耐高温气凝胶隔热材料的研究进展（轻质高透射低散射）

某些入射光被气凝胶吸收或直接穿过气凝胶并从另一侧出射-上面标记为“直接透射（direct transmittance）”。其余的每次遇到颗粒-孔隙界面都可以重定向，这意味着它可以在多个方向上多次散射，然后以“漫反射（diffuse reflectance）”或“漫透射（diffuse transMITtance）”的形式出现，具体取决于光从哪个表面离开气凝胶。 图片：Zhao Lin

在最近的几十年中，对建筑物的高性能隔热的追求促使制造商转向了气凝胶。这些非凡的材料发明于1930年代，是半透明的，超多孔的，比棉花糖轻的，足以支撑砖块的强度以及无与伦比的热阻隔性能，使其成为在寒冷的冬日里和夏季温度飙升下保持室内温度的理想之选。

五年前，由机械工程学系教授兼系主任Evelyn Wang和电力工程学教授Carl Richard Soderberg的Gang Chen领导的研究人员着手在该列表中增加一个属性。他们的目标是制造真正透明的二氧化硅气凝胶。

Wang说：“我们开始尝试实现用于太阳能热系统的光学透明、隔热的气凝胶。” 将一块气凝胶片集成到太阳能集热器中，可以使阳光不受阻碍地进入，但可以防止热量散发出来-这是当今系统中的一个关键问题。如果透明气凝胶足够透明，则可以将其合并到窗户中，在窗户中可以起到良好的隔热作用，但仍可以让乘员看到。

当研究人员开始工作时，即使是最好的气凝胶也无法满足这些任务。Zhao Lin博士说：“人们几十年来一直知道气凝胶是一种很好的绝热材料，但它们无法使其具有很高的光学透明性。因此，在我们的工作中，我们一直在试图确切地理解为什么它们不是很透明，然后我们才能提高它们的透明度。”

气凝胶：机遇与挑战

二氧化硅气凝胶的卓越性能是其纳米级结构的结果。要使该结构透明，请考虑将一堆透明的小颗粒拿在手中。想象一下，这些粒子彼此接触并稍微粘在一起，在它们之间留下了充满空气的间隙。类似地，在二氧化硅气凝胶中，透明的，疏松连接的纳米级二氧化硅颗粒在总体上以空气为主的整体结构内形成三维固体网络。由于存在大量空气，二氧化硅气凝胶的密度极低（实际上是所有已知的大尺寸材料中密度最低的一种），它足够坚固，尽管很脆。

显示了随着样品厚度的增加，气凝胶样品的总透射率（上图）和雾度（下图）。（所有样品的密度为200千克/立方米。）曲线显示的结果假设纳米颗粒的平均粒径为3纳米（黑色），6 nm（红色）和9 nm（蓝色）。图片：MIT

如果二氧化硅气凝胶是由透明颗粒和空气制成的，为什么它不透明？因为进入的光不会全部直射。每当它遇到固体颗粒与周围空气之间的界面时，就会折射。上图说明了该过程。当光进入气凝胶时，其中的一些会被吸收。有些会直接穿过。这些被一路折射，在任意方向上分散多次，最终以一定角度离开气凝胶。如果它从其进入的表面射出，则称为漫反射率。如果从另一侧射出，则称为漫透射率。为了制造用于太阳能热系统的气凝胶，研究人员需要最大程度地提高总透射率：直接和散射相加。为了制造用于窗户的气凝胶，他们需要最大化总透射率，同时最小化散射光占总透射率的比例。Zhao说：“使漫散射光最小是至关重要的，因为它会使窗户看起来浑浊。我们的眼睛对透明材料中的任何缺陷都很敏感。”

开发模型

纳米颗粒的尺寸和它们之间的孔对通过气凝胶的光的命运有直接影响。通过反复试验弄清楚，将需要对太多的样本进行综合和表征，以至于无法实用。“人们无法系统地了解结构与性能之间的关系。”Zhao说：“因此，我们需要开发一个将两者联系起来的模型。”

首先，Zhao转向了辐射传输方程，该方程以数学方式描述了通过介质的光（辐射）传播如何受到吸收和散射的影响。它通常用于计算通过地球和其他行星大气的光传输。据Wang所知，尚未针对气凝胶问题进行过充分的探索。

散射和吸收都可以减少通过气凝胶传输的光量，并且光可以被散射多次。为了解决这些影响，模型将两种现象解耦并分别针对每个波长的光对它们进行量化。

数据点显示了三个MIT样品和九个其他最新的二氧化硅气凝胶的总透射率和雾度。透明度为100％，雾度为0％的气凝胶将落在该图的右下角。MIT样品的效果最佳，即使与单层玻璃（以绿色条表示）相比也是如此。图片：MIT

基于二氧化硅颗粒的大小和样品的密度（总孔体积的指标），该模型通过使用电磁理论的预测值确定气凝胶层的吸收和散射行为，从而计算出气凝胶层内的光强度。利用这些结果，它可以计算出有多少入射光直接通过样品，以及有多少沿该方向散射并发出散射光。

接下来的任务是通过将模型的理论预测与实验结果进行比较来验证模型。

合成气凝胶

并行工作的机械工程研究生Elise Strobach一直在学习如何最好地合成气凝胶样品-既可以指导模型的开发并最终进行验证。在此过程中，她对如何合成具有特定所需结构的气凝胶产生了新见解。

她的程序从一种称为硅烷的普通硅开始，该硅与水发生化学反应形成气凝胶。在该反应期间，微小的成核位置出现颗粒。它们建立的速度决定了最终的结构。为了控制反应，她添加了催化剂氨。通过仔细选择氨与硅烷的比率，她首先使二氧化硅颗粒快速生长，然后在前体材料消失后突然停止生长，这是生产小而均匀的颗粒的方法。她还添加了一种溶剂甲醇，以稀释混合物并控制成核位置的密度，从而控制颗粒之间的孔隙。

硅烷与水之间的反应形成一种凝胶，该凝胶包含固体纳米结构，内部孔填充了溶剂。要干燥湿凝胶，Strobach需要将溶剂从毛孔中抽出并用空气代替，而不会破坏微妙的结构。她将气凝胶放入临界点干燥器的压力室中，并将液态CO2注入该室中。液态CO2冲洗掉溶剂，并将其置于孔内。然后，她缓慢升高室内的温度和压力，直到液态CO2转变成其超临界状态，此时液相和气相不再能区分。缓慢减少腔室压力会释放CO2并留下已充满空气的气凝胶。然后，她对样品进行了24小时的退火处理（这是一种标准的热处理工艺），这在不牺牲强保温性能的情况下会稍微减少散射。即使经过24小时的退火处理，她的新颖程序也将所需的气凝胶合成时间从数周缩短到不到4天。

性能与平均颗粒半径和密度的关系。这些图显示了总透射率（上图）和雾度（下图）与平均颗粒半径和气凝胶密度的关系。等高线图显示了实现目标透射率和雾度所需的粒径和密度（两个可控制的特性）。图片：MIT

验证和使用模型

为了验证该模型，Strobach制作了厚度、密度、孔隙和粒径均受控的样品（由小角度X射线散射确定），并使用标准分光光度计测量总透射率和漫透射率。

数据证实，基于测得的气凝胶样品的物理性质，该模型可以计算光的总透射率以及称为雾度的清晰度度量，其定义为由漫射光构成的总透射率的分数。

结果证实了Zhao在开发模型时所做的简化假设。此外，它还表明辐射特性与样品的几何形状无关，因此他的模型可以模拟任何形状的气凝胶中的光传输。它不仅可以应用于气凝胶，而且可以应用于任何多孔材料。

Wang指出了她认为从建模和实验结果中得出的最重要的见解：“总体而言，我们确定了在不降低隔热性能的情况下获得高透明度和最小雾度的关键是要使微粒和孔隙足够小而且均匀。”

一项分析表明，粒径的微小变化可能会导致行为发生变化。许多应用要求使用更厚的透明气凝胶片，以更好地阻止热传递。但是增加厚度可能会降低透明度。只要粒径小，增加厚度以实现更好的隔热效果都不会显着降低总透射率或增加雾度。

为测试气凝胶增强型太阳能热接收器的可行性，研究人员设计并制造了上图所示的设备。他们从传统的黑体吸收器开始，吸收器吸收辐射并将其转化为热量。他们在吸收器上方放置了一堆二氧化硅气凝胶块，优化了该结构以使阳光进入并防止热量散逸。结果证明低成本、高性能的太阳能热系统是可行的。图片：MIT

比较MIT和其他的气凝胶

他们的方法有什么不同？“我们的气凝胶比玻璃更透明，因为它们不反射-它们没有眩光点，玻璃无法捕捉光线并向您反射。” Strobach说。

对于Zhao来说，他们工作的主要贡献是制定了材料设计的通用准则，如上面等高线图片所示。在这种“设计图”的帮助下，用户可以为特定应用定制气凝胶。根据等高线图，他们可以确定可控气凝胶特性（即密度和粒径）的组合，以实现许多应用所需的目标雾度和透射率结果。

太阳能集热器中的气凝胶

研究人员已经证明了其新型气凝胶对太阳能热能转换系统的价值，该系统通过吸收辐射并将其转化为热能将太阳光转化为热能。当前的太阳能热系统可以在所谓的中间温度（120到220摄氏度）之间产生热能，该温度能用于加热水、供暖、产生蒸汽和工业过程等。实际上，2016年，美国的热能消耗量超过了所有可再生能源的总发电量。

但是，目前最先进的太阳能热系统依靠昂贵的光学系统来聚集入射的阳光，特别设计的表面可以吸收辐射并保留热量，还需要昂贵且难以维护的真空罩来防止这些热量散逸。迄今为止，这些组件的成本限制了市场的采用。

这些曲线显示了研究人员的气凝胶接收器在冬季的上午11点至下午1点的自然阳光下达到的温度。实验证实，简单的气凝胶系统可以很好地工作-无需昂贵的光学器件，太阳能吸收器或真空罩。图片：MIT

Zhao和他的同事认为使用透明的气凝胶层可以解决这些问题。放置在吸收器上方，它可以让入射的太阳辐射通过，然后阻止热量散逸。因此，它基本上可以复制导致全球变暖的自然温室效应，但是要在很小的程度上达到极限，并取得积极的成果。

为了进行试验，研究人员设计了一种基于气凝胶的太阳能热接收器。该设备包括一个近乎“黑体”的吸收体（涂有黑色涂料的薄铜片，吸收掉在其上的所有辐射能），其上方是一叠优化的，低散射的二氧化硅气凝胶块，可有效地透射日光和同时抑制传导、对流和辐射热损失。气凝胶的纳米结构经过定制，可以最大程度地提高其光学透明度，同时保持其超低导热率。在存在气凝胶的情况下，不需要昂贵的光学器件，表面或真空罩。

在对该设备进行了广泛的实验室测试之后，研究人员决定“在野外”对其进行测试，实际上他们是在MIT建筑物的屋顶上进行测试。在冬季的晴天，他们安装了设备，将接收器固定在南方，并与水平方向倾斜60度，以最大程度地暴露在阳光下。然后，他们在上午11点至下午1点之间监视其性能，尽管环境温度较低（低于1摄氏度）并且下午有云，但吸收器的温度立即开始升高，最终稳定在220℃以上。

对于Zhao来说，人造温室效应显示出的性能打开了他所谓的“促进太阳能热利用的令人兴奋的途径”。他和他的同事们已经证明了它可以将水转换成高于120摄氏度的蒸汽。他们与孟买的印度理工学院的研究人员合作，探索可能的工艺蒸汽应用，并开发一个低成本、完全被动的太阳能高压釜，用于农村地区的医疗设备消毒。

窗户

Strobach一直在为窗户中的透明气凝胶寻求另一种有希望的应用。她说：“在试图制造更透明的气凝胶时，我们在制造过程中遇到了一种机制，可以使颗粒更小，而没有导致透明度的重大变化。但这确实在清晰度上做出了重大改变。”这是窗户的一项关键功能。

将完整的气凝胶盘小心地从压力容器中提出，其内部孔现在充满了空气。气凝胶盘在支撑它的金属网格上面几乎不可见。图片：MIT

Strobach表示，价格适中的隔热窗的可用性会产生多种影响。每年冬天，美国的窗户都会散失足够为5000万户家庭供电的热量。浪费的能源每年使经济损失超过320亿美元，并产生约3.5亿吨CO2，超过7600万辆汽车的排放量。消费者可以选择高效的三层窗户，但是它们是如此昂贵，以致于没有被广泛使用。

Strobach及其同事的分析表明，用气凝胶窗格代替传统的双层窗户中的气隙可能是答案。其隔热性比传统的双层玻璃窗高40％，是当今三层玻璃窗的85％，而价格却不到其一半。更好的是，该技术可以很快被采用。气凝胶窗格的设计适合当前在整个行业中普遍使用的两窗格制造过程，因此只需少量更改即可在现有生产线上以低成本进行制造。

在Zhao的模型的指导下，研究人员将继续改善其气凝胶的性能，特别关注在保持透光度和隔热性的同时提高清晰度。

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