1、背景介绍
目前建筑室内温控能耗占全球总能耗三到四成，有机泡沫不可降解污染，需替代。柚子皮气凝胶（过半，多孔）可制泡沫，但力学弱、隔热差、反射低、易燃，因多级结构，单一改性难解决，需多尺度仿生设计。
2、研究成果
近日，中科大俞书宏院士、管庆方团队提出多尺度仿生策略，以柚子皮为原料，耦合SiO₂气凝胶与TiO₂颗粒，制备BMP气凝胶。工艺：柚皮脱木质素得PPD泡沫，真空浸渍含TiO₂硅溶胶，超临界干燥，气相疏水改性。核心构建四级结构：毫米级柚皮骨架抗硅气凝胶脆裂；微米级TiO₂米氏散射实现太阳光高效反射；纳米级SiO₂介孔（＜75nm）抑制热对流；分子级共价交联增强界面。性能突破：抗压102kPa、抗弯250kPa，较纯硅气凝胶提升262%和近10倍；导热系数37.70 mW·m⁻¹·K⁻¹；太阳光反射率93.03%，大气窗口发射率99.18%；1300℃火焰20min不溃散。该材料实现力学、隔热、辐射制冷与防火一体化，为建筑节能提供新思路。
3图文速览
图1.材料合成策略及功能示意图。a，柚子皮实物照片，插图为柚子皮内部细胞壁骨架；b，柚子皮衍生泡沫（PPD 泡沫）实物照片，插图显示细胞壁骨架已被打开；c，采用真空辅助法将无机溶液填充至细胞壁空腔中；d，超临界干燥后获得的仿生多尺度柚皮基气凝胶（BMP 气凝胶）示意图；e，BMP 气凝胶局部放大图，显示 TiO₂ 改性二氧化硅气凝胶；f，展示 BMP 气凝胶的多功能特性，包括高太阳光反射率、高效散热，以及优异的隔热性能和防火性能。
图2.展示了BMP气凝胶的微观结构表征，其中a为新鲜柚子皮细胞壁骨架的扫描电镜（SEM）图像；b为具有三维多孔支架的PPD泡沫的SEM图像；c为BMP气凝胶的横截面SEM图像，显示无机气凝胶组分填充在细胞壁支架内部；d为通过X射线断层扫描获得的BMP气凝胶三维重建图（直径2 mm）；e和g分别为X射线断层扫描后BMP气凝胶的俯视图和侧视图；f为TiO₂改性二氧化硅气凝胶的SEM图像；h和i则分别为Ti和Si的元素分布图。
图3.展示了BMP气凝胶、PPD泡沫和二氧化硅气凝胶的弯曲测试、压缩测试及抗冲击性能。其中，a、b和c分别呈现了三者的三点弯曲应力-应变曲线、压缩应力-应变曲线以及压缩强度-模量柱状图；d、e和f则分别为BMP气凝胶、PPD泡沫和二氧化硅气凝胶的落球冲击试验结果，显示BMP气凝胶保持完好，PPD泡沫形成冲击凹坑，而二氧化硅气凝胶则完全碎裂。
图4.展示了BMP气凝胶的热管理性能。其中，a为PPD泡沫和BMP气凝胶的导热系数对比；b和c分别为尺寸为24.41 mm × 23.14 mm × 9.28 mm的BMP气凝胶和23.00 mm × 22.08 mm × 9.16 mm的PPD泡沫置于200 °C高温台上的隔热测试，背面温度由红外相机记录；d为50 mm × 50 mm × 5 mm BMP气凝胶的实物照片；e为BMP气凝胶、PPD泡沫和干柚子皮在紫外-可见-近红外波段的反射率及中远红外区（2.5~25 μm）的发射率；f为测试装置实物照片，样品裁切为50 mm × 50 mm × 5 mm并置于装置中央凹槽；g为BMP气凝胶、PPD泡沫和干柚子皮在阳光照射下连续24小时测量周期的温度变化曲线。
来源：热管理实验室
