研究 \\ 冷冻铸造技术定向制备氮化硼复合隔热气凝胶材料

来源 | Composites Part A: Applied Science and Manufacturing

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背景介绍

传统保持室内热舒适的方法需要消耗大量的能量，据估计，全球有超过10%的能源用于维持人体热舒适。此外，用于实现舒适室内温度的空调不可避免地会排放温室气体，造成环境污染，导致全球变暖。据估计，建筑能耗占二氧化碳排放量的30%，对环境的威胁很大。为了缓解这种情况，有必要开发利用零能耗的隔热材料。

目前，室内热舒适主要通过建造具有保温性能的建筑围护结构来实现。这些隔热结构通常采用低导热系数的材料，可以减少建筑物外部和内部之间的热交换，或者采用高反射涂层，可以最大限度地减少从阳光中吸收的热量进入建筑物。矿棉、木纤维、玻璃纤维、多孔芳纶纤维和市售的膨胀隔热泡沫等聚苯乙烯(EPS)和聚氨酯(PU)泡沫是用于保温的常规材料。然而，它们的导热系数高于空气，从而限制了它们的应用。

三维(3D)多孔气凝胶由于其低密度和高孔隙率而被设想为潜在的绝缘材料。其中常用的是陶瓷基气凝胶和聚合物基气凝胶。另一方面，聚合物气凝胶比硅基气凝胶具有更高的延展性，但其导热系数通常高于空气。目前隔热材料通常用于降低建筑物的能源消耗。大多数商用产品在白天的热导率低，绝缘性能差，太阳光反射率和热发射率小。在同一种材料中实现所有特性是非常具有挑战性的。

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成果掠影

近期，香港科技大学Jang-Kyo Kim联合香港理工大学沈曦教授在隔热气凝胶材料方面的研究取得新进展。该团队采用单向冷冻铸造技术制备了各向异性氮化硼纳米片(BNNs)/聚乙烯醇复合气凝胶。与传统SiO2或Al2O3基气凝胶中相互连接的各向同性纳米颗粒形成的开孔结构不同，二维BNNS可以将气凝胶分隔成独立的细胞，有效减少空气传导和对流，从而实现超低导热。得益于BNNs排列的多孔结构，具有最佳BNNS含量的复合气凝胶在具有20.3 W/mK的超低导热系数。此外，BNNS还具有高的折射率，远高于传统的SiO2(~1.47)和Al2O3(~1.77)纳米粒子。BNNS的折射率与聚合物基体(~1.5)的折射率大不相同，这使得入射光在BNNS/基体界面处有效散射，从而获得高太阳反射率。该复合气凝胶在整个太阳光波长上具有95.0%的反射率，在大气透明窗口内具有93%以上的高发射率。这些理想的特性使它们成为建筑物被动热管理和热防护罩以及其他需要高太阳辐照度保护的应用的有希望的材料。研究成果以“Anisotropic thermally superinsulating boron nitride composite aerogel for building thermal management ”为题发表于《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》。

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图文导读

表1.不同BNNs/PVA复合气凝胶的PVA含量和物理性能。

图1.BNNS/PVA复合气凝胶的制备及微观形貌研究。

图2.BNNs的形态和化学组成。

图3.BNNS/PVA气凝胶的微观结构。

图4.复合气凝胶的力学性能。

图5.复合气凝胶的决然性能。

图6.复合气凝胶的光学和热学性能。

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