气凝胶中空玻璃是一种以气凝胶为主要原料的新型建筑材料，具有节能、安全、舒适等特点。

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什么是气凝胶

气凝胶是一种以纳米胶体粒子相互聚集构成纳米骨架和纳米多孔网络结构，并且在孔隙中充满气态分散介质的轻质固态材料，具有极高空隙率（可达99.8%）、极低密度（低至3mg/cm3）、极高比表面积（可达2000m2/g）、超高孔体积率、耐高温、高弹性、强吸附、催化等特性。

气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机-无机杂化气凝胶3类。其中，无机物气凝胶是以无机物为基体，包括单质气凝胶（如炭、石墨烯、金属金等）、氧化物气凝胶（如SiO2、Al2O3、TiO2、SiO2-Al2O3、TiO2-SiO2、B2O3-SiO2、CuO-ZnO-ZrO2、CuO-ZnO-Al2O3、MgO-SiO2-Al2O3等）以及硫化物气凝胶等。有机气凝胶是以有机物为主体，主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、聚氨酯（聚脲）气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖-纤维素气凝胶等。有机-无机杂化气凝胶利用有机物和无机物各自的优势，实现气凝胶材料特殊的功能化。

1931年，美国学者Kistler采用超临界乙醇流体干燥方式，以硅酸钠为原料，在保持凝胶结构的同时，将网络结构中的乙醇液体置换成气体，成功制得了SiO2气凝胶材料，之后又陆续制备了Al2O3、W2O3、Fe2O3、NiO3等无机气凝胶以及纤维素、明胶、琼脂等有机气凝胶。各主要国家对于气凝胶材料的研究予以极大关注，开发出多种新型气凝胶材料，拓展了气凝胶的应用范围。

气凝胶的制备工艺主要分为两步：一是通过溶胶-凝胶过程制备凝胶；二是利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。干燥过程又分为超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥、常压干燥等方法。其中，溶胶-凝胶过程是制备气凝胶最核心的过程，直接决定了气凝胶的各种微观结构与性质，包括水解和缩聚两个步骤。

近年来，中美欧等国研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶材料。美国科罗拉多大学的研究人员利用啤酒酿造工业的废弃物作为培养基，使用由醋酸杆菌制备出的细菌纤维素，通过超临界干燥法等方法制备出一种细菌纤维素气凝胶材料，具有低热导率的特征。法国国家科学研究中心的研究人员采用与传统制备工艺不同的水热处理法制备出单宁基碳气凝胶，具有较高的比表面积和比电容量。山东大学的研究人员成功制备出一种高性能的偕胺肟基修饰的环糊精/石墨烯气凝胶，其对海水中铀表现出较强亲和力和选择性，在天然海水中具有出色的铀提取能力，21天即可实现19.7mg/g的铀吸附量。中国四川大学的研究人员利用双向取向的碳气凝胶复合多壁碳纳米管，开发出能够在极端温度下保持功能性和超弹性的新型聚合物气凝胶材料，其可在-196℃至500℃的温度范围内发挥作用。

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用于门窗玻璃保温的气凝胶

为了保持舒适的室内环境，建筑消耗了全球40%的能源。就被动地将建筑内部与寒冷或炎热的室外隔离而言，窗户和天窗是建筑围护结构中效率最低的部分，因为同时实现高透明度和玻璃隔热仍然是一个挑战。在这里，美国科罗拉多大学研究小组展示了由地球上丰富的生物聚合物纤维素制成的高透明气凝胶，利用胶体自组装和与卷对卷加工兼容等方法。该气凝胶的可见光透过率为97-99%(优于玻璃)，雾度为~1%，导热系数低于静止空气。这些轻质材料可以用作多层中空玻璃夹层，也可以用于改造现有的窗户。该研究论文气凝胶如何提高能源效率，并可能为中空玻璃单元、天窗、采光和立面玻璃提供先进的技术解决方案。

为了提供理想的室内条件，需要在很少或没有额外的能量供应的情况下，通过热传导、对流和排放最大限度地减少室内-外部能量交换。用玻璃实现这一点尤其具有挑战性。虽然目前解决这一难题的方法是利用中空玻璃单元(igu)与空气或填充气体，但这种igu的高热障性能需要玻璃窗格之间的大间隙厚度，这反过来又受到气体对流、窗格数量和结构限制。另一方面，更薄的真空绝缘玻璃单元的使用受到密封完整性和高成本的限制。低发射率银和其他涂层可以限制来自室温建筑内部的类似黑体电磁发射造成的能量损失，尽管这些方法可以在一定程度上调节室内外温差，但却要牺牲可视范围的透明度。

气凝胶是一种高度隔热的材料，应用范围从管道绝缘到火星探测车，在igu内作为气体填料的固体替代品一直备受追捧，因为它们是一类能够优于静止空气和其他气体填料的高效热屏障材料。然而，气凝胶通常在机械上是脆弱的，并强烈散射光。在与建筑相关的规模和成本下制造低雾度、高透明度和机械坚固性的气凝胶也仍然是一个挑战。透明气凝胶(包括纤维素气凝胶)的开发仍然局限于小规模，同时在雾度和透明性方面仍不足以用于大多数类型的玻璃上。

装有SiCellA薄膜的窗户示意图(a)和在玻璃窗之间插入SiCellA薄膜的IGU示意图(b)。示意图描述了如何使用窗户产品在保持可视范围透明度的同时提高隔热性能和抗凝结性。

在这里，美国科罗拉多大学研究小组展示了高透明硅烷化纤维素气凝胶(SiCellAs)的可伸缩制造，其材料特性适合于玻璃应用。这些高度隔热的SiCellA材料夹在玻璃窗格之间，可以起到非常好的温度调节作用。美国科罗拉多大学研究小组展示了SiCellA薄膜如何用作IGU填料，以及如何在多窗格IGU设计中取代内部玻璃板，并与现有的热范围发射率和太阳能增益控制解决方案完全兼容。

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气凝胶中空玻璃

气凝胶中空玻璃，由两片玻璃中间夹填气凝胶组成，是一种基于中空玻璃又高于中空玻璃的新型建筑材料，于1977年首先由日内瓦的欧洲核研究中心研制。

气凝胶玻璃制品目前在高科技领域得到了广泛应用：用做航天、航海的窥视窗，代替汽车的钢化玻璃，在原子能和激光领域作为可透过各种射线的结构材料，做精密光学仪器的光学元件等。

气凝胶玻璃以其超级绝热性能、良好透光性及消音降噪等特性，在建筑节能领域具有广阔的发展和应用前景。

建材行业标准《气凝胶中空玻璃》JC/T 2669-2022已正式发布。

该标准中给出了常见规格气凝胶中空玻璃的传热系数K值。

可见，6+12Q+6气凝胶中空玻璃K值为0.9，而常见6+12A+6中空玻璃传热系数K值为2.7，前者仅为后者的1/3。

目前限于成本较高、规模化生产程度不高等问题，气凝胶玻璃尚处于工程示范应用阶段。

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国内外发展历史及现状

1931 年，美国Steven.S.Kistler博士无意中发明了二氧化硅气凝胶这种物质，称之为“冷冻烟雾”。

早期的气凝胶非常易碎和昂贵，所以主要在实验室里使用，直到上世纪 60 年代才重新引起人们的兴趣。

到了 70 年代末、80 年代初，经过法国科学家Feichner以及美国劳伦兹伯克利国家实验室的Arlon Hunt 等人的不懈努力，气凝胶才获得了极大的发展，在 90 年代成为全球的研究热点。

进入 21 世纪，美国航空航天管理局下属的 Aspen 公司率先开始低端气凝胶产业化，随后，我国也相继开始低端气凝胶产业化，但高端透明气凝胶均未产业化。

欧盟在 2010 年发布的一份气凝胶专题报告中预测：到 2050 年，气凝胶产品会像今天的塑料一样应用广泛。

以丹麦的一座独栋别墅为例，在丹麦现行建筑节能标准下，三层充氩气玻璃的 U 值是0.6W/(m2·K)，g 值是 0.46；而使用气凝胶玻璃后，U 值降至0.5 W/(m2·K)，g 值是 0.75。

在欧盟现行建筑节能标准下，这栋别墅如使用三层充氩气玻璃，供暖需求量是 6220 千瓦/年，而使用气凝胶玻璃的供暖需求量是 5040 千瓦/年，降低 19%。

如采用德国被动房标准建设，三层氩气玻璃的供暖需求量为 2070 千瓦/年，气凝胶玻璃为 1380 千瓦/年，下降 34%。

图4 国内外建筑节能玻璃发展历程及趋势

2012年天津南玻研发出气凝胶中空玻璃，将气凝胶和中空玻璃结合形成具有一定采光性能的墙体材料，隔热保温性能远超过现有低辐射节能玻璃，传热系数为0.5 W/(m2·K)，构造见图5。

图5 气凝胶中空玻璃构造示意图

2013年，中南大学研制的新型超级节能气凝胶玻璃在我国首次实现量产，填补了我国在该应用领域的一项空白，到目前为止，世界上也仅有少数国家拥有高端透明气凝胶核心技术。

气凝胶玻璃制品还需继续突破：通过扩大产能实现规模化效应，扩大成本优势；加快建立气凝胶玻璃相关国家、行业或地方标准，应用技术规程与建筑构造图集。

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气凝胶玻璃的应用

气凝胶玻璃的应用主要集中于3种形式：气凝胶涂膜玻璃、整块状气凝胶玻璃和颗粒气凝胶填充玻璃。

(1) 气凝胶涂膜玻璃

气凝胶膜的制备工艺根据凝胶和镀膜的先后顺序不同分为2种。

第一种工艺：先在基板上用溶胶镀膜，再进行后续的凝胶、干燥过程。

第二种工艺：制备溶胶后，先凝胶，再将凝胶用溶刻超声或均质分散后镀膜。

(2) 整块状气凝胶玻璃

整块状气凝胶玻璃的制作工艺主要是将块状气凝胶夹于两块玻璃中间，然后用密封胶密封得到。

与颗粒气凝胶相比，整块状气凝胶太阳得热系数(SHGC)较高。

例如：10 mm厚整块状气凝胶玻璃太阳得热系数为0.9，而颗粒气凝胶填充玻璃太阳能得热系数为0.5。

(3) 颗粒气凝胶填充玻璃

将气凝胶颗粒直接充入两片玻璃的空腔中，得到气凝胶玻璃。

在市场应用方面，已经出现了一些生产颗粒气凝胶填充玻璃的商家。但目前还集中于欧美国家，而国内对这一部分仍未有较多涉足。

美国新泽西州纽瓦克一所大学使用气凝胶玻璃进行建筑节能改造，发现气凝胶玻璃系统较普通玻璃系统节能效果增加4倍。

纽约州立大学石溪分校诺贝尔大厅实施了气凝胶玻璃工程示范，获得了良好的自然光线和优越的绝热性，该项目获得LEED金牌认证。

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气凝胶玻璃需解决的问题

目前，气凝胶玻璃需要解决以下问题：

(1) 低成本常压干燥和快速制备技术，降低气凝胶颗粒及玻璃生产成本，提升气凝胶玻璃技术经济性。

(2) 完善气凝胶玻璃生产制造工艺技术，解决气凝胶玻璃可能出现的沉降、密封等问题。

(3) 通过计算模拟、工程示范等手段，针对不同气候和区域条件给出气凝胶玻璃节能减碳效率，绘制不同气候和区域节能分布图及其应用路线图。

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气凝胶玻璃的发展前景

气凝胶玻璃同时兼具A级防火和极佳保温性能的优势，决定了其应用的广泛性。

(1) 安全性应用

与铯钾玻璃组合。气凝胶属于不燃材料，与铯钾玻璃组合，可在日益严格的建筑节能要求的基础上，显著提高玻璃防火等级。

与夹胶玻璃组合。气凝胶本身具有优异的吸能特性，通过与夹胶玻璃的组合应用，在满足日益严格的建筑节能要求的基础上，可显著提高玻璃防弹、防爆等级。

(2) 节能性应用

气凝胶玻璃具有优异的隔热保温性能，K值与气凝胶层厚度有关；气凝胶层厚度越大，其K值越低。

(3) 室内舒适性应用

建筑采光顶。气凝胶采光玻璃应用于建筑采光顶上，室内可避免眩光现象，并获得舒适的自然光环境及采光效果。

玻璃幕墙。气凝胶采光玻璃通过与透明节能玻璃的组合使用，可显著减少眩光现象，并获得室内舒适的光环境以及采光效果。

(4) 美观性、智能性应用

气凝胶玻璃与陶瓷彩釉玻璃组合，在满足日益严格的建筑节能要求的基础上，可获得建筑立面的美学效果，充分满足建筑个性化要求。

气凝胶玻璃与智能化玻璃(电致变色、电加热玻璃、显示屏等)组合使用，在满足日益严格的建筑节能要求的基础上，可获得建筑立面的智能控制效果，充分满足建筑个性化要求。

总结

气凝胶玻璃是一种以气凝胶为主要原料的新型建筑材料，具有节能、安全、舒适等特点。

建材行业标准《气凝胶中空玻璃》JC/T 2669-2022已正式发布，给出了常见规格气凝胶中空玻璃的传热系数K值，大大低于常规中空玻璃的K值。

气凝胶玻璃的应用主要集中于3种形式：气凝胶涂膜玻璃、整块状气凝胶玻璃和颗粒气凝胶填充玻璃。

气凝胶玻璃需要解决低成本常压干燥和快速制备技术、气凝胶玻璃生产制造工艺技术和工程应用技术等问题。

气凝胶玻璃同时兼具A级防火和极佳保温性能的优势，在建筑玻璃安全性应用、节能性应用、室内舒适性应用和美观性、智能性应用场景具有广阔应用前景。

文章来源： 门窗万语，琪星新材料， 有机硅