最輕固體材料氣凝膠的未來前景

最近,國外一傢公司推出的一款防寒外套引起瞭公眾關註。這款僅3mm厚的防寒外套具有和40mm鴨絨外套相同的保溫效果。在約零下196攝氏度的液氮測試中,這件外套內部還能保持約31.6攝氏度的溫度,足以證明其有效的恒溫性能。

這款外套之所以如此神奇,秘密在於它采用瞭全新的氣凝膠材料。事實上,從航天飛機到輪船,從羽毛球拍到登山鞋,氣凝膠這種被稱之為“改變世界的神奇材料”離我們的生活越來越近。

世界上已知最輕固體

如果做到極致,氣凝膠這種固體甚至能飄在空氣中;正面經受1000多攝氏度的火焰噴射,背面依然可以用手摸……這就是神奇的氣凝膠。北京愛彼愛和新材料有限公司董事長田雷告訴科技日報記者,氣凝膠也稱空氣膠、固態煙霧或是藍煙,是一種納米級別的多孔超級隔熱材料。

通俗來講,氣凝膠是一種物質形態。2014年世界材料大會提出,這種形態由90%以上的空氣和不足10%的固體構成。它可以承受相當於自身質量幾千倍的壓力,在溫度達到1200攝氏度時才會熔化。此外它的導熱性和折射率也很低,絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。由於具備這些特性,氣凝膠便成為航天探測中不可替代的材料,俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進行絕緣。除航天外,氣凝膠還可廣泛應用於軍工、石化、電力、冶金、建築、服裝等眾多領域是傳統保溫材料的革命性替代產品。

由德國資助成立的同濟大學波耳固體物理研究所副所長沈軍是國內最早研究氣凝膠的學者之一。他告訴科技日報記者,氣凝膠之所以具有這樣的秉性,主要由於其特殊的納米多孔結構。

“做豆腐的程序大傢都熟悉,我們首先要用原料做成豆漿,然後凝固變成豆腐,如果將豆腐裡面的水分擠出去就是豆幹,變成豆幹後體積大幅減小,氣凝膠的制備類似於要將豆腐裡的水分擠出去,但體積又不能縮小,要補充氣體進去,所以比較難。”沈軍說。

隻要是讓凝膠中的液體被氣體取代,同時凝膠的網絡結構基本保留不變,得到的材料都成為氣凝膠。氣凝膠的種類有很多、有矽系、碳系、硫系、金屬氧化系列等等。

沈軍介紹說, 1931年,美國斯坦福大學Kistler通過水解水玻璃首次制備得到氣凝膠。但由於工藝復雜及成本太高,氣凝膠在問世後並沒有引起足夠重視。上世紀80年代,歐洲的一些物理學傢開始註意到這種新材料並開始研究。1985年,德國維爾茨堡大學物理所組織召開首屆“氣凝膠國際研討會”。到上世紀90年代初,美國人又重新進入氣凝膠的研究。1993年,氣凝膠被應用到宇航服、太空飛船、航天飛機等。

由德國資助成立的同濟大學波爾固體物理研究所早在1991年就將氣凝膠確定為研究方向之一。由於與德國關系緊密,該實驗室得以迅速獲得氣凝膠制備技術。“我們在短時間內迅速達到瞭國際先進水平。”沈軍說。

彼時的小范圍應用主要集中在核物理領域。沈軍說,到2000年左右,由於居高不下的成本及大規模工業化生產難以取得技術突破,氣凝膠始終沒有作為一個產業發展起來。近幾年,由於能源需求緊張、全球生態環境惡化等原因,學界和業界又開始攻關氣凝膠的產業化。

“直到2013年左右,這個產業才算發展起來,目前比較領先的是美國和中國。”沈軍說。美國氣凝膠主要應用於航天、石油化工等領域,同時逐步進入消費品市場。我國的氣凝膠現在主要用於高鐵、油田等行業。

Allied市場研究公司2014年6月發佈的報告稱,全球氣凝膠的市場價值在2013年2.218億美元,估計到2020年可達18.966億美元,在預測期內(從2014—2020)的年復合增長率為36.4%。隨著氣凝膠材料在新的應用領域探索的持續進步,市場預計,隨著時間的推移市場增長的動力會進一步增強。

另一研究報告稱,2010年,全球絕熱材料市場估計規模為321億美元,未來年增長率為 6.3%,到2019年可達556億美元。其中工業和設備領域約占總份額三分之一,建築領域占總分額的三分之二。

氣凝膠材料占據瞭整個絕熱材料市場金字塔模型的塔尖部分,目前在整個絕熱材料市場中的規模幾乎是微不足道的,這一方面說明氣凝膠產業仍然處於早期起步階段,同時又預示著其未來巨大的發展空間。

行業標準正在制定中

“此前制約氣凝膠市場拓展的最大障礙是高昂的價格,一旦氣凝膠材料的生產成本得以顯著下降,市場規模就會急劇擴大,產品銷量也會迅速擴大,並將革命性地替代傳統絕熱材料。”愛彼愛和副總經理董海兵告訴科技日報記者。

愛彼愛和在過去近10年時間裡,致力於改進氣凝膠的制備工藝,降低成本,使其可大規模工業化生產且產品質量穩定、成本大幅降低,使氣凝膠成為普通工業和民用領域用得起的“超級絕熱材料”。

該公司做的實驗顯示,在1000多攝氏度的高溫噴槍加熱下,傳統有機類保溫材料幾秒內迅速燃燒殆盡,同樣厚度的傳統無機保溫材料也在不到1分鐘的時間內被燒穿,但該公司的氣凝膠板材則在40分鐘後才被擊穿。除瞭較好的防火性,在達到相同保溫效果下,氣凝膠隻需要傳統無機材料的1/3—1/4厚度。

“雖然氣凝膠產品單價比傳統保溫材料高,但綜合考慮使用壽命、施工費用等,使用氣凝膠的成本更低。”董海兵說。

沈軍則透露,他的團隊在剛結題的科技支撐項目中,研究瞭矽氣凝膠在建築節能領域的應用,包括產品標註、施工規范等等。“氣凝膠在該領域應該會很快推廣。”

此外,在交通運輸、熱網管道建設、石油石化等行業,氣凝膠的應用也越來越廣泛。“電動汽車的安全隱患主要來自鋰電池內電解液的燃燒甚至爆炸,如果讓電池穿上氣凝膠衣服,安全系數會極大提高;氧化鈦氣凝膠可以隔絕紅外線、紫外線,分解甲醛,可用於制造可重復使用的口罩、空氣凈化濾芯等。”董海兵堅信,氣凝膠將成為一個大產業。

董海兵希望國傢能出臺相關政策和標準,推動這個剛剛興起的產業規范發展。對此,沈軍表示:“目前市場上已經出現一些假的氣凝膠瞭,規范和標準確實亟須落實。南京玻璃纖維研究設計院目前正在制定相關標準,包括產品標準、施工規范等等,今年底應該能出臺。”

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