SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用研究

摘 要：【目的】評估SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，確定其性能特點和應(yīng)用前景。【方法】采用MATLAB軟件編程計算SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料的有效熱導(dǎo)率，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，分析材料的保溫隔熱性能?！窘Y(jié)果】通過計算和試驗驗證發(fā)現(xiàn)，SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料有效熱導(dǎo)率為286 215.03 W/（m·K），顯示出良好的保溫隔熱性能，能夠有效降低建筑能耗?！窘Y(jié)論】SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，但其在成本控制和規(guī)?；a(chǎn)等方面仍面臨挑戰(zhàn)。未來的研究需要進一步優(yōu)化材料性能，探索降低成本的有效途徑，以實現(xiàn)其在建筑節(jié)能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：MATLAB軟件編程；節(jié)能建筑材料；熱導(dǎo)率

中圖分類號：TB332;TU201.5;TU599" 文獻標志碼：A" 文章編號：1003-5168（2025）02-0080-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.016

Abstract：[Purposes] The main objective of this study is to evaluate the application potential of SiO2 aerogel fiber composites in the field of building energy saving and to determine their performance characteristics and application prospects.[Methods] MATLAB software programming was used to calculate the effective thermal conductivity of SiO2 aerogel fiber composites， and experimental data were combined to analyze the thermal insulation properties of the material. [Findings] Through calculations and experimental verification， it has been found that the effective thermal conductivity of SiO2 aerogel fiber composite materials is 286215.03 W/（m·K）， demonstrating excellent thermal insulation properties， and effectively reducing building energy consumption.[Conclusions] Although SiO2 aerogel fiber composites show great potential in the field of building energy efficiency， their widespread application in the future still faces challenges in cost control and large-scale production. Future research needs to further optimize material performance and explore effective ways to reduce costs to achieve widespread application in the field of building energy efficiency.

Keywords： MATLAB software programming; energy-saving building materials; thermal conductivity

0 引言

當前，能源短缺正成為制約經(jīng)濟可持續(xù)增長和社會進步的關(guān)鍵因素。建筑行業(yè)能源消耗巨大，其能耗占據(jù)總體能源消費的相當比例。因此，推廣節(jié)能建筑和降低建筑能耗已成為該行業(yè)發(fā)展的必然方向。在眾多節(jié)能措施中，建筑外保溫技術(shù)是降低能耗的重要手段之一。隨著科技的進步和建筑節(jié)能標準的提升，與建筑保溫相關(guān)的技術(shù)和材料也在持續(xù)更新?lián)Q代。我國的建筑節(jié)能工作起步較晚，隨著國際交流的加深，我國建筑保溫材料的種類和施工技術(shù)不斷更新，這對建筑外保溫節(jié)能檢測提出了更高的要求［1］。SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料因其卓越的性能在建筑節(jié)能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，對于推動綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究旨在探索其在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，以期通過提高建筑能效和促進環(huán)境保護，為可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。

1 SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料性能特點

1.1 基本組成和結(jié)構(gòu)

氣凝膠是一種由納米級超微粒構(gòu)成的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，其孔隙中主要填充著氣體。這種輕質(zhì)的納米級固態(tài)材料雖然屬于固體，但其中氣體占比極高，達到99%，因此外觀呈現(xiàn)出類似云霧的效果。因其半透明的特性和輕盈的質(zhì)地，有時被形象地稱為“固態(tài)煙霧”或“凝固的煙霧”。氣凝膠種類繁多，涵蓋了硅基、碳基、金屬基、纖維素基等多種類型。其中，硅基氣凝膠，特別是SiO2氣凝膠，因其卓越的隔熱和保溫性能而備受矚目。SiO2氣凝膠是一種輕質(zhì)的納米多孔非晶態(tài)固體材料，其孔隙率達到80%～99.8％的高緊實度，孔洞的標準傳統(tǒng)尺寸為1～100 nm，表面積一般是200～1 000 m2/g，而其密度可低至3 kg/m3，室溫導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.012 W/（m·K）［2］（如圖1所示）。

1.2 熱導(dǎo)率、孔隙率、透光性和力學性能分析

1.2.1 低熱導(dǎo)率。SiO2納米孔隔熱材料的熱導(dǎo)率幾乎可以表示為固相熱導(dǎo)率、氣相熱導(dǎo)率和輻射熱導(dǎo)率之和：At = As + Ag + Ar。其中，At為SiO2納米孔隔熱材料的總熱導(dǎo)率，As為固相熱導(dǎo)率，Ag代表氣相熱導(dǎo)率，而Ar則為輻射熱導(dǎo)率。

固相熱導(dǎo)率與材料密度之間存在著一定的關(guān)聯(lián)性。在固相熱導(dǎo)率與溫度無相關(guān)性的情況下，固相熱導(dǎo)率可表示為：As＝Ap，其中，A為常數(shù)，W·m2 ·kg-1·K-1；p為材料的密度，kg/m3。SiO2納米孔隔熱

在真空的環(huán)境下，氣相熱導(dǎo)率為零，材料熱導(dǎo)率由固相熱導(dǎo)率和輻射熱導(dǎo)率組成［3］。SiO2的低熱導(dǎo)率意味著它在傳遞熱量方面效率不高，使其能夠有效地減緩熱量的傳遞，從而在需要保持溫度穩(wěn)定或隔離熱源的場合中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1.2.2 高孔隙率。SiO2具有大量的微小孔隙或孔洞，使其具有較高的表面積與體積比，能夠作為催化劑載體、吸附劑、絕緣材料或過濾介質(zhì)等。高孔隙率的SiO2可以提供更多的活性位點，增加與反應(yīng)物的接觸面積，從而提高反應(yīng)效率或吸附能力，還能改善材料的熱穩(wěn)定性和機械強度。

1.2.3 良好的透光性。SiO2的透光性源于其晶體結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)。作為一種高熔點的氧化物，SiO2的分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易被光解或熱解，從而保證了光在其內(nèi)部傳播時的穩(wěn)定性和高效性。在光纖通信中，SiO2光纖以其低損耗、大帶寬和長傳輸距離等優(yōu)點，成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的基石。光信號在SiO2光纖中傳輸時，能夠保持較高的信號強度和清晰度，減少了信號衰減和失真，提高了通信質(zhì)量。

1.2.4 力學性能。SiO2具有較高的硬度，莫氏硬度為7，這使其在許多領(lǐng)域中作為磨料使用。SiO2的彈性模量較高，大約為70～90 GPa，表明其在受到外力作用時不易發(fā)生形變。與抗壓強度相比，SiO2的抗拉強度較低，這表明它在受到拉伸力時更容易發(fā)生斷裂。SiO2的熱膨脹系數(shù)較小，這使得它在溫度變化時尺寸穩(wěn)定性較好。

2 利用MATLAB軟件編程計算有效熱導(dǎo)率

2.1 熱導(dǎo)率數(shù)學模型

作為納米孔超級絕熱材料，氣凝膠內(nèi)部的熱量傳遞主要涉及氣相導(dǎo)熱、固相導(dǎo)熱和輻射傳熱三種機制。在理論計算中，通常將氣體導(dǎo)熱和固體導(dǎo)熱視為一個耦合系統(tǒng)，從而得出氣固耦合熱導(dǎo)率［4］。其有效導(dǎo)熱系數(shù)λeff計算公式為式（5）。

2.2 結(jié)果與分析

通過MATLAB軟件編程計算（如圖2所示）得到SiO2的有效熱導(dǎo)率為286 215.03 W/（m·K）（如圖3所示）。

3 SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用進展

傳統(tǒng)的保溫材料在燃燒性能和導(dǎo)熱系數(shù)上存在局限，無法滿足超低能耗建筑的技術(shù)要求，SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料以其優(yōu)異的隔熱、環(huán)保、防火性能，成為實現(xiàn)超低能耗建筑的關(guān)鍵材料。這種材料的應(yīng)用有助于實現(xiàn)建筑的被動式超低能耗，助力綠色轉(zhuǎn)型。

3.1 屋頂隔熱材料

實現(xiàn)屋頂隔熱主要依賴于其獨特的納米孔結(jié)構(gòu)和三維網(wǎng)狀構(gòu)造，以及高孔隙率。SiO2氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)與聲子的平均自由路徑相仿，當熱量通過這些孔隙時，納米孔對聲子產(chǎn)生的散射效應(yīng)會降低聲子的平均自由路徑，從而減少熱量通過氣固耦合傳熱的效率。這些納米孔的孔壁仿佛無數(shù)遮熱板，持續(xù)反射和折射熱輻射，使得輻射傳遞的熱量逐漸減少。

氣凝膠的孔隙大小與空氣分子的平均自由路徑相似，在納米尺度的孔隙中，空氣分子無法自由移動。因此，氣孔內(nèi)部幾乎處于真空狀態(tài)，這極大地降低了對流傳熱的效率，使之接近于零。?SiO2氣凝膠的熱導(dǎo)率非常低，通常在0.02～0.03 W/（m·K），遠低于大多數(shù)傳統(tǒng)隔熱材料，如泡沫聚苯板、玻璃纖維等。這意味著? ?SiO2氣凝膠能夠顯著減少熱量傳輸，提供卓越的隔熱效果。

使用? ?SiO2氣凝膠作為屋頂隔熱材料，能夠有效提高能效和減少能源消耗。?SiO2氣凝膠具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，能有效阻止太陽光和空氣中熱輻射和熱傳導(dǎo)。這種材料2 mm的厚度就能達到相當于60 mm傳統(tǒng)保溫板的保溫效果，極大地提高了建筑的能效，減少了能源消耗?。由于? ?SiO2氣凝膠材料具有良好的穩(wěn)定性和耐久性，其使用壽命長達10年，是傳統(tǒng)保溫材料使用壽命的3倍以上。這不僅能減少更換保溫材料的頻率，還能在一定程度上延長建筑的整體使用壽命。SiO2氣凝膠能有效隔絕外界溫度波動，保持室內(nèi)溫度相對穩(wěn)定。這不僅提高了居住的舒適度，還有助于減少因溫度波動對家電設(shè)備的影響，從而間接降低能耗。

3.2 門窗密封材料

在門窗密封的應(yīng)用中，?SiO2氣凝膠可以作為填充材料或涂層，用于提高門窗的隔熱性能。通過降低門窗的導(dǎo)熱系數(shù)，氣凝膠能夠有效地減少室內(nèi)外溫度的交換，從而保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

? SiO2氣凝膠是一種高效的保溫隔熱材料，其導(dǎo)熱系數(shù)極低，可以達到0.013～0.018 W/（m·K）。這一特性使其成為一種理想的密封材料，能夠顯著提高門窗的保溫性能，從而降低建筑能耗。此外，?SiO2氣凝膠還具有A1級防火性能，?SiO2氣凝膠與纖維復(fù)合，在增加成本很少的前提下，就可以替代目前廣泛使用的有機保溫隔熱材料聚苯板等，是A級防火保溫隔熱材料，具有很好的應(yīng)用前景［5］。利用?SiO2氣凝膠實現(xiàn)門窗密封對于建筑節(jié)能的應(yīng)用是有效的，通過提高門窗的保溫性能，減少能源消耗，為建筑節(jié)能降碳提供了有效的解決方案?。

3.3 應(yīng)用進展

目前，技術(shù)上相對成熟且已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的氣凝膠主要是SiO2氣凝膠。在市場上的建筑用真空絕熱板中，其核心材料通常是SiO2氣凝膠與纖維復(fù)合而成的納米孔超級絕熱材料。這種材料以其獨特的開放性納米級多孔結(jié)構(gòu)和三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)著稱，展現(xiàn)出極低的密度、高比表面積和高孔隙率的顯著特性。加之真空處理，使其表觀熱導(dǎo)率遠低于空氣的熱導(dǎo)率［6］。隨著科技進步和環(huán)保節(jié)能意識的增強，SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。研究人員通過改進工藝和優(yōu)化性能，持續(xù)提升該材料的效能。隨著綠色建筑和低碳生活趨勢的興起，SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料的應(yīng)用前景將更加廣闊。

將SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料多應(yīng)用于屋頂，可以有效阻擋夏季的太陽輻射和冬季的寒冷空氣，降低建筑物的能耗；將SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料與窗戶框架、玻璃等材料結(jié)合，制成節(jié)能窗戶，可有效阻擋外界溫度對室內(nèi)溫度的影響，提高窗戶的保溫隔熱性能。此外，SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料還可應(yīng)用于建筑物的地面、地下室等部位的保溫隔熱，以及建筑結(jié)構(gòu)的防火、隔音等方面［7］。

SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料因其獨特性能和良好隔熱性，在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有巨大潛力。科技的進步和環(huán)保節(jié)能意識的提升將擴大其應(yīng)用。未來，需深入研究開發(fā)新工藝和優(yōu)化性能，以促進其在建筑節(jié)能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

4 SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料未來發(fā)展的方向和挑戰(zhàn)

4.1 未來發(fā)展的方向

在材料科學領(lǐng)域，SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料的研發(fā)與應(yīng)用正日益成為研究熱點［8］。隨著科技的進步和社會需求的多樣化，SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料的未來發(fā)展將主要聚焦于以下幾個方面：一是提升材料的力學性能，特別是在保證輕質(zhì)特性的同時，增強其抗拉伸、抗壓和抗彎曲等能力，以滿足更廣泛的應(yīng)用場景；二是開發(fā)具有多重功能的新型材料，例如整合導(dǎo)電性、吸音性和阻燃性等；三是針對極端環(huán)境下的應(yīng)用，氣凝膠纖維復(fù)合材料需要具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，以保障在高溫、低溫或輻射等條件下的穩(wěn)定性和可靠性。

4.2 面臨的挑戰(zhàn)

SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料在發(fā)展過程中遭遇挑戰(zhàn)，包括界面兼容性問題、高成本的生產(chǎn)工藝，以及缺乏長期穩(wěn)定性和性能評價標準。解決這些問題，特別是提升界面黏接強度和開發(fā)低成本制備工藝，以及建立全面的性能評價體系，對于材料的商業(yè)化至關(guān)重要。SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料在未來發(fā)展中具有巨大的潛力，但要想實現(xiàn)其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，還需科研人員、企業(yè)和政府部門共同努力，克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)，推動材料科學與工程技術(shù)的不斷進步。

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