氣凝膠新材料的原理應用和行業發展情況

什麼是氣凝膠材料?

氣凝膠是一種內部網絡結構充滿氣體,外表呈現固體狀密度極低的多孔材料,是目前最輕的固體材料。它的網絡結構一般是由相互交聯的納米顆粒所組成,其中顆粒內部的孔隙主要是微孔,顆粒與顆粒之間則大多是 2 nm 上的中孔或大孔。

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氣凝膠材料

低導熱的氣凝膠

氣凝膠具有低密度(~ 0.16 mg/cm3)、高比表面積(400-1000 m2g-1)、高孔隙率(90%-99.8%)、低熱導率(~ 0.012 Wm-1k-1)、結構可控等諸多優異性能,被稱為改變世界的神奇材料,列入 20 世紀 90 年代以來10 大熱門科學技術之一,具有巨大的軍民兩用應用價值。

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氣凝膠分類

從成分構成分類是氣凝膠最普遍的區分方式,分為單一組分和復合組分兩大類。 單一組分氣凝膠包括氧化物氣凝膠(二氧化矽和非二氧化矽),有機氣凝膠(樹脂基和纖維基),碳氣凝膠(碳化塑料、碳納米管和石墨烯),硫化物氣凝膠和其他種類的氣凝膠(單一元素、碳化物);復合組分氣凝膠包括多組分氣凝膠、梯度氣凝膠以及微/納氣凝膠復合物。其中矽氣凝膠、碳氣凝膠和二氧化矽氣凝膠最常見。

氣凝膠的結構與導熱性質

氣凝膠有良好的隔熱,其主要原理是:氣凝膠中納米級孔洞中的空氣不能自由流動,消除瞭空氣對流傳熱。氣凝膠中高達 80%以上的成分是空氣,固體成分少,且熱傳導路徑細長,從而大大減輕瞭固體熱傳導。納米級孔洞的孔徑(大部分為 20-50nm)小於空氣分子自由程(70nm),大大減弱瞭空氣分子發生碰撞而形成的熱傳導。存在大量的氣固界面,並添加瞭特殊的遮光劑,大大阻隔瞭熱輻射。

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氣凝膠的生產工藝

氣凝膠的性能就是由其結構決定的。因此如何制備結構顯得尤為關鍵,主要過程有三步。

1、溶液到溶膠過程:納米尺度的膠體粒子通過縮聚和水解反應在均勻的前驅物溶液中形成,或是通過催化劑來催化加速。

2、溶膠到凝膠的過程(凝膠):溶膠粒子之間手拉手連接,分層裝配進一個具有連續網狀結構的濕凝膠。

3、凝膠到氣凝膠的過程(幹燥):這個過程中濕凝膠中的溶劑被空氣所替代,同時不會有嚴重的微結構破壞。

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因此氣凝膠的生產主要有兩個關鍵技術:溶膠-凝膠技術和幹燥技術,前者主要是為瞭獲得具有一定空間網絡的結構,後者則是將醇凝膠網絡骨架中的溶劑去除,得到氣凝膠材料。前者主要有:無機氣凝膠、有機氣凝膠、碳氣凝膠的溶膠-凝膠技術,後者主要有:超臨界幹燥、亞臨界幹燥、冷凍幹燥和常壓幹燥技術。

氣凝膠的性質和應用

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氣凝膠的主要性能及其應用

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建築隔熱節能示意圖

由於氣凝膠可以有效阻隔熱的三種傳熱途徑,因此它的隔熱性能特別好。這也是它目前最大的應用領域。需要隔熱的領域有很多,比如建築,工廠等。因為建築隔熱可以有效避免內外熱量傳遞,因此可以節約能源,降低成本。

除瞭建築行業之外,還有化工廠隔熱也具有很廣闊的應用前景。例如常州循天節能科技將技術應用在海南中航特玻材料有限公司:

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化工廠隔熱的示意圖

建設規模: 550t/a 高檔浮法玻璃生產線窯爐節能保溫工程,采用瞭合同能源管理模式,於 2013 年 12 月 27 日-2014 年 1 月 14 日組織實施。該項目采用瞭鈦納矽技術為核心的組合保溫技術,對窯爐的熔化部大碹、澄清部大碹、蓄熱室大碹、蓄熱室墻體、胸墻、小爐等部位,保溫總面積 871m2,鈦納矽超級絕熱材料使用 2613m2。保溫前單耗 2164kcal/kg 玻璃液,保溫後 2096kcal/kg 玻璃液,節能率 3.14%;年節約天然氣 213.2 萬 m ,節能技改投資額: 310 萬元,年經濟效益 426 萬元;年節約標煤1948t,減排 5182tCO2,投資回收期 10 個月。

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長征五號

2016年11月3日,我國新一代大運力運載火箭“長征五號”在海南文昌衛星發射中心成功首飛。其中,為火箭燃氣管路系統提供隔熱保溫的就是國內自主研制的高性能納米氣凝膠隔熱氈。

產業發展情況

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氣凝膠的市場規模(全球)

根據中國銀河證券研究部的數據,2013 年全球氣凝膠市場規模約 2.2 億美元,估計到 2020 年可達 19 億美元,在 2014-2020年預測期內年復合增長率高達 36.4%。

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絕熱材料市場和氣凝膠對比

除瞭看具體的市場規模,還要看市場前景。從絕熱材料領域看,目前氣凝膠隻是絕熱材料中的很小一部分。而以氣凝膠的優異性能,隻要能實現規模化生產降低生產成本,勢必會占據更多絕熱材料市場。

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國內氣凝膠市場年復合增長率61%

2014 年國內氣凝膠產量大約在 8500 立方米,進口產品大約 1500 立方米,市場規模為1.82 億元;2015 年是國內氣凝膠規模的突變之年,新增產能達 16000~20000 立方米,實際產量 19600 立方米,進口產品約 1000 立方米,市場規模約 3.30 億元。隨著氣凝膠工藝成本的降低和產業規模的不斷擴大,一些新興應用不斷開發出來,國內氣凝膠市場將日益成熟,預計到2020 年國內市場規模將達 37 億元,年復合增長率高達 61%。

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氣凝膠新材料應用占比

以上都隻是說明氣凝膠市場前途很光明,具體應用領域有建築、石化、交通運輸、電力、冶金等。如果真的有志於此,可以瞭解這些行業的節能減排要求。並且查找相關的文獻進行深入的研究。

國內氣凝膠企業

國內的氣凝膠行業發展非常迅速,以下企業是頭部企業。若有興趣,可以多關註他們的動態。註意這裡僅是為有需要的年輕人介紹,並不構成投資建議。

如果有志於此,可根據自己興趣和就業地選擇一傢。我本人的經驗是大公司會提供一個很好的平臺,因此建議可以調查之後選擇一個自己覺得有前途的大企業。如果對此感興趣又對自己不夠有信心,則可以先入行。

小結

1、氣凝膠產業是個朝陽行業,市場潛力很大!目前應用集中在隔熱材料,隔熱材料市場潛力。另外,氣凝膠其他應用的市場潛力也很大!

2、中國的氣凝膠技術先進,與美國在世界范圍內直接競爭,學好英語爭做國際化人才。以後中國氣凝膠走出去是大趨勢,建議學好英語,做好國際化的準備。

3、選擇大企業,平臺好,能學到更多。希望此文對材料專業特別是無機非金屬材料的同學在就業和擇業時有所幫助。

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