Bioinspired Super Thermal Insulating, Strong and Low Carbon Cement Aerogel for Building Envelope

气凝胶 材料科学 保温 水泥 复合材料 碳纤维 包络线(雷达) 建筑围护结构 热的 纳米技术 复合数 工程类 航空航天工程 图层(电子) 物理 气象学 雷达
作者
Fengyin Du,Wenkai Zhu,Ruizhe Yang,Yun Zhang,Jiawei Wang,Weihuan Li,Wenqiang Zuo,Lizhi Zhang,Liuyan Chen,Wei She,Tian Li
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:10 (18) 被引量:40
标识
DOI:10.1002/advs.202300340
摘要

The energy crisis has arisen as the most pressing concern and top priority for policymakers, with buildings accounting for over 40% of global energy consumption. Currently, single-function envelopes cannot satisfy energy efficiency for next-generation buildings. Designing buildings with high mechanical robustness, thermal insulation properties, and more functionalities has attracted worldwide attention. Further optimization based on bioinspired design and material efficiency improvement has been adopted as effective approaches to achieve satisfactory performance. Herein, inspired by the strong and porous cuttlefish bone, a cement aerogel through self-assembly of calcium aluminum silicate hydrate nanoparticles (C-A-S-H, a major component in cement) in a polymeric solution as a building envelop is developed. The as-synthesized cement aerogel demonstrates ultrahigh mechanical performance in terms of stiffness (315.65 MPa) and toughness (14.68 MJ m-3 ). Specifically, the highly porous microstructure with multiscale pores inside the cement aerogel greatly inhibits heat transfer, therefore achieving ultralow thermal conductivity (0.025 W m-1 K-1 ). Additionally, the inorganic C-A-S-H nanoparticles in cement aerogel form a barrier against fire for good fire retardancy (limit oxygen index, LOI ≈ 46.26%, UL94-V0). The versatile cement aerogel featuring high mechanical robustness, remarkable thermal insulation, light weight, and fire retardancy is a promising candidate for practical building applications.
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