Regulatory mechanism of highly transparent, low-thermal-conductivity aerogel film for energy-efficient windows
Nyachieo Kennedy Momanyi#, Peng Zhao#, Xingyu Liu#, Ningfei Sun, Tonghua Hu, Jianyu Sun, Yong Xie*, Limin Liu
通讯作者：谢勇
通讯单位：北京航空航天大学
全文链接：https://www.oaepublish.com/articles/ss.2025.10
气凝胶以其独特的纳米孔结构成为节能材料研究的热点。然而，实现同时具有高透明度、低导热性和卓越的机械坚固性的气凝胶仍然是一个挑战。本文通过溶胶-凝胶工艺结合超临界干燥制备了一种高透明、低导热、机械坚固的二氧化硅气凝胶。通过对气凝胶合成中所用试剂的浓度进行系统优化，获得了可见光谱透明度为97.83%、导热系数为0.0149 Wm-1K-1 、最大压缩应变为27%的气凝胶薄膜。当用作双层玻璃之间的夹层材料时，它显示出显著增强的隔热性能，保持与传统玻璃相当的透明度，同时具有高疏水性和结构稳定性。因此，这种高性能的二氧化硅气凝胶薄膜显示出节能窗户的强大潜力，使其成为改造现有建筑和整合新兴建筑玻璃系统的理想选择。
图文导读
图1.气凝胶窗的设计理念。(a)二氧化硅气凝胶的微观组装。(b)气凝胶的光散射机理和热导模式示意图。(c)单窗格和气凝胶窗的透光率和热导率示意图。
图3.气凝胶薄膜样品的网络结构。(a)均匀网和不均匀网示意图。（b-f）二氧化硅气凝胶的SEM图像。红色圆圈代表典型的聚集颗粒，橙色区域代表典型的有利于气体扩散的大孔。 图4. A2样品作为玻璃夹层的应用分析。(a)普通空气玻璃与气凝胶玻璃的透光率比较（包括在1太阳密度下长时间照射后的透光率）。(b) A2样品的FTIR光谱。(f)的插入显示了相应波数(800-950 cm-1)的FTIR频谱。(c)空气玻璃和气凝胶玻璃在冰上放置的温度随时间的变化曲线。(d)夏季和冬季条件下气凝胶填充双层窗的模拟温度-时间曲线图。(e)气凝胶填充双窗格玻璃、充气双窗格玻璃、聚氨酯填充双窗格玻璃和单窗格玻璃的模拟导热系数层间厚度图。(f)不同气凝胶夹层厚度气凝胶玻璃的透射率计算图。
本文首次通过精确调节前驱体、溶剂、凝胶剂、相分离抑制剂和pH条件的浓度，制备出透光率大于97%、导热系数小于0.015Wm-1K-1的硅基气凝胶薄膜。优化后的气凝胶具有均匀的纳米网络结构，有效抑制光散射。此外，12.6nm的平均孔径有效地限制了空气分子的热扩散率，这是该薄膜具有优异隔热能力的主要原因。由于甲基的存在，二氧化硅气凝胶薄膜表现出优异的疏水性，从而增强了其结构稳定性。本文的工作为制造具有优异透光性和绝热性的二氧化硅气凝胶提供了优化的工艺参数，所得薄膜在节能建筑中具有巨大的应用潜力。
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