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引言

目前,资源节约、环境保护已成为政府和民生关心的核心问题,其严峻形势也日益凸显。建筑业作为国民经济支柱行业,同时也是产业链条中资源消耗的聚集产业,建筑业耗能占全社会总耗能50%左右,是我国节能减排的重要领域,门窗、幕墙是围护结构热损失的薄弱部位,占整个建筑围护结构能耗的40%~60%,因此对节能玻璃的研究具有重要意义。我国建筑节能从20世纪80年代开始,共分为3个阶段,图1为我国建筑节能路线图。气凝胶节能玻璃作为具有巨大发展潜力的节能玻璃技术,拥有众多优异性能,被公认为是目前世界上建筑门窗节能的最佳解决方案。


图1 我国建筑节能路线图


一、简介

气凝胶,也称为固体空气,是世界上已知最轻的固体材料,是一种性能优越的保温材料,同时具有耐高温、防爆等特点,在航空航天、国防军工等领域广泛应用。随着科学技术不断发展,气凝胶材料成本逐渐降低,其逐步应用到绿色建筑领域,如气凝胶节能玻璃、气凝胶新型板材等。


气凝胶节能玻璃通常采用Si02气凝胶作为原材料,由于具有很高的孔隙率,且其基本构成颗粒和孔洞尺寸都在纳米级,使得其具有非常独特的性能,随着其孔隙率增加,其热导率和声音传播速度都非常低,可有效提高外围护结构的保温和隔音效果,同时可见光透过率也显著提高,如25mm厚气凝胶节能玻璃的传热系数只有相当厚度双层玻璃的2/5,同时保持透光率45%,太阳光总透射率为43%。


图2 气凝胶照片和显微结构


与普通节能玻璃相比,气凝胶节能玻璃除了具有良好的节能效果外,还具有其他多方面的优异特性,如隔热、隔音降噪、抗风压、无冷热自爆隐患、防爆炸、防火、透光性能、防结露、寿命长达30年以上等,图3为气凝胶节能玻璃主要的特点。


图3 气凝胶节能玻璃主要的特点


二、技术优势

气凝胶节能玻璃通过两片玻璃,中间夹填气凝胶,形成“三明治”结构,具有很好的保温隔热、隔音、防火等性能。气凝胶节能玻璃可用于节能要求较高的建筑,同时可取代高层建筑一般幕墙玻璃,大大减轻建筑物自重,并起防火作用。实践证明,在两层普通玻璃中间夹一层气凝胶节能玻璃,使传热系数从3W/m2·K下降到0.5W/m2·K。此外,气凝胶节能玻璃比所有无机材料的声音传播速度都慢。声音在金属和普通玻璃中的传播速度为500m/s,而在气凝胶节能玻璃中仅为100~120m/s,是非常好的隔音材料。


此外,由于气凝胶超节能玻璃是采用了透明气凝胶颗粒作为其实现高效隔热保温和隔音降噪等优异特性的介质,当太阳光通过气凝胶超节能玻璃时,由于透明气凝胶颗粒的折射作用,呈现出光的漫散射效果,避免了太阳光的直射效果,从而实现了室内舒适的光环境。表1为气凝胶主要性能参数。


表1 气凝胶主要性能参数

热导率

在25℃、1atm下仅为0.02W/(m·k),比空气还低

密度

0.07~0.25g/cm3

孔径尺寸

1~100nm

声音传播速度

100~120m/s

耐热性

1300℃

防火性

A1级防火(最高防火级别)

折射率

1.015~1.055

气孔尺寸

10~20nm

二氧化硅含量

99.99%


三、发展现状

美国、德国、瑞典、俄罗斯、日本等少数国家在透明气凝胶新材料技术上处于领先水平,近些年,国内高校和企业通过大尺寸完整透明气凝胶规模化生产工艺和透明气凝胶规模化制备成套技术和装备的研发,在气凝胶节能玻璃研究方面取得很大进展,且初步具备产业化条件。


目前主要的气凝胶节能玻璃产品有气凝胶采光玻璃和气凝胶透明玻璃两种。其中气凝胶采光玻璃拥有优异的采光效果,能够使自然光均匀分布在整个界面,同时拥有优异的隔热保温、防火防爆、隔音降噪的性能。气凝胶透明玻璃拥有气凝胶采光玻璃绝大部分优异性能的同时,能满足良好的透光性。


图4 气凝胶采光玻璃


图5 气凝胶透明玻璃


当前,气凝胶在建筑节能领域的研究和应用尚处于起步阶段,气凝胶制备工艺较为复杂使得其造价稍高,因此对于气凝胶成本的降低和大尺寸气凝胶节能玻璃的研发成为影响其作为高性能透光隔热材料在建筑节能领域大规模应用的关键所在。


(作者单位:中建科技有限公司技术研发中心)


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