《Case Studies in Construction Materials》：Innovative silica aerogel-based core sandwich panels
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二氧化硅气凝胶（silica aerogel）尽管具有优异的性能（低热导率、高孔隙率和低密度），但仍面临显著缺陷，包括高加工成本和较差的结构完整性，限制了其广泛应用。因此，强化处理必不可少。一种有前景的方法是将二氧化硅气凝胶用作夹芯板（sandwich pan
二氧化硅气凝胶（silica aerogel）尽管具有优异的性能（低热导率、高孔隙率和低密度），但仍面临显著缺陷，包括高加工成本和较差的结构完整性，限制了其广泛应用。因此，强化处理必不可少。一种有前景的方法是将二氧化硅气凝胶用作夹芯板（sandwich panels）的芯层。这类夹芯板通过复合具有互补性能的材料以规避单一材料的弱点并拓展新的应用场景。本研究中，研究人员采用定向结构刨花板（Oriented Strand Board, OSB）、石膏板和膨胀软木（expanded cork）等外部面层，制备了以二氧化硅气凝胶为芯层的夹芯板，旨在实现低热导率的同时保持可接受的强度。研究还评估了与建筑应用相关的其他性能，如吸湿性和机械抗性。此外，研究人员制定了强化策略以提升芯层的性能，并测试了多种设计方案以评估其力学行为和热绝缘性能。研究结果强调，在最大化芯层中二氧化硅气凝胶含量时，结构强化是必要的。在测试的材料中，OSB面板提供了最优的结构性能，而软木面板则实现了最佳的热绝缘性能，热导率低至0.040 mW·m?1·K?1。此外，软木面板表现出有趣的结构特性：由于其面层较软，荷载直接施加于增强材料而非面层本身。
本文围绕以二氧化硅气凝胶为核心保温材料的夹芯板开展系统研究，旨在开发兼具优异热绝缘性能与一定结构强度的建筑保温构件，相关成果发表于《Case Studies in Construction Materials》。
当前建筑领域节能策略高度依赖高性能保温材料的开发应用，理想保温材料应具备轻质、低热导率及易加工安装等特性。尽管市场中存在有机材料与新兴材料等多元选择，但这些材料难以独立使用，需借助辅助材料方能实现最优效率，这不仅增加资源消耗，也延长了施工周期。夹芯板作为兼具轻质、保温与结构适应性的解决方案应运而生，其通过两层薄而刚硬的面层夹持较厚的芯层，实现强度与功能特性的整合。然而，现有夹芯板普遍面临低热导率与薄型化、足够刚度难以兼顾的瓶颈。二氧化硅气凝胶作为热导率最低的商业化保温材料，具有轻质、疏水及耐火等优势，但其颗粒或粉末形态无法直接作为独立芯层，必须与粘结剂复合使用。
为攻克上述难题，研究人员选取OSB、石膏板及膨胀软木三种典型建筑面层材料，系统比较不同组合的可行性、热绝缘性能与结构强度，并针对性开发化学改性与物理增强两类芯层强化策略，评估其对力学性能的影响及对整个夹芯板热导率的潜在牺牲。
研究采用的主要关键技术方法包括：基于荷兰建筑法令（Bouwbesluit 2012）的热阻设计值确定芯层厚度；采用饱和盐溶液法（氯化镁六水合物、碳酸钾、氯化钠、氯化钾）测定不同相对湿度条件下的吸湿性能；运用改进瞬态平面热源法（MTPS）、瞬态平面热源法（Hot Disk）及热流计法（ThermTest HFM 100）测量热导率与比热容；依据ASTM C203–05A标准进行三点弯曲试验；通过COMSOL Multiphysics软件建立固体力学与热传导有限元模型，开展时域分析以揭示荷载分布与温度场演化。
**研究结果**
**3.1 各层材料表征**
**3.1.1 外部面层材料**
吸湿试验表明，OSB作为生物基材料吸湿率高达14%，膨胀软木低于5%，石膏板不足2%，但所有材料均具备可逆的 moisture release 能力。热导率测量显示，OSB为0.120 W·m
?1·K
?1，石膏板为0.170 W·m
?1·K
?1，膨胀软木为0.050 W·m
?1·K
?1，且湿度暴露对热导率影响有限。三点弯曲试验揭示，OSB与石膏板呈脆性断裂，抗弯强度分别为10.40 MPa和2.45 MPa，而膨胀软木因低弯曲模量（4.05 MPa）表现出显著延展性，试验中未发生断裂。
**3.1.2 芯层材料**
研究人员测试了不同乳胶与二氧化硅气凝胶体积比的芯层热导率，发现低于1:5时浆体粘度过低无法成型，高于1:10则因粘结剂不足导致干燥后松散。1:10（v/v）比例满足热导率目标值（0.025 W·m
?1·K
?1）且具备加工性能，故被选定。该芯层最大吸湿率仅1%，但微量水分即可使热导率升高近50%（从0.022升至0.030 W·m
?1·K
?1）。
**3.2 夹芯板性能表征**
**3.2.1 热导率**
全温度范围（0–30 °C）测试表明，面层材料热导率对温度敏感性低，芯层热导率稳定在0.024 W·m
?1·K
?1。复合后夹芯板热导率降至约0.100 W·m
?1·K
?1，膨胀软木夹芯板因面层本身低热导率而受影响最小。
**3.2.2 三点弯曲试验**
OSB与石膏板夹芯板呈现脆性破坏，断裂应变不足0.2%，裂纹起源于芯层并迅速扩展，归因于乳胶粘结剂玻璃化转变温度（55 °C）高于室温且缺乏纤维增强。相比之下，膨胀软木夹芯板因面层刚度低，可实现面层与芯层协同变形而保持完整。有限元模拟显示，极限荷载仅约0.01 kPa，且完全由面层承担，芯层贡献微乎其微。
**3.3 强化策略**
**3.3.1 化学改性**
向芯层添加十二烷基三乙氧基硅烷（Dodecyltriethoxysilane）可提升乳胶与二氧化硅气凝胶的界面结合。高比例添加（1:17, v/v）显著提高抗弯强度至0.70 MPa，断裂应变提升至0.94%，但弯曲模量未改善，表明该策略仅增强 cohesion 而非本体强度。
**3.3.2 3D打印增强**
研究人员设计了方形（R1）、六方形（R2）及含对角支撑方形（R3）三种聚乳酸（PLA）网格增强体。该策略使OSB夹芯板弯曲模量从0.92 MPa大幅提高至16.83 MPa（R1），抗弯强度达3.35 MPa；石膏板夹芯板亦获提升。膨胀软木夹芯板因面层柔弱，增强体直接承担荷载，有限元显示其承受荷载高达5000 kPa，面层几乎不参与承载。
**3.3.3 热导率影响评估**
增强体引入导致热导率上升约0.010 W·m
?1·K
?1（OSB、石膏板）和0.002 W·m
?1·K
?1（软木），增幅约占最终值的10%，呈现明显热桥效应。
**3.4 热模拟**
模拟对比100–10与10–10两种加热速率表明，芯层有效阻隔热量传递，中线位置温度不受面层影响。120分钟时高低温差约10 °C（膨胀软木达15 °C）。增强体形状对温度扩散影响有限，PLA增强体与芯层温差不超过5 °C，与其低热导率（0.11 W·m
?1·K
?1）相关。
**讨论部分总结**
研究证实了二氧化硅气凝胶芯层夹芯板在建筑保温中的应用潜力，同时也暴露出其固有的结构脆弱性。化学改性虽能改善界面结合，但无法从根本上提升承载能力；3D打印物理增强则实现了力学性能的跨越式提升，尽管伴随可接受的热桥效应代价。膨胀软木作为面层展现独特优势——其低刚度特性使荷载重新分配至增强体，避免了面层的应力集中。研究明确指出，单纯追求高含量二氧化硅气凝胶而忽视结构强化是不可行的，必须在热工性能与力学性能间寻求平衡。与文献中其他夹芯板相比，本研究产品在最优条件下极限荷载可达1.87 kN，虽仍低于混凝土或环氧树脂体系，但已接近部分竞品水平，且核心定位在于热绝缘而非结构承载。
**研究结论**
本研究聚焦于以二氧化硅气凝胶为芯层、多种建筑材料为面层的夹芯板开发，主要评估其热绝缘、力学强度及其他建筑物理性能，并分析二氧化硅气凝胶复合芯层的局限性。主要结论包括：二氧化硅气凝胶作为芯层及夹芯板的主要组分，对热绝缘应用有效；但纯二氧化硅气凝胶芯层抗弯性能差，亟需强化策略；膨胀软木面板实现了低热导率（0.040 W·m
?1·K
?1），而OSB和石膏板面板在此方面竞争力较弱，且本研究采用标准中最低R值，针对更高R值的后续研究可探索更低热导率的可能；以PLA增强芯层能显著提升机械强度，同时对材料热导率影响有限。
