引言

今年的冬天较往年很冷，而且冷的时间也很长，但是因为能源分布的问题，南方很少有地暖，那么南方人在冬天这么冷只能是靠其他物理方法进行降温，北方的地暖也得依赖着能源才能实现暖屋，若没有了能源又该怎么办呢？这时候便想起了高中物理课本中的一个设想，如果有一间能够实现热循环的房子该有多好啊！冬天可以自己供暖，且不需要任何能源，到了夏天屋内又可以将外界的热量隔绝在外，让我们真正体会到冬暖夏凉。

而且就目前来看，随着我国综合国力的不断提升，科技不断进步，能源消耗慢慢成为了我国发展的一块绊脚石。据统计建筑能耗占社会总能耗的百分之三十，那么建筑能耗也成为了我国节能减排中的一块“巨头”，那么是否能够建筑出“热循环”的房子就成了迫在眉睫的一件事情了。首先得从建筑材料下手，如果能够发明出一种建筑材料让房子能够实现隔热保温，且减少能耗，是不是就能缓解我国能源紧缺的问题，更多的将能源投入到真正需要的领域呢?

近几年研究人员也一直在积极地为实现这个设想而在不断努力着，“海压竹枝低复举，风吹山角晦还明”。终于，在研究人员的不懈努力下，硅基气凝胶的制备，让人们看到了这种房子建造的可能性，也为节能减排的工作带来了光明。

一．硅基气凝胶的自我介绍及本领

硅基气凝胶具有珍珠链状的纳米网络结构，孔间缝隙约占总结构的85％，且硅基气凝胶粒子之间的衔接处面积较小，因此在应用此结构不可避免的是其力学性能弱，质脆的缺陷。并且，精纯的硅基气凝胶富含大量的硅羟基，亲水性的特性也会让该材料在潮湿的环境中容易受水分子影响造成网络结构的膨胀与破裂。所以适当的将硅基气凝胶与其他材料或自身材料复合可以起到“相得益彰”的作用，也赋予了该材料新的性能。

例如将类似于纤维，晶须的第二相材料分散到纳米网络结构中，可以有效地抑制精纯气凝胶的亲水性，从而使网状结构更加稳定也增强其材料强度和韧性，可以很好地阻止热收缩的现象。另外掺入的纤维和遮光剂可以很好地降低硅基气凝胶的辐射热传导，也可以有效地提高耐高温性，可以很好地起到隔热的效果。

对硅基气凝胶表面进行特殊处理后，再与相似成分复合，不仅可以增强其力学的性能，更赋予气凝胶热学和光学的性能，最后的复合材料可以实现功能化，例如将硅纳米晶与硅基气凝胶进行复合后，可以搭建二者的共价链，二者复合材料同时具有透光性和光致发光效应。人与人的合作可以带来共赢，材料也是，二者复合发挥了各自的优势，补足了精纯材料的缺陷，为人类的研究带来了更上一层楼的作用。

二．硅基气凝胶如何在建筑中发挥保温隔热的节能应用

硅基气凝胶的制备，让我们看到了能“自我供暖”的房子的可能，那么它应该如何应用在建筑上呢？就目前研究而言，建筑保温隔热材料的研究设计方向有三种：硅基气凝胶隔热涂料、硅基气凝胶玻璃与硅基气凝胶纤维复合材料。它们都是研究人员就着硅基气凝胶的绝热、阻燃、低密度和高透光的特性的应用进行的设想。

硅基气凝胶玻璃是对其高透光性和绝热性的应用，不仅可以在冬季减少室内热量向室外的传递，实现“自暖”，也可以在夏天减少室外热量向室内扩，实现“隔热”。同时又因玻璃的透明性，增加了室内的采光，让居住者能够享受太阳的同时不会被晒伤。而硅基气凝胶在建筑玻璃中主要应用是在普通玻璃表面进行镀膜或者是在双层玻璃的夹层中加入硅基气凝胶元素，两种方式都可以制备出硅基气凝胶玻璃。

硅基气凝胶隔热涂料则是通过物化的方式将第二相材料连续沉积硅基气凝胶的表面，使之形成涂层型的硅基气凝胶绝热复合材料。复合之后最大作用就是改善了硅基气凝胶的颈区强度，将此复合材料运用在建筑材料中，可以降低了室内调控温度设备的使用功率，从而达到了节能减排的理想效果。除此之外与其有异曲同工之妙的方式是，硅基气凝胶制成粉体后还可以在建筑应用中作为填料加入到涂料中，制成硅基气凝胶隔热涂料，从而也起到了保温隔热的功能，也是通过对室内调控温度的设备的能耗功率进行调节达到节能减排的目的的。

硅基气凝胶纤维复合材料借助一种或多种第二相材料融入至硅基气凝胶中，可以制成掺杂型的纳米孔结构硅基气凝胶绝热复合材料，具体功能为改善硅基气凝胶的孔隙结构并阻止第二相材料的膨胀与运动。通过设计并优化硅基气凝胶的结构构成成分，进而能够提高其符合型材料的力学性能，丰富硅基气凝胶的类型和它的功能性。该如何去提高硅基气凝胶的强度呢?那么只能是通过其与第二相材料的结合了。

例如陶瓷纤维、玻璃纤维、纤维素纤维等常见的材料，其长度、强度的特性与硅基气凝胶的连接也大大提高了整体复合材料的力学性能。除此之外，硅基气凝胶也可以通过遮光剂、纳米线、纳米管、晶须来增强其特性，这一类的材料都是可以称得上是建筑节能技术中的节能环保材料，这些材料的成功制备，仿佛已经看到“冬暖夏凉”屋子在向我们招手了。相信在不久的将来，这种屋子会成为现实，也相信我国的节能减排这一战会获得阶段性的胜利的。

三．硅基气凝胶在节能建筑材料中不可或缺的地位

硅基气凝胶以其制成的质地轻薄，可以很好的减轻自重以及对建筑的负担。而硅基气凝胶本身绝热和耐火性能，可以很好地保证建筑物具备优异保温隔热性能的。同时，又兼具着燃点低的性能，可以弥补建筑物中使用的岩棉、XPS板等建筑用材燃点低这一缺点，从而可以更好的保证降低房子火灾率和增强建筑物的安全性。

硅基气凝胶这一环保材料不仅可以避免建筑物在建造过程中对大自然产生废弃污染物，也可以大大降低对居住者人体的伤害。所以基于这一些优点，提出了对建筑绿色节能维护结构保温体系的设想。

首先，在建筑物的整体维护保温体系中，墙体修建所占的比重约为百分之三十五，可以看出如果要建筑绿色建筑，墙体修建非常重要。从建筑物节能和环保角度出发，在建筑物外墙可以利用硅基气凝胶隔热涂料，强有力地削减太阳辐射对建筑物室内带来的温度影响；从建筑的施工性价比中出发，硅基气凝胶的涂刷方式比传统施工工序更加便捷，可以省去繁琐的工序带来的成本消耗。

将环保的果胶与硅基气凝胶进行复合，可以获得强度高热导率低且不易掉粉的三维纳米互穿网络，通过对硅基气凝胶涂料的实际应用可以得出以下的结论：在建筑围护结构中主要采用市面上已规模化生 产 的硅基气凝胶绝热板，其导热系数可维持在 0.020W/m2·K），具有良好的保温隔热性能。同时可耐400℃以上的高温，燃点较低，综合提升建筑物整 体的节能性和安全性。

再者，在建筑物中，虽然窗户在围护结构中占比比较小，但是在其能源消耗中可以达到总耗能的百分之二十五。与普通的玻璃相比，硅基气凝胶玻璃具有高透光性和低热导率。更能够很好地采光和保温。

研究人员对于硅基气凝胶现有的两种应用形态进行的实际探究如下：一是可以采用真空夹板制作方式。将制成平 板的气凝胶夹至玻璃中间，将中间抽为真空，并制成面积为50cm×50cm、厚度为 10mm的玻璃。此时得到的硅基气 凝胶玻璃透光率为85％，导热系数为0.4W/（m2·K）。 极大地提高了玻璃使用的性能，因硅基气凝胶处于玻 璃之间，减少了与空气中水分子的接触，致使玻璃的 绝热率升高,使用时限也得以延长，从而不仅增强了隔热效果同样延长了建筑寿命。

二则可以通过常压干燥法在玻璃表面增图一层硅基气凝胶，当达到一点厚度后，透光率会大幅增加，导热系数也会极大降低。但是因为硅基气凝胶长时间暴露在空气中对涂膜会造成很大的伤害，所以成本较高。

最后就是最重要的屋面的保温，作为建筑节能的重要组成部位室内屋面，研制的硅 基气凝胶砂浆可作为保温层直接应用于结构层中，省 去了保温层前找坡层和找平层两大工序。对建筑砂浆 进行等体积替换法，通过等体积替换法对砂浆中的沙 进行硅基气凝胶颗粒替换，当替换比例达到总砂浆的 60％时，其抗压强度可达到 2.49MPa，导热系数为 0.088W/（m2·K）。因为硅基气凝胶制成的砂浆同时兼具防水性能，在建筑修缮节能方面省去了二次修缮的能源消耗。所以，借助硅基气凝胶砂浆作为屋面保温层，可在一定程度上减少施工工序，节省建造成本。

结语

硅基气凝胶与建筑节能技术的融合，让人们不断向着曾经只敢想象的自暖屋发展，使研究人员在研究过程中不断发现其实际应用价值，不断地努力将曾经的幻想变为现实。但想要更好地促进建筑行业走向绿色可持续发展道路，不断实现节能减排的美好愿望，需要不断优化硅基气凝胶建筑材料的制作工艺。进一步降低硅基气凝胶建筑材料的工艺成本，大规模提高工业化生产，才能为其广阔应用前景开拓市场，也为广阔应用提高原料基础。

近年来，中国化学工程坚持将国家战略对化工新材料和高端化学品的规划作为前进的指向标，不断发挥自身特长，不仅仅积极践行国家“双碳”战略，而且将那些被国外垄断的、国内没有工业化生产的化工新材料作为挑战不断攻克，以那些被“卡脖子”的关键技术为研发方向，以技术升级带动产业链升级和实业发展，取得了许许多多的科研成果。

中国化学工程的未来方向会依托硅基气凝胶项目，围绕硅基气凝胶复合材料，搭建更多硅基材料创新平台，整合硅基纳米气凝胶等领域的技术和拓展更多业务资源，全力协调好工业工程领域综合解决方案服务商、高端化学品和先进材料供应商，相信未来我国会领先建筑出不耗能的“冬暖夏凉”屋。

参考资料：

《科学》

《精细化工》

《河南大学学报自然科学版》

《新型硅基气凝胶复合材料》