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)驗室內(nèi)擺放著她的實(shí)驗產(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。“氣凝膠屬于A級保溫材料，遇到火星不會燃燒，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?！贝奚榻B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。”
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??；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。”
“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。該項目在剛剛結(jié)束的第十六屆“挑戰(zhàn)杯”競賽江蘇省比賽中榮獲特等獎。
“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。我們對比了國內(nèi)外氣凝膠商業(yè)產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)目前市場上的氣凝膠產(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?！辨i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。”該產(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?！叭绻诠P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?！贝奚淌诮榻B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)會氣凝膠材料分會成立，南京工業(yè)大學(xué)成為會長單位。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。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、保溫水箱等項目，已累計實(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)對油污處理，也累計實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益5452.4萬元。
