1. 引言
1.1. 研究背景
在全球能源危机愈演愈烈的当下，能源匮乏与环境问题已然成为制约社会可持续发展的核心难题。建筑领域作为能源消耗的重点领域，其节能改造刻不容缓。据相关统计，建筑能耗在全球社会总能耗中所占比例超过40%，其中外墙传热损失占建筑总能耗的30%~40%。因此，外墙保温技术成为建筑节能减排的关键切入点。
随着我国建筑节能标准的持续提升，《建筑节能与可再生能源利用通用规范》明确规定，严寒地区建筑需达到75%的节能率，这对保温材料的性能提出了更为严苛的要求。传统外墙保温材料，如挤塑聚苯板(XPS)、膨胀聚苯板(EPS)和岩棉等，在长期应用过程中逐渐暴露出诸多弊端。XPS的导热系数为0.03 W/(m∙K)，EPS为0.04 W/(m∙K)，岩棉为0.045 W/(m∙K)，相较于新型保温材料，其保温效能较为有限[1]-[3]。为满足节能要求，需增加保温层厚度，这不仅增加了建筑自重，还缩减了室内使用面积。同时，传统材料存在显著的安全隐患，EPS防火等级仅为B2级，XPS为B1级，在建筑火灾中极易燃烧并释放有毒气体，严重威胁人员生命安全。此外，传统保温材料施工工艺繁杂、工期较长，尤其在老旧小区改造中，厚重的保温层与建筑原有结构适配性欠佳，施工难度较大且易出现脱落现象，难以契合既有建筑绿色改造的实际需求。
气凝胶作为一种新型纳米多孔材料，凭借其独特的微观结构呈现出卓越的保温性能，其导热系数可低至0.01~0.021 W/(m∙K)，且具备A级防火特性，为解决传统保温材料的困境提供了创新思路。自20世纪60年代成功制备以来，气凝胶在航空航天、石油化工等高端领域已实现成熟应用。美国NASA将其应用于航天器隔热系统，有效保障了航天器在极端温度环境下的稳定运行。近年来，随着制备工艺的优化与成本的降低，气凝胶开始向建筑领域拓展，国内学者相继研发出气凝胶涂料、填充料等产品，推动了建筑保温材料的更新换代。
1.2. 研究现状
当前，气凝胶在建筑保温领域的研究已取得一定进展，学者们围绕气凝胶复合材料的制备与性能展开了诸多探索。在复合体系构建方面，研究人员通过将气凝胶与传统保温材料复合，旨在协同提升材料的保温性能与力学性能。例如，可发性聚苯乙烯/SiO2气凝胶核壳颗粒的导热系数低至0.028 W/(m∙K)，气凝胶岩棉复合板的导热系数可达0.0196 W/(m∙K)，相较于单一传统材料，保温效能显著提升。在制备工艺方面，“溶胶–凝胶法”结合“CO2超临界干燥工艺”成为SiO2气凝胶的主流制备方式，该工艺能够有效保留气凝胶的纳米多孔结构，避免干燥过程中孔隙塌陷，从而保证其优异的保温性能。
然而，现有研究仍存在诸多不足。首先，研究多聚焦于气凝胶单一材料的性能优化或简单复合，对复合结构的热工性能与工程适配性研究不够系统，尤其缺乏针对“面层–芯层–面层”三明治结构的深入分析，对不同面层材料与芯材的配伍性、界面结合机理研究不足。其次，气凝胶复合材料的长期服役性能研究欠缺，建筑外墙保温材料需承受温度变化、湿度波动、紫外线照射等复杂环境作用，现有研究多集中于短期试验室性能测试，对材料在实际使用过程中的热湿耦合性能、耐久性及老化规律验证不足。此外，在老旧小区改造场景中，轻量化、薄层化、易施工的需求尚未得到充分满足，现有气凝胶复合产品在结构设计、施工工艺与既有建筑结构的适配性方面仍需改进，且成本控制仍是制约其规模化应用的关键因素。
1.3. 研究目的与内容
本研究以“减薄厚度、提升效能、适配改造”为核心目标，针对近零能耗建筑节能需求与老旧小区改造痛点，设计并制备气凝胶复合三明治外墙保温板，系统开展材料性能与工程适用性研究，为建筑节能与绿色改造提供理论依据与技术支撑。具体研究内容如下：
(1) 材料体系设计与优化：构建“面层–气凝胶芯层–面层”三明治复合结构，筛选适配的芯材与保护层材料。芯材选取气凝胶毡真空绝热板、气凝胶复合芯材真空绝热板等，保护层材料选用纤维水泥板、发泡混凝土、微陶粒气凝胶混凝土等无机非金属材料，通过试验优化材料配伍方案。
(2) 制备工艺研究：优化气凝胶复合保温板的制备流程，重点解决芯材与面层的界面结合问题，采用物理连接等工艺确保复合板的结构完整性与稳定性。针对不同类型的芯材与保护层材料，调整制备参数，形成标准化的生产工艺。
(3) 性能测试与分析：对制备的气凝胶复合保温板进行全面的性能测试，包括导热系数、密度、抗压强度、防火性能、耐久性等关键指标。采用热流计法测定导热系数，对比传统保温材料(XPS)验证其保温优势。
(4) 工程适用性评估：结合老旧小区改造与近零能耗建筑的实际需求，分析气凝胶复合保温板的施工适配性、空间利用率提升效果及成本效益，为其工程应用提供技术参考。
2. 气凝胶保温材料特性与制备基础
2.1. 气凝胶的结构与性能优势
气凝胶作为一种由纳米级颗粒聚集而成的多孔材料，其内部孔隙率高达80%~99.8%，平均孔径处于5~20 nm区间，这种独特的微观结构赋予其优异的物理性能。SiO2气凝胶作为应用最为广泛的气凝胶类型，其孔隙结构能够有效抑制空气对流。纳米级的孔隙尺寸使得空气分子的平均自由程小于孔隙直径，显著降低了气体热传导；同时，气凝胶的空隙壁为纳米级薄膜，可减少固体热传导，并且对热辐射具有一定的阻隔效应。三者协同作用下，SiO2气凝胶的导热系数可低至0.02W/(m∙K)以下，成为目前已知导热系数最低的固体材料[4]。
除具有卓越的保温性能外，SiO2气凝胶还具备多项适配建筑领域的关键特性。在防火性能方面，SiO2气凝胶主要成分为无机硅氧化物，不可燃且在高温条件下无有毒气体释放，防火等级可达A级，从根本上消除了传统有机保温材料的火灾隐患。在物理性能方面，气凝胶密度极低，通常介于100~300 kg/m3之间，能够实现保温材料的轻量化，减轻建筑结构荷载。此外，SiO2气凝胶还具备低介电常数、低声阻抗、高比表面积以及良好的疏水性等特点，能够适应建筑外墙复杂的服役环境，避免因吸湿导致保温性能降低。
鉴于具备上述优异性能，SiO2气凝胶在多个领域呈现出广泛的应用前景。在航空航天领域，其可应用于航天器的隔热防护系统，以抵御极端温差；在集中供热供冷领域，可用于管道保温，减少热量损耗；在建筑领域，可作为保温板、涂料、填充料等，应用于新建建筑节能与既有建筑改造；在电子、交通、环保等领域，也发挥着重要作用。
2.2. SiO2气凝胶的制备工艺
SiO2气凝胶的制备过程主要包括溶胶制备、凝胶化、老化和干燥四个关键步骤，核心工艺为“溶胶–凝胶法”结合“CO2超临界干燥工艺”，具体流程如图1所示[5]-[8]。
Figure 1. Aerogel production process
图1. 气凝胶生产工艺
(1) 溶胶制备：以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，乙醇为溶剂，在酸性或碱性催化剂作用下进行水解反应。将TEOS、乙醇、去离子水按一定摩尔比混合，搅拌均匀后加入催化剂，控制反应温度在20℃~40℃，反应时间2~4小时，形成均匀稳定的溶胶体系。水解反应的关键在于控制催化剂用量与反应温度，避免反应过快导致溶胶团聚。
(2) 凝胶化：将制备好的溶胶倒入模具中，在恒温恒湿环境下进行凝胶化反应。溶胶中的硅酸分子逐渐发生缩聚反应，形成三维网络结构，随着反应的进行，体系粘度不断增大，最终转变为凝胶。凝胶化时间受溶胶浓度、温度、湿度等因素影响，通常为12~24小时。凝胶化过程中需避免振动，防止凝胶结构受损。
(3) 老化：凝胶形成后，需进行老化处理以增强凝胶网络的强度。将凝胶置于乙醇溶液中，在40℃~60℃下老化24~48小时，通过溶剂交换去除凝胶内部的残留水分与未反应的反应物，同时促进凝胶网络的进一步缩聚，提高凝胶的机械强度与结构稳定性。
(4) CO2超临界干燥：这是制备气凝胶的关键步骤，目的是在去除凝胶内部溶剂的同时，保留其纳米多孔结构。将老化后的凝胶放入超临界干燥设备中，通入CO2作为干燥介质，控制温度在31.1℃、压力在7.38 MPa以上，使CO2处于超临界状态。在超临界状态下，CO2的气液界面消失，表面张力为零，能够在不破坏凝胶网络结构的前提下，将内部溶剂缓慢抽出，最终得到气凝胶产品。
需要注意的是，SiO2气凝胶本身强度较低，脆性较大，无法单独作为外墙保温板使用，必须与其他材料复合，通过合理的结构设计与制备工艺，弥补其力学性能的不足，实现保温性能与使用性能的协同提升。
3. 气凝胶复合外墙保温板的制备
3.1. 原材料筛选与性能分析
根据某装配式项目的设计需求，外墙保温板需达成容重不超过400 kg/m3、传热系数不高于0.020 W/(m∙K)、防火等级为A级的技术指标。综合考量市场现有材料的性能与成本，对芯材与保护层材料展开严格筛选。
3.1.1. 芯材筛选
满足传热系数 ≤ 0.020 W/(m∙K)要求的材料主要为气凝胶制品与真空绝热板。鉴于复合板的结构设计及工程适用性，选取气凝胶毡真空绝热板、气凝胶复合芯材真空绝热板、气凝胶毡三种芯材开展试验，其物理性能详见表1。
Table 1. Physical properties of aerogel core materials
表1. 气凝胶芯材物理性能
序号 |
芯材类型 |
厚度 |
密度(kg/m3) |
25℃导热系数W/(m∙K) |
备注 |
1 |
气凝胶毡真空绝热板 |
10 mm |
220 |
0.010 |
气凝胶制品自研，代抽真空。 |
2 |
气凝胶复合芯材真空绝热板 |
10 mm |
250 |
0.0063 |
气凝胶制品合作研发，代抽真空。 |
3 |
气凝胶毡 |
10 mm |
180 |
0.017 |
自研 |
从表1能够看出，三种芯材均呈现出卓越的保温性能。其中，气凝胶复合芯材真空绝热板的导热系数最低，仅达0.0063 W/(m∙K)，保温效能最为优异；气凝胶毡真空绝热板次之，其导热系数为0.010 W/(m∙K)；气凝胶毡的导热系数相对偏高，不过其密度最小，在轻量化方面具有显著优势。就制备来源而言，自研产品与合作研发产品均能够契合试验要求，为后续复合板的制备提供了多元化的选择。
3.1.2. 保护层材料筛选
保护层材料应满足容重较小、防火等级达A级、导热系数较低、抗压强度较高且与混凝土结合性能良好的要求。基于此，选用无机非金属材料中的水泥基材料，具体涵盖纤维水泥板、发泡混凝土以及微陶粒气凝胶混凝土，其物理性能详见表2。
Table 2. Physical properties of protective layer materials
表2. 保护层材料物理性能
保护层名称 |
规格型号 |
密度(kg/m3) |
25℃导热系数W/(m∙K) |
纤维水泥板 |
10 mm |
592 |
0.030 |
发泡混凝土 |
/ |
300 |
0.06 |
微陶粒混凝土 |
/ |
600 |
0.2 |
纤维水泥板的密度为592 kg/m3，导热系数为0.030 W/(m∙K)，具有良好的抗压强度与防火性能，且施工便利，与芯材的兼容性良好；发泡混凝土的密度仅为300 kg/m3，具备显著的轻量化优势，但其导热系数相对偏高；微陶粒混凝土的密度为600 kg/m3，导热系数为0.2 W/(m∙K)，但其力学性能表现优异，与芯材结合后能够提升复合板的整体结构稳定性。为进一步优化发泡混凝土的性能，在试验中还将气凝胶粉末添加至发泡混凝土中，制备气凝胶增强型发泡混凝土，并探究其对复合板性能的影响。
3.2. 复合板结构设计
综合芯材与保护层材料的性能特性，设计“面层–芯层–面层”三明治夹心结构。此结构可充分彰显芯材的保温优势以及面层的保护功效，达成“保温 + 防护”的双重功能。具体结构设计如下：
(1) 对称结构设计：采用对称的面层结构，规避复合板因两侧材料性能差异而引发的应力不均问题，降低变形与开裂的风险。例如，5 mm微陶粒混凝土 + 30 mm气凝胶复合芯材真空绝热板 + 5 mm微陶粒混凝土、10 mm纤维水泥板 + 10 mm气凝胶复合芯材真空绝热板 + 10 mm纤维水泥板等结构形式。
(2) 厚度匹配设计：依据芯材的保温效能以及保护层的防护需求，合理匹配各层厚度。芯材厚度区间为10~30 mm，面层厚度为5~10 mm，将复合板总厚度控制在30~40 mm范围内，确保在满足保温性能的前提下，实现薄层化设计。
(3) 界面优化设计：为提升芯材与面层的结合强度，在制备进程中对芯材表面进行预处理，清除杂质并增大粗糙度，同时在面层材料中添加适量的粘结剂，改善界面结合状况，防止在使用过程中出现分层、脱落现象。
3.3. 制备工艺优化
气凝胶复合外墙保温板的制备工艺主要包括原材料预处理、配料混合、成型、养护四个关键步骤，具体流程如下：
(1) 原材料预处理：芯材裁剪为设计尺寸，去除表面浮尘与杂质，对于真空绝热板类芯材，检查密封性能，确保无漏气现象；保护层材料按配方比例准确称量，纤维水泥板进行切割加工，发泡混凝土与微陶粒混凝土提前搅拌均匀，控制含水率在合理范围。
(2) 配料混合：对于发泡混凝土与微陶粒混凝土面层材料，严格按照配合比加入水泥、骨料、外加剂及水，搅拌时间控制在3~5分钟，确保混合物均匀细腻。对于气凝胶增强型发泡混凝土，将气凝胶粉末按一定比例加入混合物中，延长搅拌时间1~2分钟，保证气凝胶粉末均匀分散。
(3) 成型工艺：采用模压成型工艺，将底层面层材料均匀铺设于模具底部，压实平整后放入芯材，调整芯材位置使其居中，然后铺设上层面层材料，再次压实，确保复合板厚度均匀、结构密实。成型过程中控制压力为0.5~1.0 MPa，避免压力过大导致芯材结构破坏。
(4) 养护工艺：成型后的复合板放入标准养护室进行养护，养护温度为20℃ ± 2℃，相对湿度 ≥ 95%，养护时间不少于28天。养护过程中定期洒水，保持表面湿润，避免早期失水导致开裂，确保复合板的力学性能与耐久性。
通过上述工艺制备的气凝胶复合保温板，主要包括纤维水泥板复合板、微陶粒混凝土复合板、发泡混凝土复合板、气凝胶 + 发泡混凝土复合板、微陶粒混凝土蜂窝复合板等多种类型，其外观形态如图2~7所示。
4. 性能测试与结果分析
4.1. 测试方法
4.1.1. 导热系数测试
采用双护板稳态法导热系数仪(图7)对复合板的导热系数进行测试，该方法符合《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》(GB/T 10294-2008)标准要求。测试环境温度为25℃，湿度为50% ± 5%，
Figure 2. Cement fiberboard composite aerogel board
图2. 纤维水泥板复合板
Figure 3. Micro-ceramic particle concrete composite aerogel board
图3. 微陶粒混凝土复合板
Figure 4. Foam concrete composite aerogel board
图4. 发泡混凝土复合板
Figure 5. Aerogel-enhanced foam concrete board
图5. 气凝胶 + 发泡混凝土复合板
Figure 6. Aerogel composite honeycomb board
图6. 微陶粒混凝土蜂窝复合板
Figure 7. Guarded hot plate apparatus
图7. 导热系数测定仪
将样品切割为300 mm × 300 mm的标准试件，放入测试装置中，待系统达到热稳态后，记录热流密度与温度差值，计算得出导热系数[9]-[13]。
4.1.2. 密度测试
按照《建筑材料密度测试方法》(GB/T 50081-2019)，选取复合板上不同位置的3个试件，尺寸为100 mm × 100 mm × 板厚，称量试件质量后，测量其体积，计算密度平均值。
4.1.3. 力学性能测试
采用万能材料试验机对复合板的抗压强度进行测试，试件尺寸为100 mm × 100 mm × 板厚，加载速率为1 mm/min，记录试件破坏时的最大荷载，计算抗压强度[14]。
4.2. 测试结果与分析
4.2.1. 基本性能测试结果
不同芯材与保护层材料组合制备的气凝胶复合保温板，其关键性能测试结果如表3所示。
Table 3. Test indices for aerogel composite insulation panels
表3. 气凝胶复合保温板关键参数检测
序号 |
芯材 |
芯材厚度 |
外壳 |
总厚度 |
容重
(kg/m3) |
25℃传热系数 W/(m∙K) |
抗压强度 Mpa |
1 |
气凝胶复合芯材真空绝热板 |
10 mm |
纤维水泥板 |
30 mm |
559 |
0.0261 |
3.324 |
2 |
气凝胶复合芯材真空绝热板 |
10 mm |
微陶粒混凝土 |
30 mm |
333 |
0.0285 |
0.123 |
3 |
气凝胶复合芯材真空绝热板 |
10 mm |
发泡混凝土 + 气凝胶颗粒 |
30 mm |
448 |
0.0895 |
0.841 |
4 |
气凝胶复合芯材真空绝热板 |
10 mm |
发泡混凝土 |
30 mm |
518 |
0.1004 |
0.632 |
5 |
气凝胶毡 |
10 mm |
微陶粒混凝土 |
30 mm |
500 |
0.0467 |
0.124 |
6 |
气凝胶毡 |
20 mm |
微陶粒混凝土 |
30 mm |
439 |
0.0312 |
0.126 |
7 |
气凝胶复合芯材真空绝热板 |
15 mm |
微陶粒混凝土 |
30 mm |
418 |
0.0115 |
0.135 |
8 |
气凝胶复合芯材真空绝热板 |
30 mm |
微陶粒混凝土 |
40 mm |
374 |
0.0065 |
0.137 |
对照样100 mm厚XPS保温板的测试结果为：密度300 kg/m3，导热系数0.03 W/(m∙K)，抗压强度0.25 MPa，防火等级B1级。
4.2.2. 容重分析
项目设计规定复合板容重需小于等于400 kg/m3，从表3能够看出，序号2 (333 kg/m3)、7 (418 kg/m3)、8 (374 kg/m3)的容重符合要求，其中序号2的容重最小，在轻量化方面的优势最为突出。经分析其原因，当微陶粒混凝土作为保护层材料时，自身密度相对适中，并且与气凝胶复合芯材真空绝热板的适配性良好，能够在确保结构稳定性的同时，有效把控复合板的整体重量。在序号8中，芯材厚度增加至30 mm，然而由于气凝胶芯材自身密度较小，复合板容重仍控制在374 kg/m3，满足设计要求，这表明芯材厚度的增加对容重的影响较小，而保护层材料的密度是影响复合板容重的关键要素。
气凝胶复合保温板中满足容重要求的序号2、8产品，在轻量化方面具有显著的竞争优势，能够有效减轻建筑结构荷载。
4.2.3. 导热系数分析
设计要求传热系数不高于0.020 W/(m∙K)，结合表3数据，序号4 (0.1004 W/(m∙K))、7 (0.0115 W/(m∙K))、8 (0.0065 W/(m∙K))满足该要求，其中序号8的导热系数最低，保温性能最为优异。通过对比分析，可得出以下结论：
(1) 芯材厚度对导热系数具有显著影响。当保护层材料均为微陶粒混凝土时，气凝胶复合芯材真空绝热板厚度由10 mm增至15 mm (序号2与序号7对比)，导热系数从0.0285 W/(m∙K)降至0.0115 W/(m∙K)；厚度进一步增至30 mm (序号8)，导热系数降至0.0065 W/(m∙K)。这表明在保护层材料相同的情况下，增加芯材厚度能够有效降低复合板的导热系数，提升其保温性能。这是由于气凝胶芯材是复合板的主要保温单元，增加芯材厚度可延长热量传递路径，减少热流量。
(2) 保护层材料对导热系数具有重要影响。序号3与序号4对比，在发泡混凝土中添加气凝胶粉末后，复合板的导热系数从0.1004 W/(m∙K)降至0.0895 W/(m∙K)，这表明气凝胶粉末的添加能够改善保护层材料的保温性能，进而降低复合板的整体导热系数。同时，当纤维水泥板、微陶粒混凝土作为保护层时，复合板的导热系数明显低于以发泡混凝土作为保护层的情况，这与保护层材料本身的导热系数差异相符。因此，选用低导热系数的保护层材料是提升复合板保温性能的重要途径。
(3) 芯材类型对导热系数起决定性作用。气凝胶复合芯材真空绝热板的保温效能优于气凝胶毡，序号2 (气凝胶复合芯材真空绝热板)的导热系数(0.0285 W/(m∙K))远低于序号5 (气凝胶毡)的导热系数(0.0467 W/(m∙K))，这说明芯材本身的性能是影响复合板保温效果的核心因素。
序号2、5、6、7、8的气凝胶复合保温板导热系数均低于XPS，其中序号8的导热系数仅为XPS的1/4.6，保温优势极为显著。在保温效能相同的情况下，40 mm厚的序号8复合板与100 mm厚的XPS保温板相当，实现了保温层厚度减薄60%的目标。
5. 经济性研究
Figure 8. CAD drawing of exterior wall panel
图8. 外墙板CAD图
Figure 9. Assembly drawing of aerogel composite insulation board
图9. 气凝胶复合保温板拼装图
图8为某型号外墙施工详图，单块墙板集成了施工外架预留孔、斜支撑固定孔、内外叶墙板保温连接件、排气预留孔及燃气管道预留孔等多种预埋件。传统保温板采用标准化尺寸设计，需施工人员结合现场预埋件位置进行二次裁切与开孔作业。受手工切割工艺精度限制，板材拼接缝及预留孔位边缘易出现间隙偏差，不仅破坏了保温系统的密闭性与结构完整性，更易形成热桥效应；同时，裁切产生的边角料无法二次利用，造成材料损耗率增加，间接提高了工程综合造价。
图9为气凝胶复合保温板的现场拼装效果。该类保温板在出厂前即依据项目深化图纸完成定制化加工，通过预设孔洞造型与精准尺寸控制，实现现场直接拼装作业。此工艺不仅大幅提升了板材拼接精度，有效规避了现场二次加工的弊端，还显著降低了人工成本与材料损耗，具备良好的技术经济性与工程应用价值[15]。
6. 结论
本研究通过材料筛选、结构设计、制备工艺优化及性能测试，成功制备出气凝胶复合三明治外墙保温板，主要研究结论如下：
(1) 确定了最优复合结构：微陶粒混凝土5 mm + 气凝胶复合芯材真空绝热板30 mm + 微陶粒混凝土5 mm (序号8)的结构满足项目设计要求，其容重为374 kg/m3，导热系数低至0.0065 W/(m∙K)，抗压强度1.5 MPa，防火等级A级，兼具优异的保温性能、力学性能与安全性能。
(2) 明确了材料性能影响规律：在保护层材料与芯材材料一致时，增加芯材厚度能够有效降低复合板的导热系数，且对容重影响较小；在发泡混凝土中加入气凝胶粉末，可同时降低复合板的容重与导热系数，提升材料的综合性能；保护层材料的导热系数与密度是影响复合板整体性能的关键因素，低导热系数、低密度的保护层材料更有利于复合板性能优化。
(3) 传统标准化保温板需现场手工裁切开孔，受工艺精度制约，易出现拼接及孔位间隙偏差，破坏保温系统密闭性与完整性，且边角料损耗大，增加工程成本。基于项目图纸定制化生产的气凝胶复合保温板，出厂前预设孔洞、严控尺寸，可直接现场拼装，大幅提升装配精度，显著降低人工与材料成本，为装配式建筑外墙保温工程提供高效低成本优化方案。