來源 | Advanced Science

原文 | https://doi.org/10.1002/advs.202300340

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背景介紹

能源危機已成為最緊迫的問題和首要任務，其中建筑占全球能源消耗的40%以上。世界各地的建筑行業占全球能源消耗的40%以上，是溫室氣體的最大生產者之一。建筑的能源消耗主要是由于建筑圍護結構內熱舒適所需的加熱和冷卻系統。目前，常用的保溫材料包括礦棉、玻璃纖維和聚苯乙烯泡沫塑料在內，材料的導熱系數在0.030-0.090W/(mK)之間。

傳統保溫材料已經不能滿足下一代建筑的節能要求。先進的隔熱材料，如氣凝膠，是一類具有超低導熱性的多孔輕質材料。然而，這些具有良好隔熱性能的高多孔材料通常具有較低的機械強度，并且需要額外的結構材料進行加固。目前，單一功能的圍護結構無法滿足下一代建筑的能源效率。設計具有高機械穩健性、高保溫性能和多功能的建筑已引起世界各國的關注。

然而，在雙碳背景下，需要大量生產建筑材料來減少能源浪費。因此，如何提高材料效率，以更少的原材料獲得更高的性能，是下一代建筑材料面臨的關鍵挑戰。水泥作為世界上應用最廣泛的建筑材料，由于其高機械強度、長期耐久性和耐高溫性，是這種多功能創新的有希望的候選者。基于生物啟發設計和材料效率改進的進一步優化已被采用為實現令人滿意的性能的有效方法。

02

成果掠影

近期，東南大學佘偉教授聯合普渡大學李恬教授團隊，受堅固多孔的墨魚骨骼的啟發，通過在聚合物溶液中自組裝水合鈣鋁硅酸鹽納米顆粒(C-A-S-H，水泥的主要成分)，開發了隔熱保溫的水泥氣凝膠材料。通過在聚合物溶液中自組裝水泥的主要成分(C-A-S-H納米顆粒)，大大提高了材料效率。該工藝方法避免了水泥原料的煅燒，與普通水泥相比，隱含碳減少了50%以上。所得水泥氣凝膠的質量密度僅為0.015 g cm?3。合成的水泥氣凝膠在剛度(315.65 MPa)和韌性(14.68 MJ m?3)方面表現出超高的力學性能。水泥氣凝膠內部具有多尺度孔隙的高孔隙結構極大地抑制了傳熱，從而實現了超低導熱系數(0.025 W/(mK))。此外，無機C-A-S-H納米顆粒在水泥氣凝膠中形成防火屏障，具有良好的阻燃性（極限氧指數高達46.26%，UL94-V0）。多功能水泥氣凝膠具有高機械穩健性，顯著的絕熱性，輕質和阻燃性，是實際建筑應用的有前途的候選者。它的高性能使其成為建筑中具有競爭力的水泥替代品，并擴大了其在結構施工中的應用。研究成果以“Bioinspired Super Thermal Insulating, Strong and Low Carbon Cement Aerogel for Building Envelope ”為題發表于《Advanced Science》。

03

圖文導讀

圖1.仿生水泥氣凝膠。

圖2.水泥氣凝膠的設計與微觀結構。

圖3.水泥氣凝膠的力學性能。

圖4.水泥氣凝膠的耐熱性和阻燃性。

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