研究 \\ 冷凍鑄造技術定向制備氮化硼復合隔熱氣凝膠材料

熱管理博覽會

2023年5月31日 09:03

來源 | Composites Part A: Applied Science and Manufacturing

背景介紹

傳統保持室內熱舒適的方法需要消耗大量的能量，據估計，全球有超過10%的能源用于維持人體熱舒適。此外，用于實現舒適室內溫度的空調不可避免地會排放溫室氣體，造成環境污染，導致全球變暖。據估計，建筑能耗占二氧化碳排放量的30%，對環境的威脅很大。為了緩解這種情況，有必要開發利用零能耗的隔熱材料。

目前，室內熱舒適主要通過建造具有保溫性能的建筑圍護結構來實現。這些隔熱結構通常采用低導熱系數的材料，可以減少建筑物外部和內部之間的熱交換，或者采用高反射涂層，可以最大限度地減少從陽光中吸收的熱量進入建筑物。礦棉、木纖維、玻璃纖維、多孔芳綸纖維和市售的膨脹隔熱泡沫等聚苯乙烯(EPS)和聚氨酯(PU)泡沫是用于保溫的常規材料。然而，它們的導熱系數高于空氣，從而限制了它們的應用。

三維(3D)多孔氣凝膠由于其低密度和高孔隙率而被設想為潛在的絕緣材料。其中常用的是陶瓷基氣凝膠和聚合物基氣凝膠。另一方面，聚合物氣凝膠比硅基氣凝膠具有更高的延展性，但其導熱系數通常高于空氣。目前隔熱材料通常用于降低建筑物的能源消耗。大多數商用產品在白天的熱導率低，絕緣性能差，太陽光反射率和熱發射率小。在同一種材料中實現所有特性是非常具有挑戰性的。

成果掠影

$研究 \\ 冷凍鑄造技術定向制備氮化硼復合隔熱氣凝膠材料的圖3$

近期，香港科技大學Jang-Kyo Kim聯合香港理工大學沈曦教授在隔熱氣凝膠材料方面的研究取得新進展。該團隊采用單向冷凍鑄造技術制備了各向異性氮化硼納米片(BNNs)/聚乙烯醇復合氣凝膠。與傳統SiO2或Al2O3基氣凝膠中相互連接的各向同性納米顆粒形成的開孔結構不同，二維BNNS可以將氣凝膠分隔成獨立的細胞，有效減少空氣傳導和對流，從而實現超低導熱。得益于BNNs排列的多孔結構，具有最佳BNNS含量的復合氣凝膠在具有20.3 W/mK的超低導熱系數。此外，BNNS還具有高的折射率，遠高于傳統的SiO2(~1.47)和Al2O3(~1.77)納米粒子。BNNS的折射率與聚合物基體(~1.5)的折射率大不相同，這使得入射光在BNNS/基體界面處有效散射，從而獲得高太陽反射率。該復合氣凝膠在整個太陽光波長上具有95.0%的反射率，在大氣透明窗口內具有93%以上的高發射率。這些理想的特性使它們成為建筑物被動熱管理和熱防護罩以及其他需要高太陽輻照度保護的應用的有希望的材料。研究成果以“Anisotropic thermally superinsulating boron nitride composite aerogel for building thermal management ”為題發表于《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》。

圖文導讀

表1.不同BNNs/PVA復合氣凝膠的PVA含量和物理性能。

$研究 \\ 冷凍鑄造技術定向制備氮化硼復合隔熱氣凝膠材料的圖4$