生物质气凝胶作为一种轻质多孔材料，在建筑围护结构保温领域日益受到关注。根据不同原料、孔隙结构及复合配方，已报道的导热系数范围约为 13–170 mW·m⁻¹·K⁻¹，密度范围为 8–260 kg·m⁻³。然而，将其应用于建筑产品仍面临诸多挑战：结构稳定性不足、受潮导致的性能衰减、配方依赖性火灾行为、界面降解现象、加工过程能耗较高，以及产品级验证数据有限。本文提出一种以应用为导向的“结构-失效-认证”框架，将原料成分与产品形态同建筑特定性能要求、孔隙结构设计、主要服役诱导失效模式及验证要求相关联。我们基于性能权衡、服役风险及证据成熟度，对主要生物质与混合材料类别、产品形态及孔隙结构进行了系统性比较。多尺度孔隙工程与仿生结构设计可在隔热性能、机械完整性及环境稳定性之间实现平衡，但优异的试样级性能并不必然确保实际应用就绪性。通过将结构-性能关系与服役工况可靠性及标准化基准指标相耦合，我们明确了其在实际工程应用中的实施要求。未来研究需推进可扩展的层级化设计、长期耐久性验证以及统一的可持续性评估体系，以支持此类技术融入下一代低碳建筑体系。

图 1 基于应用驱动的“结构–失效–认证”框架：将生物质气凝胶设计与建筑围护结构部署相衔接

图 2 生物质气凝胶的典型自上而下与自下而上加工路线：(a) 将天然木材自上而下转化为富含纤维素的多孔支架（类别 I）。(b) 基于木质素的聚氨酯泡沫自下而上制备法（类别 IV）

图3 展示了不同成分类别下代表性生物质气凝胶的热导率、密度及力学性能对比（纤维素/石墨（类别III）、木材（类别I）、木质素/聚氨酯/石墨（类别IV）、木质素/二氧化硅（类别III）、壳聚糖/二氧化硅（类别III）、壳聚糖/细菌纤维素（类别I）、聚乙二醇（PEG）@木材/CNT/海藻酸钙（类别III）、海藻酸（类别I）、海藻酸铵/植酸（类别I）、聚硅倍半氧烷纳米纤维（PSNF）/PLA（类别III）、甲基三甲氧基硅烷（MTMS）/PLA（类别II）、纤维素/生物炭（类别I））。

图 4 代表性产品形态设计：(a) 纤维素基刚性气凝胶板；(b) 海藻酸钠基气凝胶 ；(c) 超疏水性废纸基气凝胶；(d) 气凝胶涂层——源自稻壳的盐化二氧化硅气凝胶

图 5 建筑组件集成与证据成熟度：(a) 冷却木质屋顶。(b) 纤维素气凝胶窗。(c) Insulwood。(d) 稻壳衍生二氧化硅气凝胶填充涂料。(e) 纳米纤维素与氧化石墨烯泡沫。(f) 棉纤维纳米化纤维素气凝胶毯。

图 6 生物质气凝胶中典型的随机、分级及各向异性孔道结构：随机结构 ；分级结构；各向异性单向结构；各向异性双向结构；各向异性径向结构 

图7 生物质气凝胶及相关多孔材料中的代表性仿生结构：(a) 蜂窝状结构。(b) 与 (c) 珍珠层仿结构。(d) 北极熊毛发状结构。(e) 水葫芦启发结构。(f) 竹材状结构。(g) 吐司状结构。(h) 管状结构。(i) 桥接结构。

图 8 生物质气凝胶在机械、火灾及湿度暴露条件下的典型耐久性表现。(a) 木质气凝胶的示意图及照片，以及其在恒定应变为 40% 条件下经历 10,000 次压缩-释放循环后的弹性强度保持率；(b) 层叠组装的聚乳酸气凝胶的水平燃烧行为及自熄性能。(c) 不同液体在材料表面的静态接触角、本征超疏水性，以及通过机械切割法制备的木质素基气凝胶各表面的静态接触角及其自清洁性能。

图9 生物质气凝胶最新研究进展示意图。(1) 仿生坚固孔隙结构：蝴蝶翅膀。人造牙釉质。以及珍珠层。(2) 被动辐射热管理气凝胶：明胶/DNA气凝胶——具有固有荧光的光致发光生物质气凝胶板；以及吸湿冷却木材。(3) 智能多功能系统：木质电磁波吸收气凝胶。木质素基火灾预警泡沫；以及海藻酸钠基湿度调节气凝胶。

作者：Jie Xu, Yuying Zhang, Yixi Tian, Roya Maboudian, Weina Meng, Yong Sik Ok, Steven Wang, Daniel C. W. Tsang

接受日期：First published: 06 October 2026

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