節(jié)能環(huán)保材料——氣凝膠的發(fā)展和應(yīng)用

導(dǎo)語：

2020年，習(xí)主席在聯(lián)合國大會上宣布：“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。黨的十九屆五中全會《建議》和2021年政府工作報告提出：扎實做好碳達(dá)峰、碳中和各項工作，制定2030年前碳排放達(dá)峰行動方案。氣凝膠作為超級絕熱材料，全面綠色低碳發(fā)展為氣凝膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了前所未有的機遇。在加快推動綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢下，氣凝膠新技術(shù)有望與綠色制造發(fā)展相結(jié)合，形成更多新產(chǎn)品應(yīng)用。

正文：

一、什么是氣凝膠？

1931年，美國科學(xué)家Samuel Stephens Kistler制備出一種新材料，將其命名為“aerogel”，氣凝膠，即一種由氣體填充的凝膠。凝膠是指一定濃度的高分子溶液或溶膠，在適當(dāng)條件下，粘度逐漸增大，最后失去流動性，變成一種外觀均勻，并保持一定形態(tài)的彈性半固體。人們?nèi)粘Ｉ钪械墓麅鼍褪菓?yīng)用最廣泛的液體凝膠之一。

氣凝膠曾被國際期刊《科學(xué)》列為世界十大新材料之首，因為氣凝膠創(chuàng)造了15項世界紀(jì)錄：1、最低的導(dǎo)熱系數(shù)；2、最低密度；3、最寬的密度范圍；4、最寬的壓縮模量；5、最小的孔徑；6、最高的孔洞率；7、最低的聲傳播速度；8、最高的聲阻抗；9、最低的介電常數(shù)；10、最低的折射率；11、最寬的折射率范圍；12、最低的損耗角正切；13、最低的楊氏模量；14、第一次實現(xiàn)從彗星采集樣品；15、最不密集的3D打印結(jié)構(gòu)。

二、氣凝膠的特性

氣凝膠的結(jié)構(gòu)特征是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率。

氣凝膠的多孔性質(zhì)衍生出了優(yōu)良的隔熱性能和吸附性能。氣凝膠可以制作成為保溫氈，具有柔軟﹑易裁剪﹑密度小、無機防火﹑整體疏水、綠色環(huán)保等特性，有望替代玻璃纖維制品、石棉保溫氈、硅酸鹽纖維制品等不環(huán)保、保溫性能差的傳統(tǒng)柔性保溫材料?，F(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而用氣凝膠制作的“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達(dá)900倍。

氣凝膠相比于普通多孔材料有一個重要的特點：其粒子骨架在納米尺度。因此，當(dāng)可見光穿過時散射較小，看上去像“凍住的煙”。納米尺度粒子本身具有的某些性能，以氣凝膠的形式存在時，往往會得到增強。比如鋰電池的電極材料——二氧化錳(MnO2)，當(dāng)它以氣凝膠的形式存在時，鋰電池的放電性能得到了大幅度提高。

氣凝膠的特性總結(jié)下來就是質(zhì)量輕、熱絕緣和抗壓性能強。

三、氣凝膠的研發(fā)

美歐日對氣凝膠的研究和應(yīng)用起步較早，在材料研發(fā)、規(guī)模化生產(chǎn)、多領(lǐng)域應(yīng)用以及市場開拓方面均處于全球領(lǐng)先。國外氣凝膠基礎(chǔ)和工程化應(yīng)用研究機構(gòu)主要有：美國LLNL實驗室、JPL實驗室、SNL實驗室、加州理工學(xué)院、Aspen公司，德國的維爾茨堡大學(xué)、Basf公司、Desy公司，法國的蒙特派利爾材料研究中心，瑞典Lund公司，日本高能物理國家實驗室，韓國延世大學(xué)等。Aspen公司是全球最大的氣凝膠生產(chǎn)企業(yè)。Cabot公司是第一家在室溫下生產(chǎn)氣凝膠并使之商業(yè)化的公司。

我國氣凝膠研發(fā)起步雖然比較晚，但是也突破了技術(shù)限制。國內(nèi)主要研究機構(gòu)有同濟大學(xué)、國防科技大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、廈門大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及中科院，已形成廣東埃力生、浙江納諾、貴州烏江機電、河北金納、浙江貝來等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)。其中，浙江大學(xué)的科研團(tuán)隊研制的超輕氣凝膠，直接刷新了目前世界上最輕材料的紀(jì)錄，它被稱為“全碳?xì)饽z”，密度比氦氣還低，僅為空氣的17%，質(zhì)量只有每立方厘米1.6毫克。

國內(nèi)部分氣凝膠應(yīng)用研究方向

四、氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域

氣凝膠材料由于其優(yōu)異的保溫隔熱性能，應(yīng)用領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，處于生命周期的成長期，目前主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：能源設(shè)備、交通、建筑材料、服裝日化、LNG管道、消費電子、航空航天、國防軍工等。

1.新能源汽車

新能源汽車領(lǐng)域?qū)⒊蔀闅饽z材料應(yīng)用的主要增長引擎。氣凝膠玻纖氈復(fù)合材料高溫耐受溫度在800℃以上，有望解決三元電池安全痛點。當(dāng)車載電池長時間輸出電能后，電池內(nèi)長時間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)會使得電池體明顯發(fā)熱，存在燃燒、爆炸的風(fēng)險。傳統(tǒng)的芯模組都是采用塑料隔板將電池相互隔開，不僅重量大還無法起到保護(hù)作用?，F(xiàn)有采用的防護(hù)氈結(jié)構(gòu)簡單，容易變形，使其不能很好地與電池組全面接觸，且在電池發(fā)熱嚴(yán)重時其并不能起到很好的隔熱效果。氣凝膠復(fù)合材料作為阻燃材料，相比于傳統(tǒng)阻燃材料具有質(zhì)輕、阻燃性能優(yōu)異、環(huán)保性能好等優(yōu)點。在鋰離子動力電池芯發(fā)生撞擊短路或過沖電發(fā)熱自燃的條件下，氣凝膠玻纖氈復(fù)合材料可以隔離耐受故障電池芯瞬間釋放的高溫能量，更好地解決動力電池安全問題。

SiO2氣凝膠與ePTFE膜結(jié)合形成的復(fù)合材料同時具備優(yōu)秀的隔熱支撐、緩沖及隔音作用，可以用于汽車隔熱保溫箱體以及消費電子內(nèi)置芯片中。目前一款SiO,氣凝膠與ePTFE膜復(fù)合材料作為隔熱隔音材料已被應(yīng)用于上汽大眾途昂車型。

2.能源化工

能化領(lǐng)域是目前氣凝膠材料的主要應(yīng)用市場，以油氣管道、煉化項目、工業(yè)隔熱為主，技術(shù)相對成熟。氣凝膠復(fù)合材料對重大輸氣輸油工程的管道可以起到高度隔熱防護(hù)功效，在極低的溫度環(huán)境中無凍裂，能夠長期暴露在戶外照射的紫外線下工作20多年不老化，使得需要隔熱隔音的工程造價降低且長期免維護(hù)。氣凝膠復(fù)合材料在高溫管道、窯爐、城市熱力管網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用效果獲得廣泛認(rèn)可，實現(xiàn)能耗顯著降低、輸送范圍延長，同時可以減小保溫層厚度、節(jié)約空間。

3.綠色建筑

由于建筑施工部門的能源使用占世界總能耗和溫室氣體排放的很大比例，為實現(xiàn)建筑業(yè)節(jié)能減排，發(fā)展綠色建筑的市場空間巨大，也將成為氣凝膠材料的最大應(yīng)用場景之一。為提高建筑物能效水平，建筑物的隔熱成為重要課題。為了獲得盡可能高的熱阻，開發(fā)應(yīng)用氣凝膠材料實現(xiàn)低熱導(dǎo)率值成為一個重要的解決方案。

目前，由于針對建筑領(lǐng)域開發(fā)的氣凝膠材料價格較高，使其應(yīng)用尚處于初步探索階段。氣凝膠混凝土是以氣凝膠顆?；蚍勰橹饕煞值某p質(zhì)混凝土體系。生產(chǎn)氣凝膠混凝土的主要目的是將混凝土的高強度性能和氣凝膠的良好隔熱性能結(jié)合起來。氣凝膠混凝土具有較高的抗壓強度和相當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱系數(shù)，使其適用于多層建筑外墻的建造，無需任何進(jìn)一步的隔熱。氣凝膠隔熱材料可以通過隔熱屋頂空腔來實現(xiàn)在冬天提供溫暖，在夏天提供涼爽。氣凝膠毯子或片材可以用來隔離墻壁的外部和內(nèi)部，防止熱量散失到外部環(huán)境中。由于其防潮性能，氣凝膠也是潮濕墻壁的完美解決方案。熱效率、高壓縮強度和薄的外形使氣凝膠隔熱材料成為一種有吸引力的地板下隔熱層。在地板下安裝氣凝膠隔熱材料，即簡單快捷，又節(jié)約能源。

4.航空航天

1997年，美國首次在火星探測器上應(yīng)用了氣凝膠材料，從此氣凝膠作為隔熱材料成為航空航天領(lǐng)域的重要課題。氣凝膠由于具有優(yōu)異的熱絕緣性能，將其加入隔熱罩里，就可以有效保護(hù)內(nèi)部的科學(xué)儀器。

氣凝膠材料在實現(xiàn)隔熱功能的同時還可以實現(xiàn)保暖功能，美國國家宇航局在2002年用氣凝膠制作宇航服，在保證安全性的前提下，大幅度減重，提升宇航員的舒適度。

我國的“祝融號”火星車表面采用了中國航天科工三院306所研發(fā)的低溫納米氣凝膠材料，保障火星車在超低溫度環(huán)境下可以正常工作。由于氣凝膠的質(zhì)量很輕，幾乎不會增加火星車的載荷。

5.戶外服飾

由于氣凝膠具有優(yōu)異的熱絕緣性能，使其成為一些極限運動御寒用品的良好材料。一些廠家已經(jīng)使用氣凝膠材料研制出戶外御寒用具，比如登山運動員的防寒服、鞋墊和睡袋等。