氣凝膠在建築領域將大有可為

——訪上海同濟大學教授倪星元

氣凝膠”這個詞匯近年來出現的頻率不斷增加,人們對氣凝膠的認知也在不斷加深。從對其一無所知到逐步認識到它的優越性,特別是在“十三五”規劃中強調新材料戰略的作用後,氣凝膠更是成為先進新型材料中的關註焦點。

目前我國對氣凝膠的研究工作主要集中在同濟大學波爾固體物理研究所、國防科技大學、清華大學、浙江大學、哈爾濱工業大學等。同時,我國高校在氣凝膠科研領域的專業程度以及國內企業在降低氣凝膠制造成本的技術探索上的能力不斷加強,並開始向世界先進水平進軍,跨入世界先進行列。

記者有幸采訪到瞭同濟大學教授倪星元,請他講述一下同濟大學以及我國氣凝膠的研究進展情況,並談到氣凝膠在建築建材應用領域的情況。

同濟大學助力氣凝膠領域研發

1931年,美國斯坦福大學Kistler通過水解水玻璃制備得到氣凝膠,但由於生產成本太高並沒有得到人們的廣泛關註。20世紀80年代,歐洲的一些物理學傢開始對這一新材料進行研究,1985年德國維爾茨堡大學物理所組織召開瞭第一屆“氣凝膠國際研討會”。20世紀90年代初,美國重新開始對氣凝膠進行研究。

同濟大學也是在20世紀90年代就開始瞭對氣凝膠的研究工作,可以說是我國最早的一批研究氣凝膠的科研院所。氣凝膠是由90%以上的空氣和不足10%的固體構成,氣凝膠是世界上密度最小的固體之一,密度僅為3千克每立方米。氣凝膠特殊的納米孔洞和網絡結構呈現出很多非常優異的物理和化學特性和功能。倪星元介紹說:“我們同濟大學固體物理研究所最早是對氣凝膠的物理性質的應用切入開始進行研究的。目前對氣凝膠使用功能的研究多是在物理功能上的延伸。當前同濟大學對氣凝膠功能的研究集中在熱學方面、光學方面、電學方面、聲學方面以及力學(如防爆,抗沖擊)等方面,也進行瞭一些有關化學吸附的研究。“從材料方面來講,我們研究的比較廣,我們研究的有無機氣凝膠、有機氣凝膠以及復合氣凝膠,除瞭最常見的是矽氣凝膠,還有碳系,硫系,金屬氧化物系,金屬系等等,同濟大學在這些方面大部分都有所涉獵。”

在最早的應用中氣凝膠被廣泛應用在航天航空以及軍事領域,因為氣凝膠的一些特性,使其成為瞭航天探測中不可替代的材料,俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都是用它來進行絕緣的。目前除瞭航天領域外,氣凝膠還可廣泛應用於軍工、石化、電力、冶金、建築、服裝等眾多領域,尤其是作為傳統保溫材料的重要替代產品。

保溫隔熱是當前氣凝膠應用開發的熱點,當氣凝膠正面經受1000多攝氏度的火焰噴射時,背面依然可以用手摸。這是由於氣凝膠的熱導率和折射率非常低的特性所決定的,其絕緣能力比最好的玻璃纖維還要好數十倍。

氣凝膠推廣應改變認識降低成本

目前同濟大學正在研究氣凝膠在建築領域的應用,倪星元說:“氣凝膠在建築領域的應用是我們對其在熱學方面研發的一個延伸。最早同濟大學在氣凝膠熱學方面的研究多在軍工領域的應用上,後來才開始延伸到建築建材方面,功能也主要體現在隔熱、保溫上。開始在建材領域的研究不夠深入,之後同濟大學和企業合作,進行產學研一體化的研究,對氣凝膠建材領域的應用才開始逐漸深入,研究和開發瞭氣凝膠復合的保溫隔熱氈的制備、規模化生產與應用。”

倪星元介紹說,當前我國有不少企業從事氣凝膠的研發推廣工作,但是氣凝膠在建築建材領域的應用還沒有得到廣泛推廣。主要原因是,與現有的保溫材料相比,氣凝膠氈的價格相對較高。所以在建築領域如果沒有特殊要求,建築的設計者與開發商一般不會去考慮運用氣凝膠氈作為保溫材料。

針對這一問題,倪星元告訴記者:“這就要求幫助建築的設計者和開發商充分認識氣凝膠的優勢。與其他保溫材料相比,氣凝膠具備其他材料無法比擬的綜合優勢。”氣凝膠氈與其他傳統保溫材料相比,熱導率比較低,保溫隔熱性能要比其他材料好,並且在相同的環境條件下,保溫隔熱性能越好,越明顯降低保溫或隔熱的能耗;從建築結構上來看,氣凝膠氈會更為輕薄,能夠在建築的使用面積上擴展出很大的空間,同時由於產品比較輕,在施工的過程中能夠減少對建築物承重能力的顧慮。與此同時,氣凝膠復合制品還在隔音、防火、防潮等各方面都有自己的優異性能。綜合來講,氣凝膠復合制品的性價比要遠高於其他保溫材料。倪星元指出,當前在建築的設計和建築開發方面,人們對氣凝膠復合制品的認識還不夠,下一步在建築建材領域要加強對其的宣傳推廣工作。

倪星元說:“當然,從氣凝膠的生產企業來講要考慮進一步降低其生產成本,從降低氣凝膠生產的原料成本及調整復合氣凝膠的生產工藝上挖潛。另外如果氣凝膠產品生產形成相當規模的話,其生產成本也將進一步降低。在人們的認識加強,產品成本降低後,氣凝膠將會比較大規模的被應用在建築領域。”

提起中國綠色建材產業發展聯盟氣凝膠創新應用推進中心,倪星元表示對其很是看好。他說:“這將是一個很好的組織機構,希望可以在氣凝膠在建築領域中的應用的宣傳推廣上起到非常重要的作用,努力把科研機構、生產企業、應用單位組織到一起,共同探索對現有的問題的解決對策,推進氣凝膠在建築領域的廣泛應用和技術創新。”

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