SiO2气凝胶纤维复合材料在建筑节能领域的应用研究

摘 要：【目的】评估SiO2气凝胶纤维复合材料在建筑节能领域的应用潜力，确定其性能特点和应用前景。【方法】采用MATLAB软件编程计算SiO2气凝胶纤维复合材料的有效热导率，结合试验数据，分析材料的保温隔热性能。【结果】通过计算和试验验证发现，SiO2气凝胶纤维复合材料有效热导率为286 215.03 W/（m·K），显示出良好的保温隔热性能，能够有效降低建筑能耗。【结论】SiO2气凝胶纤维复合材料在建筑节能领域展现出巨大潜力，但其在成本控制和规模化生产等方面仍面临挑战。未来的研究需要进一步优化材料性能，探索降低成本的有效途径，以实现其在建筑节能领域的广泛应用。

关键词：MATLAB软件编程；节能建筑材料；热导率

中图分类号：TB332;TU201.5;TU599" 文献标志码：A" 文章编号：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

当前，能源短缺正成为制约经济可持续增长和社会进步的关键因素。建筑行业能源消耗巨大，其能耗占据总体能源消费的相当比例。因此，推广节能建筑和降低建筑能耗已成为该行业发展的必然方向。在众多节能措施中，建筑外保温技术是降低能耗的重要手段之一。随着科技的进步和建筑节能标准的提升，与建筑保温相关的技术和材料也在持续更新换代。我国的建筑节能工作起步较晚，随着国际交流的加深，我国建筑保温材料的种类和施工技术不断更新，这对建筑外保温节能检测提出了更高的要求［1］。SiO2气凝胶纤维复合材料因其卓越的性能在建筑节能领域广泛应用，对于推动绿色建筑和可持续发展具有重要意义。本研究旨在探索其在建筑节能领域的应用潜力，以期通过提高建筑能效和促进环境保护，为可持续发展作出贡献。

1 SiO2气凝胶纤维复合材料性能特点

1.1 基本组成和结构

气凝胶是一种由纳米级超微粒构成的多孔网络结构材料，其孔隙中主要填充着气体。这种轻质的纳米级固态材料虽然属于固体，但其中气体占比极高，达到99%，因此外观呈现出类似云雾的效果。因其半透明的特性和轻盈的质地，有时被形象地称为“固态烟雾”或“凝固的烟雾”。气凝胶种类繁多，涵盖了硅基、碳基、金属基、纤维素基等多种类型。其中，硅基气凝胶，特别是SiO2气凝胶，因其卓越的隔热和保温性能而备受瞩目。SiO2气凝胶是一种轻质的纳米多孔非晶态固体材料，其孔隙率达到80%～99.8％的高紧实度，孔洞的标准传统尺寸为1～100 nm，表面积一般是200～1 000 m2/g，而其密度可低至3 kg/m3，室温导热系数可低至0.012 W/（m·K）［2］（如图1所示）。

1.2 热导率、孔隙率、透光性和力学性能分析

1.2.1 低热导率。SiO2纳米孔隔热材料的热导率几乎可以表示为固相热导率、气相热导率和辐射热导率之和：At = As + Ag + Ar。其中，At为SiO2纳米孔隔热材料的总热导率，As为固相热导率，Ag代表气相热导率，而Ar则为辐射热导率。

固相热导率与材料密度之间存在着一定的关联性。在固相热导率与温度无相关性的情况下，固相热导率可表示为：As＝Ap，其中，A为常数，W·m2 ·kg-1·K-1；p为材料的密度，kg/m3。SiO2纳米孔隔热

在真空的环境下，气相热导率为零，材料热导率由固相热导率和辐射热导率组成［3］。SiO2的低热导率意味着它在传递热量方面效率不高，使其能够有效地减缓热量的传递，从而在需要保持温度稳定或隔离热源的场合中发挥关键作用。

1.2.2 高孔隙率。SiO2具有大量的微小孔隙或孔洞，使其具有较高的表面积与体积比，能够作为催化剂载体、吸附剂、绝缘材料或过滤介质等。高孔隙率的SiO2可以提供更多的活性位点，增加与反应物的接触面积，从而提高反应效率或吸附能力，还能改善材料的热稳定性和机械强度。

1.2.3 良好的透光性。SiO2的透光性源于其晶体结构和化学性质。作为一种高熔点的氧化物，SiO2的分子结构稳定，不易被光解或热解，从而保证了光在其内部传播时的稳定性和高效性。在光纤通信中，SiO2光纤以其低损耗、大带宽和长传输距离等优点，成为现代通信网络的基石。光信号在SiO2光纤中传输时，能够保持较高的信号强度和清晰度，减少了信号衰减和失真，提高了通信质量。

1.2.4 力学性能。SiO2具有较高的硬度，莫氏硬度为7，这使其在许多领域中作为磨料使用。SiO2的弹性模量较高，大约为70～90 GPa，表明其在受到外力作用时不易发生形变。与抗压强度相比，SiO2的抗拉强度较低，这表明它在受到拉伸力时更容易发生断裂。SiO2的热膨胀系数较小，这使得它在温度变化时尺寸稳定性较好。

2 利用MATLAB软件编程计算有效热导率

2.1 热导率数学模型

作为纳米孔超级绝热材料，气凝胶内部的热量传递主要涉及气相导热、固相导热和辐射传热三种机制。在理论计算中，通常将气体导热和固体导热视为一个耦合系统，从而得出气固耦合热导率［4］。其有效导热系数λeff计算公式为式（5）。

2.2 结果与分析

通过MATLAB软件编程计算（如图2所示）得到SiO2的有效热导率为286 215.03 W/（m·K）（如图3所示）。

3 SiO2气凝胶纤维复合材料在建筑节能中的应用进展

传统的保温材料在燃烧性能和导热系数上存在局限，无法满足超低能耗建筑的技术要求，SiO2气凝胶纤维复合材料以其优异的隔热、环保、防火性能，成为实现超低能耗建筑的关键材料。这种材料的应用有助于实现建筑的被动式超低能耗，助力绿色转型。

3.1 屋顶隔热材料

实现屋顶隔热主要依赖于其独特的纳米孔结构和三维网状构造，以及高孔隙率。SiO2气凝胶的孔隙结构与声子的平均自由路径相仿，当热量通过这些孔隙时，纳米孔对声子产生的散射效应会降低声子的平均自由路径，从而减少热量通过气固耦合传热的效率。这些纳米孔的孔壁仿佛无数遮热板，持续反射和折射热辐射，使得辐射传递的热量逐渐减少。

气凝胶的孔隙大小与空气分子的平均自由路径相似，在纳米尺度的孔隙中，空气分子无法自由移动。因此，气孔内部几乎处于真空状态，这极大地降低了对流传热的效率，使之接近于零。‌SiO2气凝胶的热导率非常低，通常在0.02～0.03 W/（m·K），远低于大多数传统隔热材料，如泡沫聚苯板、玻璃纤维等。这意味着‌ ‌SiO2气凝胶能够显著减少热量传输，提供卓越的隔热效果。

使用‌ ‌SiO2气凝胶作为屋顶隔热材料，能够有效提高能效和减少能源消耗。‌SiO2气凝胶具有极低的导热系数，能有效阻止太阳光和空气中热辐射和热传导。这种材料2 mm的厚度就能达到相当于60 mm传统保温板的保温效果，极大地提高了建筑的能效，减少了能源消耗‌。由于‌ ‌SiO2气凝胶材料具有良好的稳定性和耐久性，其使用寿命长达10年，是传统保温材料使用寿命的3倍以上。这不仅能减少更换保温材料的频率，还能在一定程度上延长建筑的整体使用寿命。SiO2气凝胶能有效隔绝外界温度波动，保持室内温度相对稳定。这不仅提高了居住的舒适度，还有助于减少因温度波动对家电设备的影响，从而间接降低能耗。

3.2 门窗密封材料

在门窗密封的应用中，‌SiO2气凝胶可以作为填充材料或涂层，用于提高门窗的隔热性能。通过降低门窗的导热系数，气凝胶能够有效地减少室内外温度的交换，从而保持室内温度的稳定。

‌ SiO2气凝胶是一种高效的保温隔热材料，其导热系数极低，可以达到0.013～0.018 W/（m·K）。这一特性使其成为一种理想的密封材料，能够显著提高门窗的保温性能，从而降低建筑能耗。此外，‌SiO2气凝胶还具有A1级防火性能，‌SiO2气凝胶与纤维复合，在增加成本很少的前提下，就可以替代目前广泛使用的有机保温隔热材料聚苯板等，是A级防火保温隔热材料，具有很好的应用前景［5］。利用‌SiO2气凝胶实现门窗密封对于建筑节能的应用是有效的，通过提高门窗的保温性能，减少能源消耗，为建筑节能降碳提供了有效的解决方案‌。

3.3 应用进展

目前，技术上相对成熟且已实现产业化的气凝胶主要是SiO2气凝胶。在市场上的建筑用真空绝热板中，其核心材料通常是SiO2气凝胶与纤维复合而成的纳米孔超级绝热材料。这种材料以其独特的开放性纳米级多孔结构和三维立体网状结构著称，展现出极低的密度、高比表面积和高孔隙率的显著特性。加之真空处理，使其表观热导率远低于空气的热导率［6］。随着科技进步和环保节能意识的增强，SiO2气凝胶纤维复合材料在建筑节能领域的应用日益增多。研究人员通过改进工艺和优化性能，持续提升该材料的效能。随着绿色建筑和低碳生活趋势的兴起，SiO2气凝胶纤维复合材料的应用前景将更加广阔。

将SiO2气凝胶纤维复合材料多应用于屋顶，可以有效阻挡夏季的太阳辐射和冬季的寒冷空气，降低建筑物的能耗；将SiO2气凝胶纤维复合材料与窗户框架、玻璃等材料结合，制成节能窗户，可有效阻挡外界温度对室内温度的影响，提高窗户的保温隔热性能。此外，SiO2气凝胶纤维复合材料还可应用于建筑物的地面、地下室等部位的保温隔热，以及建筑结构的防火、隔音等方面［7］。

SiO2气凝胶纤维复合材料因其独特性能和良好隔热性，在建筑节能领域具有巨大潜力。科技的进步和环保节能意识的提升将扩大其应用。未来，需深入研究开发新工艺和优化性能，以促进其在建筑节能领域的广泛应用。

4 SiO2气凝胶纤维复合材料未来发展的方向和挑战

4.1 未来发展的方向

在材料科学领域，SiO2气凝胶纤维复合材料的研发与应用正日益成为研究热点［8］。随着科技的进步和社会需求的多样化，SiO2气凝胶纤维复合材料的未来发展将主要聚焦于以下几个方面：一是提升材料的力学性能，特别是在保证轻质特性的同时，增强其抗拉伸、抗压和抗弯曲等能力，以满足更广泛的应用场景；二是开发具有多重功能的新型材料，例如整合导电性、吸音性和阻燃性等；三是针对极端环境下的应用，气凝胶纤维复合材料需要具备良好的环境适应性，以保障在高温、低温或辐射等条件下的稳定性和可靠性。

4.2 面临的挑战

SiO2气凝胶纤维复合材料在发展过程中遭遇挑战，包括界面兼容性问题、高成本的生产工艺，以及缺乏长期稳定性和性能评价标准。解决这些问题，特别是提升界面黏接强度和开发低成本制备工艺，以及建立全面的性能评价体系，对于材料的商业化至关重要。SiO2气凝胶纤维复合材料在未来发展中具有巨大的潜力，但要想实现其在各个领域的广泛应用，还需科研人员、企业和政府部门共同努力，克服现有挑战，推动材料科学与工程技术的不断进步。

参考文献：

［1］ 梁宏彦.建筑节能检测之常用保温材料检测［J］.四川水泥，2017（7）：13.

［2］ 杨建明.SiO2气凝胶隔热复合材料的热导率计算与优化［D］广州：广州大学，2016.

［3］ 李俊宁，胡子君，吴文军，等.SiO2纳米孔隔热材料制备与热导率计算［J］.工程热物理学报，2018，39（12）：2784-2788.

［4］ 陆规，段远源，王晓东.微米尺度结构特征对纳米材料热导率的影响［J］.宇航材料工艺，2011，41（1）：29-33.

［5］ 张原僖.二氧化硅气凝胶A级防火保温隔热复合材料在建筑节能工程中的应用［C］//中国无机盐工业协会无机硅化物分会.2014年全国无机硅化物行业年会暨行业“十三五”发展规划研讨会论文集，2014.

［6］李月香，马军霞，王蒙. SiO2高效节能气凝胶隔热材料的制备及性能研究 ［J］. 功能材料，2024，55 （7）：7224-7230.

［7］张忠伦，张世伟，温立玉，等. 气凝胶在建筑节能行业中的应用进展 ［J］. 中国建材科技，2024，33 （1）：19-22.

［8］王虎，刘明辉，孙晓瑜，等. SiO2气凝胶保温隔热材料及其在建筑节能中的应用 ［J］. 广州化工，2023，51 （19）：7-10，44.