AS封面：水泥基仿生氣凝膠——未來超低能耗建筑新保障

一、?【導讀】

兼具輕質、高強，隔熱和耐火性能的先進建筑材料是我國建筑行業實現“雙碳目標”的重要基礎。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以滿足舒適度需求。墻壁和屋頂熱傳導占總傳導的約40%。因此，設計和制備高效隔熱的多功能建筑材料至關重要。傳統的商用保溫材料已經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%）和極低導熱系數（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模應用。

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

二、【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）進行微結構改良，創制了一種超輕水泥氣凝膠，這種水泥氣凝膠表現出超高的機械性能，超低導熱率，良好的阻燃性，拓展了氣凝膠種類，推動了水泥材料從?“傳統性能” 到“先進功能”的跨越。

相關論文被選為封面期刊發表在Advanced Science，以及Carbon?Energy上。

三、【核心創新點】

本文提出有機-無機雜化氣凝膠設計策略，充分發揮水泥水化產物 C-(A)-S-H 自固化和自膠粘特點，通過可控定向冷凍法誘導 C-S-H 凝膠成核形成有序仿墨魚骨微結構，開發出一種新型水泥基氣凝膠;新型水泥氣凝膠密度低至 15Kg/m³， 導熱系數低至 0.02W/(m·K)，比強度最高為1216.88 MPa cm³?g^-1，同時具有負泊松比、比強度高等優異的綜合性能。 解決了現有常規氣凝膠材料強度低、脆性大、工藝復雜、難以宏量化生產的難題，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）和混凝土（右側）作為建筑外殼時，能源節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。

四、【數據概覽】

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 ?水泥氣凝膠的設計和微觀結構。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 ?水泥氣凝膠的力學性能。a) 水泥氣凝膠在軸向壓縮試驗下的應力-應變曲線。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變的變化。e) 水泥氣凝膠與其他商業材料的密度和模量對比。f) 水泥氣凝膠與其他商業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) 水泥氣凝膠與商業材料的熱導率對比。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鋰電池熱失控實驗示意圖。(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）。

五、【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，并為基于傳統建筑材料新應用提供思路。用水泥氣凝膠，打造更綠色，更環保的未來！

原文詳情：

通訊作者為東南大學材料學院佘偉教授和普渡大學李恬教授，第一作者為東南大學，普渡大學聯合培養博士生杜豐音。本項目由重點研發2021YFF0500802，國家自然科學基金51890904，52022022, 和52278247支持。?

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202300340?

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.353

本文由Noor?Mohammad供稿