正文
1.05
降至
0.41 mm
²
/s
）。这种降低表明，高生物炭含量的复合材料在散热方面表现较差，导致对温度变化的响应变慢。例如，
40BC
和
60BC
样品在高温区域保留时间更长，显示出更好的热阻和更低的热扩散率。相比之下，其他改性方法（如发泡剂或生物填料）对热导率和扩散率的降低效果相对较小。红外图像（图
4
）进一步证实，生物炭的加入显著改善了石膏复合材料的隔热性能，使其保温时间更长且温度下降更慢。这种效果归因于生物炭的多孔结构和微小气穴，能够有效捕获热量并减少热传递。此外，生物炭与石膏颗粒之间的结合方式也可能对传热速率产生一定影响，进一步增强了材料的隔热特性。
图
3.
生物炭石膏复合材料的导热系数、扩散率和比热。
图
4.
生物炭石膏复合材料的红外图像：（
a
） 对照组，（
b
）
20BC
，（
c
）
40BC
和 （
d
）
60BC
。
比热容随生物炭含量的增加呈现非线性变化趋势，在中等生物炭含量（
20 wt%
）时达到峰值，如图
3
所示。具体而言，比热容从
0BC
样品的
0.45 MJ/m
³·
K
逐渐增加，在
30BC
样品时达到峰值
1.1 MJ/m
³·
K
，随后在
60BC
样品时下降至
0.7 MJ/m
³·
K
。这种变化表明，适量的生物炭（如
20-30 wt%
）能够通过增加复合材料的内表面积，增强其热能存储能力；而过高的生物炭含量（如超过
30 wt%
）则可能因生物炭与粘合剂结合较弱，导致保温能力下降。因此，在设计生物炭
-
石膏复合材料时，需综合考虑其热性能以满足建筑应用需求。
细观有限元模拟进一步验证了生物炭的隔热效果。生物炭
-
石膏复合材料的表面温度在加热过程中始终低于参考组，如图
5
所示，例如在
600 s
时，复合材料表面温度为
38
°
C
，显著低于对照组的
46
°
C
。这种差异归因于生物炭颗粒周围热通量的不规则分布及其较低的热导率，导致热量传递速度减慢。生物炭颗粒的温度滞后于石膏基质，进一步抑制了整体热传递。这些结果表明，生物炭的加入显著提升了材料的隔热性能，与实验结果一致。
图
5.
带有标记热通量箭头的时间依赖性热传导的等值线图：（
a
） 对照组和 （
b
） 生物炭
-
石膏复合材料（
20%
生物炭体积）。
生物炭
-
石膏复合材料的异质传热特性在外表面表现显著。与参考组均匀分布的热通量线不同，生物炭
-
石膏复合材料在厚度方向上表现出温度分布的波动（图
6b
）。热通量线呈现不规则模式，尤其在横向区域分散，这种非均相传热现象反映了生物炭颗粒对中尺度传热梯度的复杂影响。随着生物炭含量的增加，复合材料的热导率降低，表面温度变化更加明显，进一步凸显了通过调控生物炭引入的局部导热变化来优化隔热性能的潜力。不规则的热通量路径降低了整体传热效率，形成了延迟温度平衡的热障。这种特性为优化热敏感环境中的应用提供了可能性，例如节能建筑中的被动热管理、外墙系统的结构绝缘以及热敏性基础设施的保护层。
图
6. 300
秒时热通量流线的热传导横截面颜色图：（
a
） 参考组和 （
b
） 生物炭
-
石膏复合材料（体积为
20%
生物炭）。
图
7
展示了生物炭
-
石膏复合材料的热重分析（
TGA
）结果。添加生物炭在
50
°
C
时引入了一个新的峰（图
7a
），并显著提高了
50
°
C
之前的分解速率（图
7b
），这归因于生物炭和石膏孔隙中游离水的释放。此外，生物炭的加入使主要
DTG
峰从
108
°
C
（
0BC
）前移至
93
°
C
（
60BC
），同时在高剂量生物炭（
40BC
和
60BC
）下，肩峰消失。主峰对应于
CaSO
₄
·
2H
₂
O
分解为
CaSO
₄
·
0.5H
₂
O
的过程，而
0BC
和
20BC
样品在
118
°
C
和
108
°
C
的肩峰则与
CaSO
₄
·
0.5H
₂
O
进一步分解为
CaSO
₄
有关。高剂量生物炭下肩峰的消失表明，过量生物炭和石膏含量的减少破坏了复合材料的稳定性并改变了其分解途径。图
7c
和
d
进一步支持了这一结论，显示了石膏在
50
°
C
至
150
°
C
之间的质量损失和晶体学变化（
CaSO
₄
·
2H
₂
O
在
120
°
C
分解为
CaSO
₄
·
0.5H
₂
O
，并在
150
°
C
进一步转化为
CaSO
₄
）。这些结果表明，生物炭的添加显著影响了复合材料在高温下的水分释放和相变过程。
图
7.
生物炭
-
石膏复合材料的
TGA
结果。
微观结构分析
生物炭的加入显著改变了石膏中硫酸根离子的配位环境以及水分子的氢键结构（图
8
），表明生物炭影响了石膏的水化过程及其复合材料的致密化。具体表现为，生物炭
-
石膏复合材料中的水振动带（如约
3400 cm
⁻
¹
处的
OH
拉伸模式和
1684 cm
⁻
¹
处的弯曲模式）出现了展宽并向较低波数的轻微移动，这可能是由于生物炭表面的静电相互作用改变了氢键网络。此外，硫酸根离子的不对称弯曲模式（ν
₄
，通常在
668 cm
⁻
¹
处表现为双峰）也显示出强度降低和峰展宽，暗示硫酸盐配位减弱或局部键合环境发生变化。这些结果表明，生物炭的加入不仅可能增强石膏的保湿能力和水化性能，还可能改善其物理和化学特性，从而为设计高性能保温石膏材料提供了新的可能性。
