南京工業大學科研團隊研發新型保溫材料側記

氣凝膠產品的隔熱保溫效果

質地輕薄、幹脆、微透,顏色呈淡粉、淡藍、乳白……南京工業大學材料科學與工程學院研究生朱昆萌同學在崔升教授實驗室內擺放著她的實驗產品,一種神奇的材料——氣凝膠氣凝膠是一種三維納米網絡結構的納米材料,具有低密度、高比表面積和低熱導率等優異性能,可用於建築保溫和工業生產保溫,是未來發展的十大新材料之一。

性能突出的建築保溫材料

現在的墻體保溫以聚苯乙烯泡沫為主,熱導率高並且耐高溫性差。氣凝膠作為建築外保溫材料,其內部的介孔結構,使得其相較於傳統隔熱材料具有更優異的保溫隔熱效果,熱導率也低於靜止空氣,是保溫性能較為突出的固體材料。“氣凝膠屬於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發生的可能性。”崔升介紹說,“氣凝膠熱導率低,作為墻體保溫材料比現有的保溫材料薄且效果好。”

除瞭作為墻體保溫材料,氣凝膠還可參與到玻璃窗的制作,增強玻璃的保溫效果。現在應用到玻璃上的氣凝膠有顆粒狀和塊狀兩種。據瞭解,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0.75,隔音效果好。目前實際應用以顆粒氣凝膠方案為主,最高節能率可達80%。

材料學院博士劉思佳使用發泡水泥、泡沫玻璃及發泡陶瓷等作為基體,結合真空浸漬和快速乙醇超臨界幹燥工藝,制備出一系列發泡基體復合SiO2氣凝膠隔熱材料。該材料熱導率可低至0.045W/(m·K),並克服瞭氣凝膠材料無抗壓折強度、無法承重的缺陷,使氣凝膠具備抗壓折能力,可用在某些特定結構中作承重材料,通過機械加工還可以適應不同使用環境要求。“在夏天炎熱地區,該材料用於商業建築外墻,替代傳統的混凝土加隔熱層結構,可節省全年20%的總能耗。”劉思佳介紹說,“除瞭建築應用,該材料在冷庫保溫、窯爐保溫和熱管保溫等領域均有廣闊的應用前景。”

“新力量”助力工業生產保溫

晶矽生長爐是光伏行業一項重要生產設備,其內部較高的生產溫度亟需高效節能的保溫隔熱材料,降低生產能耗。

材研1602班鎖浩同學對光伏行業中晶矽生長爐進行節能改造,提出制備成本低、使用周期長及高溫熱導率低的新型碳纖維增強碳化物氣凝膠材料,有效替換晶矽生長爐中高純石墨氈,突破瞭技術和資金雙重壁壘。該項目在剛剛結束的第十六屆“挑戰杯”競賽江蘇省比賽中榮獲特等獎。

“傳統保溫隔熱材料主要存在熱導率高、耐溫性差等缺陷。我們對比瞭國內外氣凝膠商業產品,發現目前市場上的氣凝膠產品雖然具有低熱導率,但是其最高工作溫度低,且耐溫性差。”鎖浩介紹說,“我們采用無機鋁鹽和硼源為原料,碳纖維作為增強材料,突破多項關鍵技術制備出常溫熱導率低於0.05、最大壓縮強度為9.1MPa、熱穩定性好的碳纖維增強碳化物氣凝膠。”該產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行中試研究,完成碳纖維增強碳化物氣凝膠材料中試生產線購置、中試生產和應用研究。

良好的應用前景和經濟價值

氣凝膠擁有廣闊的應用前景,可應用於航空航天、石油化工、新能源、交通工具等領域。“如果在筆記本和手機用上這樣的保溫材料,可以引導熱量從周邊散出,有助於提高散熱效率、增強使用舒適度。”崔升教授介紹說,“氣凝膠還可以應用到新能源汽車的鋰電池上,在鋰電池之間加上氣凝膠產品,可以防止每塊鋰電池的熱量互相影響,也可進一步防止電池因高溫而導致燃燒。”

2017年11月19日中國絕熱節能材料協會氣凝膠材料分會成立,南京工業大學成為會長單位。近年來,南京工業大學研發瞭包括隔熱用、吸附用、載藥用、光催化用和抗菌用等多種氣凝膠材料,形成瞭以沈曉冬、崔升為帶頭人的科研團隊。目前氣凝膠成果已轉讓多傢企業,實現瞭產業化應用。其中,基於納米氣凝膠絕熱材料的保溫管道、保溫水箱等項目,已累計實現經濟效益24572萬元。在吸附領域,聚丙烯纖維復合氣凝膠材料系列產品有效應對油污處理,也累計實現經濟效益5452.4萬元

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