【導(dǎo)讀】

兼具輕質(zhì)、高強，隔熱和耐火性能的先進建筑材料是我國建筑行業(yè)實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的重要基礎(chǔ)。全球建筑物能源消耗超過總能耗的40%，其中大部分用于供暖和制冷系統(tǒng)以滿足舒適度需求。墻壁和屋頂熱傳導(dǎo)占總傳導(dǎo)的約40%。因此，設(shè)計和制備高效隔熱的多功能建筑材料至關(guān)重要。傳統(tǒng)的商用保溫材料已經(jīng)無法滿足下一代綠色建筑的能效要求。雖然硅氣凝膠作為最先進的絕熱材料之一，具有高孔隙率（99.98%）和極低導(dǎo)熱系數(shù)（僅0.018 W m-1 K-1），但其天然脆性和昂貴的制備工藝限制了大規(guī)模應(yīng)用。

因此，實現(xiàn)低密度、高力學(xué)性能和低導(dǎo)熱率的先進隔熱材料的組合是一項巨大挑戰(zhàn)。在建筑材料研發(fā)中，追求輕質(zhì)、高強、隔熱和耐火的全新解決方案勢在必行。

【成果掠影】

本研究基于仿生理論對水泥基因C-S-H（C-A-S-H）進行微結(jié)構(gòu)改良，創(chuàng)制了一種超輕水泥氣凝膠，這種水泥氣凝膠表現(xiàn)出超高的機械性能，超低導(dǎo)熱率，良好的阻燃性，拓展了氣凝膠種類，推動了水泥材料從 “傳統(tǒng)性能” 到“先進功能”的跨越。

相關(guān)論文被選為封面期刊發(fā)表在Advanced Science，以及Carbon Energy上。

【核心創(chuàng)新點】

本文提出有機-無機雜化氣凝膠設(shè)計策略，充分發(fā)揮水泥水化產(chǎn)物 C-(A)-S-H 自固化和自膠粘特點，通過可控定向冷凍法誘導(dǎo) C-S-H 凝膠成核形成有序仿墨魚骨微結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一種新型水泥基氣凝膠;新型水泥氣凝膠密度低至 15Kg/m3， 導(dǎo)熱系數(shù)低至 0.02W/(m·K)，比強度最高為1216.88 MPa cm3 g-1，同時具有負(fù)泊松比、比強度高等優(yōu)異的綜合性能。解決了現(xiàn)有常規(guī)氣凝膠材料強度低、脆性大、工藝復(fù)雜、難以宏量化生產(chǎn)的難題，成為未來超低能耗建筑隔熱材料選擇之一。

使用水泥氣凝膠（左側(cè)）和混凝土（右側(cè)）作為建筑外殼時，能源節(jié)約過程的示意圖比較：水泥氣凝膠比混凝土更輕、具有更好的保溫性能和耐火性能。

【數(shù)據(jù)概覽】

圖1作為建筑材料的水泥氣凝膠、木材、多孔水泥、聚合物泡沫和陶瓷氣凝膠的性能對比。

圖2水泥氣凝膠的設(shè)計和微觀結(jié)構(gòu)。a) 水泥氣凝膠的XCT掃描圖。b) 帶有壁和隔板的水泥氣凝膠的掃描電子顯微鏡圖像。c) 水泥氣凝膠的能量散射譜（EDS）圖，顯示檢測到的元素（碳、硅酸鹽、鈣和鋁）。d) PVA、CASH和水泥氣凝膠的傅里葉變換紅外光譜圖。e) 水泥氣凝膠的X射線光電子能譜（XPS）。f) 模擬水泥氣凝膠的全景圖。g) PVA鏈與C-A-S-H顆粒之間界面的放大示意圖。

 圖3水泥氣凝膠的力學(xué)性能。a) 水泥氣凝膠在軸向壓縮試驗下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b) 水泥氣凝膠的老化試驗，表明機械強度增加，插圖為密度為0.015 g cm?3的輕質(zhì)水泥氣凝膠。c) 水泥氣凝膠受沖擊載荷的實時圖像組。d) 水泥氣凝膠的泊松比隨壓縮應(yīng)變的變化。e) 水泥氣凝膠與其他商業(yè)材料的密度和模量對比。f) 水泥氣凝膠與其他商業(yè)材料的韌性與密度對比。

圖4水泥氣凝膠的熱阻和耐火性能。a) 加熱實驗中水泥氣凝膠的紅外圖像。b) 水泥氣凝膠的熱重分析。c) 水泥氣凝膠的熱絕緣性能示意圖。d) 水泥氣凝膠與商業(yè)材料的熱導(dǎo)率對比。e) 火焰下的水泥氣凝膠照片。f) 火焰下的純水泥照片。

圖5  水泥氣凝膠的電池應(yīng)用實驗。(A)水平燃燒測試。(B)鋰電池的熱失控實驗對比圖（有無水泥氣凝膠包覆）。(C)樣品表面的溫度變化。(D)鋰電池的熱失控紅外對比圖（有無水泥氣凝膠包覆）。(E)鋰電池包表面的溫度變化。(F)溫度傳感器的放置。(G) NCM 523鋰電池?zé)崾Э貙嶒炇疽鈭D。(H)兩個NCM 523電池包熱失控實驗對比圖（有無水泥氣凝膠隔離）。

【成果啟示】

研究者相信，此項研究將會為建筑材料研究打開了一扇窗戶，并為基于傳統(tǒng)建筑材料新應(yīng)用提供思路。用水泥氣凝膠，打造更綠色，更環(huán)保的未來！

來源：材料人