導(dǎo)語(yǔ)：

2020年，習(xí)主席在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布：“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。黨的十九屆五中全會(huì)《建議》和2021年政府工作報(bào)告提出：扎實(shí)做好碳達(dá)峰、碳中和各項(xiàng)工作，制定2030年前碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案。氣凝膠作為超級(jí)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(lái)了前所未有的機(jī)遇。在加快推動(dòng)綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)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(guó)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(dòng)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(guó)際期刊《科學(xué)》列為世界十大新材料之首，因?yàn)闅饽z創(chuàng)造了15項(xiàng)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(shí)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(wú)機(jī)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。現(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(gè)重要的特點(diǎn)：其粒子骨架在納米尺度。因此，當(dāng)可見(jiàn)光穿過(guò)時(shí)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(shí)，往往會(huì)得到增強(qiáng)。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(shí)，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(lái)就是質(zhì)量輕、熱絕緣和抗壓性能強(qiáng)。

三、氣凝膠的研發(fā)

美歐日對(duì)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(chǎng)開(kāi)拓方面均處于全球領(lǐng)先。國(guó)外氣凝膠基礎(chǔ)和工程化應(yīng)用研究機(jī)構(gòu)主要有：美國(guó)LLNL實(shí)驗(yàn)室、JPL實(shí)驗(yàn)室、SNL實(shí)驗(yàn)室、加州理工學(xué)院、Aspen公司，德國(guó)的維爾茨堡大學(xué)、Basf公司、Desy公司，法國(guó)的蒙特派利爾材料研究中心，瑞典Lund公司，日本高能物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，韓國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)有同濟(jì)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、廈門(mén)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(jī)電、河北金納、浙江貝來(lái)等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)。其中，浙江大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)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(guó)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(zhǎng)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(fèi)電子、航空航天、國(guó)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(zhǎng)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(diǎn)。當(dāng)車載電池長(zhǎng)時(shí)間輸出電能后，電池內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)會(huì)使得電池體明顯發(fā)熱，存在燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的芯模組都是采用塑料隔板將電池相互隔開(kāi)，不僅重量大還無(wú)法起到保護(hù)作用。現(xiàn)有采用的防護(hù)氈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)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(diǎn)。在鋰離子動(dòng)力電池芯發(fā)生撞擊短路或過(guò)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(dòng)力電池安全問(wèn)題。

SiO2氣凝膠與ePTFE膜結(jié)合形成的復(fù)合材料同時(shí)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(fèi)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(chǎng)，以油氣管道、煉化項(xiàng)目、工業(yè)隔熱為主，技術(shù)相對(duì)成熟。氣凝膠復(fù)合材料對(duì)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(wú)凍裂，能夠長(zhǎng)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(jià)降低且長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)能耗顯著降低、輸送范圍延長(zhǎng)，同時(shí)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(mén)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(shí)現(xiàn)建筑業(yè)節(jié)能減排，發(fā)展綠色建筑的市場(chǎng)空間巨大，也將成為氣凝膠材料的最大應(yīng)用場(chǎng)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(kāi)發(fā)應(yīng)用氣凝膠材料實(shí)現(xiàn)低熱導(dǎo)率值成為一個(gè)重要的解決方案。

目前，由于針對(duì)建筑領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的氣凝膠材料價(jià)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粒或粉末為主要成分的超輕質(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(qiáng)度性能和氣凝膠的良好隔熱性能結(jié)合起來(lái)。氣凝膠混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)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(wú)需任何進(jìn)一步的隔熱。氣凝膠隔熱材料可以通過(guò)隔熱屋頂空腔來(lái)實(shí)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(lái)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(qiáng)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(jiǎn)單快捷，又節(jié)約能源。

4.航空航天

1997年，美國(guó)首次在火星探測(cè)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(shí)現(xiàn)隔熱功能的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)保暖功能，美國(guó)國(guó)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(guó)的“祝融號(hào)”火星車表面采用了中國(guó)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(huì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員的防寒服、鞋墊和睡袋等。