气凝胶是一种纳米多孔固体材料，主要成分为超微粒子。该材料具有比表面积大、孔隙率高、粒径小等特点。气凝胶也称为固态烟或冻烟，是目前被人们视为最轻的固体材料。由于气凝胶特殊的物理结构，使其有着很强的防火和隔热性能，可广泛应用于建筑领域，在建筑节能领域有较好的发展前景。
神奇的气凝胶材料
隔热、保温、轻量化，气凝胶材料满足建筑节能要求，符合建筑轻量化发展趋势。
20世纪90年代以来，气凝胶在全球范围内受到广泛关注，各国在其研究上投入了大量的资金和人力。国内对气凝胶的研究也积累了较多的研发经验，为气凝胶材料的推广应用创造了有利条件。
气凝胶可分为无机气凝胶、有机气凝胶和碳气凝胶，其中无机气凝胶是以有机金属物质为原料，通过超临界干燥法进行制备，最终形成的低密度非晶固态材料。无机气凝胶具有多种形式，常见的有陶瓷粉末、多元氧化物气凝胶、超细金属、单元氧化物气凝胶等。有机气凝胶主要材料为甲醛和苯二酚，制备过程只是在无机气凝胶制备工艺上略有由改进。碳气凝胶主要是通过炭化热固性有机气凝胶获得的一种纳米碳材料，主要具有非晶态、轻质、多孔特征，这种材料具有很强的导电性。
气凝胶材料拥有很多特性，对建筑节能应用而言，一个重要性能就是保温。气凝胶材料具有高孔隙率，传热功能较为突出。首先，气凝胶材料具有低密度，热传播路径在气凝胶结构中较长，极大降低了热传播效率。其次，气凝胶材料粒径小，通常在20nm以下，这种粒径会限制空气分子在气凝胶材料中的自由活动，降低了空气的对流热导率。导热率极低的气凝胶可以阻挡大部分红外辐射，而热辐射的波长也很低。因此，气凝胶具有良好的隔热效果。
气凝胶材料密度在0.16～4.0kg/m³之间，远低于其他材料密度，符合建筑轻量化发展趋势。此外，气凝胶材料还具有防火、隔声、耐腐蚀等优势。
气凝胶在建筑节能领域的应用
将导热系数低的气凝胶添加到传统的砂浆和混凝土中，可以有效提升材料性能。
气凝胶保温砂浆是以硅酸盐水泥为胶凝剂，加入气凝胶、SiO₂、玻璃微珠制成的。玻璃珠的尺寸比气凝胶颗粒大得多，可以填充到砂浆基质中，较小的气凝胶颗粒将间隙进一步填充，使孔隙率尽可能减小，保温砂浆的导热系数也随之下降，可以获得预期的建筑保温效果。将保温砂浆应用于建筑外墙表面，砂浆越厚，内外温差越大。由此可见，气凝胶保温砂浆可以将热量阻隔，能够提升建筑结构的整体保温节能效果。在混凝土中加入气凝胶后，明显降低了混凝土的重量和导热系数，但也会损害混凝土的机械强度，所以气凝胶混凝土应避免在承重墙使用。
气凝胶粉末可用于内墙涂料，作为结构隔热措施的补充，不仅适用于建筑内墙的保温，也适用于外墙、楼顶保温。
内墙保温是建筑保温工程的一个重要内容，但往往也容易被忽视，内部热量通过内壁扩散，并传递到外部。内墙的保温需要达到最基本的保温要求，还要具有防火功能，应选择无污染材料。使用气凝胶保温板能够提升保温、隔声效果，还能满足承受400℃以上的防火需求。气凝胶粉末可用于内墙涂料，作为结构隔热措施的补充，不仅适用于建筑内墙的保温，也适用于外墙、楼顶保温。气凝胶粉末产品主要材料为气凝胶和纳米SiO₂，经过特殊工序制成，孔径极小，能够满足保温性能要求，可广泛用于建筑保温层中。
在热水器的储水箱、集热器、管道等部位应用气凝胶材料，热损失较以往可减少30%以下。
气凝胶材料在屋顶太阳能集热器中的应用由来已久，主要用于太阳能热水器的保温装置中，使太阳能利用效率有效提高，更具实用性，能够满足人们的生活需求。在热水器的储水箱、集热器、管道等部位应用气凝胶材料，与普通材质的太阳能热水器相比，能够增加至少1倍的集热效率，热损失较以往可减少30%以下。
气凝胶毡疏水性、隔热性特征显著，可以提高管道保温效果，是一种理想的保温材料。管道可以用气凝胶毡包裹，作为保温结构的主要保温层，金属保护层作为第二道保温措施，可以对气凝胶保温层起到保护作用。在包裹多层气凝胶毡时，可采用交错重叠法来增强保温性能。气凝胶毡抗拉强度、柔韧性和抗压性较好，保温层施工较为简单。此外，气凝胶毡的疏水性使其导热系数在使用过程中几乎保持不变，气凝胶保温结构与传统保温结构相比，更有节能价值。
使用气凝胶玻璃可以提高保温效果，使太阳辐射影响减小，满足人们的使用需求。
气凝胶玻璃通常以中空、真空和夹层等形式降低玻璃的传热系数，而且能够提升降噪能力。气凝胶玻璃的节能效果明显，在夏热冬冷地区，气凝胶玻璃在夏季可以削弱太阳辐射，减少约20%的热损失。而在冬季，气凝胶玻璃能阻挡约40%的室内热空气，具有良好的节能价值。尽管窗户只占建筑围护结构的一小部分，但能耗约占总能耗25%，主要原因是建筑窗户没有起到保温作用，内部热量往往通过窗户扩散到室外。在夏季，阳光直接通过窗户照射到室内，导致室内温度升高。而使用气凝胶玻璃可以提高保温效果，使太阳辐射影响减小，满足人们的使用需求。气凝胶玻璃与普通玻璃相比具有较高的透光率，对室内采光没有太大影响。现阶段，气凝胶玻璃主要有两种类型，一种为夹层玻璃，另一种为镀膜玻璃。夹层玻璃对于气凝胶的消耗较多，相应的成本较高。相比之下，使用镀膜玻璃的价格远低于夹层玻璃，并且保温性能良好，可达88%透光率，不会对室内采光造成影响。
气凝胶隔热保温材料是A级不燃材料，可用于建筑防火结构。
气凝胶混凝土复合墙体是一种轻质保温墙体材料，由气凝胶填充和改性轻质骨料制成。在膨胀珍珠岩中填充气凝胶填充，可以制备气凝胶膨胀珍珠岩，并将其用作轻质骨料，形成一种新型隔热材料。气凝胶膨胀珍珠岩具有4.39MPa抗压强度，导热系数为0.062W/（m·K）。气凝胶结构主要是多孔网络，可以在钢结构表面覆盖气凝胶隔热复合材料，延长受灼烧时间，而不产生有毒物质。同时，气凝胶材料可以阻碍火势的蔓延，是A级不燃材料，可以用于建筑防火结构。
气凝胶具有优良的性能，但纯净气凝胶材料强度较低，应进一步加强复合气凝胶材料的研发，将气凝胶材料与其他材料合理结合，有效增强材料使用性能，弥补气凝胶材料的不足。同时，还要进一步降低气凝胶的制备和使用成本，才能在建筑市场占据更大的份额，切实提高气凝胶材料的综合效益。（乔慧敏 王国华）
本文原载于《中国建材报》4月18日11版