(xiàng)目在剛剛結(jié)束的第十六屆“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽江蘇省比賽中榮獲特等獎(jiǎng)。
“傳統(tǒng)保溫隔熱材料主要存在熱導(dǎo)率高、耐溫性差等缺陷。我們對(duì)比了國內(nèi)外氣凝膠商業(yè)產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)上的氣凝膠產(chǎn)品雖然具有低熱導(dǎo)率,但是其最高工作溫度低,且耐溫性差。”鎖浩介紹說,“我們采用無機(jī)鋁鹽和硼源為原料,碳纖維作為增強(qiáng)材料,突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)制備出常溫?zé)釋?dǎo)率低于0.05、最大壓縮強(qiáng)度為9.1MPa、熱穩(wěn)定性好的碳纖維增強(qiáng)碳化物氣凝膠?!痹摦a(chǎn)品目前已在晶科能源控股有限公司和宿遷新材料研究院進(jìn)行中試研究,完成碳纖維增強(qiáng)碳化物氣凝膠材料中試生產(chǎn)線購置、中試生產(chǎn)和應(yīng)用研究。
良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值
氣凝膠擁有廣闊的應(yīng)用前景,可應(yīng)用于航空航天、石油化工、新能源、交通工具等領(lǐng)域。“如果在筆記本和手機(jī)用上這樣的保溫材料,可以引導(dǎo)熱量從周邊散出,有助于提高散熱效率、增強(qiáng)使用舒適度。”崔升教授介紹說,“氣凝膠還可以應(yīng)用到新能源汽車的鋰電池上,在鋰電池之間加上氣凝膠產(chǎn)品,可以防止每塊鋰電池的熱量互相影響,也可進(jìn)一步防止電池因高溫而導(dǎo)致燃燒?!?/p>
2017年11月19日中國絕熱節(jié)能材料協(xié)會(huì)氣凝膠材料分會(huì)成立,南京工業(yè)大學(xué)成為會(huì)長單位。近年來,南京工業(yè)大學(xué)研發(fā)了包括隔熱用、吸附用、載藥用、光催化用和抗菌用等多種氣凝膠材料,形成了以沈曉冬、崔升為帶頭人的科研團(tuán)隊(duì)。目前氣凝膠成果已轉(zhuǎn)讓多家企業(yè),實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。其中,基于納米氣凝膠絕熱材料的保溫管道、保溫水箱等項(xiàng)目,已累計(jì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益24572萬元。在吸附領(lǐng)域,聚丙烯纖維復(fù)合氣凝膠材料系列產(chǎn)品有效應(yīng)對(duì)油污處理,也累計(jì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益5452.4萬元