本研究由中国北京市建筑工程研究院有限责任公司的宋雷、北方工业大学土木工程学院的宋小软、信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司的张智超、北方工业大学土木工程学院的张睿琛以及中国电建集团核电工程有限公司的杨鑫炜共同完成。研究成果以论文《sio2气凝胶板在冻融环境下的隔热性能研究》的形式，于2025年12月发表于学术期刊《河南科学》（henan science）2025年第43卷第12期。
本研究属于建筑材料科学与工程领域，特别是建筑节能与材料耐久性交叉方向。其学术背景源于我国北方地区冬季昼夜温差大，冻融循环现象频繁，对建筑外围护结构的保温材料构成了严峻挑战。许多传统建筑材料在冻融侵蚀下会提前失效甚至损坏。气凝胶，作为世界上已知热导率最低的固态材料，因其纳米级多孔结构能极大限制空气热传导，在建筑节能领域展现出巨大潜力。其中，sio2气凝胶板材是最早实现工业化、商业化的气凝胶复合产品，通过将sio2气凝胶粉体与增强纤维（如玻璃纤维）复合，有效改善了纯气凝胶强度低、易碎的缺陷，使其机械性能满足工程应用要求。然而，现有研究多聚焦于气凝胶材料的制备、改性以及常规温湿度环境下的性能影响，对于冻融这一在寒冷地区极为关键的环境因素如何影响sio2气凝胶板隔热性能的系统研究相对匮乏。因此，本研究旨在填补这一空白，通过模拟实际冻融环境，系统探究冻融循环次数对sio2气凝胶板宏观隔热性能与微观结构的影响，评估其在寒冷地区作为建筑保温材料的长期耐久性与可靠性，为工程应用提供科学依据。
研究的详细工作流程严谨而系统，主要包括样品准备、冻融循环模拟、宏观隔热性能测试、微观结构表征以及数据分析五个核心环节。首先，研究选用了广东埃立生高新科技有限公司生产的dy-10系列玻璃纤维增强sio2气凝胶板作为研究对象，其基本参数包括：燃烧性能a级，标称导热系数0.023 w/(m·k)，密度约300 kg/m³，厚度10毫米。冻融循环试验是研究的核心处理步骤。该试验严格参照中国国家标准《建筑用绝热制品 抗冻性能测试》（gb/t 33011—2016）进行。研究设计了0次（对照组）、75次、150次、225次和300次共五个冻融循环水平。试验在冻融试验机中进行，单周期温度在±20℃之间波动，周期约4小时。试件在试验箱中的放置方式被特别注明，其中部分试件（特别是150次循环组）因放置位置与箱底循环水接触，可能经历了更严酷的“水-冻”耦合侵蚀，这一细节为后续部分异常数据的解释埋下了伏笔。
冻融处理后，研究从宏观和微观两个层面评估材料性能变化。宏观隔热性能评估采用了“小体积保温盒实验法”。该方法参考了相关研究，是一种评估材料瞬态热响应的有效手段。具体流程是：用经历不同冻融次数的sio2气凝胶板粘接制作成内部尺寸约300mm的立方体保温盒。在保温盒的外表面、内表面、盒内空气及外部环境等关键位置布置了共计7个热电偶测温点，所有探头用锡纸包裹以屏蔽辐射干扰。测试时，先将干燥至恒重的保温盒在20℃恒温箱中平衡，然后迅速转移至35℃的恒温箱中，利用温度数据采集仪（每30秒记录一次）持续监测直至盒内外温度达到新的平衡。通过记录的温度-时间曲线，可以分析材料的保温隔热动态性能。微观结构表征则采用了日本日立公司生产的regulus8100型场发射扫描电子显微镜（sem）。对不同冻融次数的sio2气凝胶板试样进行观察，对比其内部空间网络结构、纤维表面状态以及气凝胶颗粒的形貌变化，并从sem图像中分析颗粒的粒径尺寸变化。数据分析工作流包括：基于温升曲线，计算并对比不同组别试件的温升速率和达到特定温升百分比所需的时间；依据《民用建筑热工设计规范》（gb 50176—2016），利用保温盒内外表面温度数据，计算两个关键热物性参数——温度波延迟时间（ξ）和衰减倍数（ν），用以定量评价材料的保温性和对温度波动的抵御能力；最后，将宏观性能数据与sem观察到的微观形貌、粒径统计数据进行关联分析，构建“冻融作用-微观结构演变-宏观性能响应”的完整逻辑链条。
研究取得了一系列明确且相互印证的结果。宏观温升试验结果显示，经历不同冻融次数（0, 75, 150, 225, 300次）的保温盒，其外表面温度（ts,out）上升曲线高度重合，表明试验环境控制良好。更为重要的是，保温盒内表面温度（ts,in）和盒内空气温度（ts,in-air）的温升曲线在所有组别中也极为相似，尤其是在升温开始后的1小时内，五条曲线基本重叠。这直观地表明，冻融侵蚀并未对sio2气凝胶板的整体隔热能力造成显著影响。进一步分析温升比（内空气温度升高值与总温差的比值）达到80%所需的时间，发现除冻融150次的试件所需时间较初始状态下降了25.5%外，其余组别下降幅度均不超过20%。这与热物性参数的定量分析结果一致。计算得到的延迟时间（ξ）和衰减倍数（ν）数据显示：随着冻融次数增加，ξ值均保持在3小时以上，各组间差异微小，最大衰减不超过10%（相对于初始值）；ν值的变化趋势与ξ类似，但冻融150次组的ν值下降了约13.94%，成为所有性能参数中下降最明显的一项。这些数据共同指向一个结论：在常规干燥冻融条件下，sio2气凝胶板的隔热性能下降非常有限。
然而，冻融150次组在多项指标上表现出的相对“异常”下降，需要通过微观分析来揭示原因。sem观察提供了关键证据。微观形貌对比显示：冻融0次（初始状态）的样品呈现清晰、完整的三维纳米多孔网络结构。冻融150次的样品内部出现了明显的结晶堆积现象，堵塞了部分孔道，这正解释了其宏观性能的相对劣势——研究明确指出，这是由于该试件在冻融试验中与箱底冷凝水接触，经历了更严重的“冻胀”破坏。而其他冻融次数（75, 225, 300次）的样品，其微观图像显示虽然玻璃纤维表面有少量结晶产生，但整体的空间网状结构并未遭到大面积破坏，依然保持疏松多孔的形态，这与其宏观隔热性能下降较小的结果完全吻合。粒径分析数据进一步补充：随着冻融循环次数从0次增加到300次，sio2气凝胶颗粒的平均粒径呈线性增长趋势，增幅约58.43%。但与此同时，材料的导热系数仅上升了约17.28%。这一对比强烈说明，尽管冻融作用会导致颗粒团聚、粒径增大，但这种尺度的变化并未对材料核心的绝热机制——即其复杂的纳米级多孔结构对热传导的有效阻碍——产生根本性动摇。微观结果完美解释了宏观现象，并突出了材料结构完整性对性能维持的决定性作用。
基于上述结果，本研究得出明确结论：第一，在仅考虑冻融侵蚀因素（无液态水长期浸泡等耦合作用）的情况下，sio2气凝胶板的隔热性能不会受到显著损失。其宏观热工性能参数（延迟时间、衰减倍数）下降幅度很低。第二，冻融侵蚀会导致附着于增强纤维表面的sio2气凝胶颗粒发生一定程度的团聚，粒径变大，但这一过程并未破坏材料内部整体的纳米多孔空间网络结构。正是这种结构上的稳定性，保障了材料在冻融环境下隔热性能的长期有效性。本研究的科学价值在于，首次系统地从宏观性能与微观机理关联的角度，揭示了sio2气凝胶板在冻融循环作用下的性能演化规律与结构稳定性机理，填补了该材料在特定环境耐久性研究方面的知识空白。其应用价值尤为突出：研究结论为sio2气凝胶板在我国北方寒冷、冻融频繁地区的建筑节能工程中的应用提供了直接且积极的数据支持和理论依据，增强了工程界对该新型高性能保温材料长期服役可靠性的信心，有助于推动其更广泛的市场应用。
本研究的亮点体现在多个方面。首先，在研究目标上，它精准地切入了一个既有重要工程意义又存在研究缺口的领域——冻融环境对商业化sio2气凝胶板隔热性能的影响。其次，在研究方法上，采用了“环境模拟（冻融）-宏观性能测试（小体积保温盒法）-微观结构表征（sem）”三者紧密结合的系统研究范式，逻辑链条完整，证据相互支撑。特别是利用小体积保温盒实验法评估材料瞬态热响应，并结合国家标准中的热工参数进行计算，使性能评估更为全面和工程实用。再次，在研究发现上，不仅得出了“性能损失小”的总体结论，还敏锐地捕捉并合理解释了“冻融150次组”性能相对下降这一“异常”数据，将其归因于试验中与液态水接触的特殊情况，这反而加深了对材料在“水-冻”耦合更严苛条件下可能面临风险的认识，使结论更具层次性和指导性。最后，研究通过粒径增大与导热系数轻微变化的对比，有力地论证了sio2气凝胶板纳米多孔结构在冻融下的鲁棒性，这是支撑其优异耐久性的核心机理。这些亮点共同构成了一项设计周密、执行严谨、结论可靠且有价值的应用基础研究。