超材料具有常規(guī)材料不具備的超常物理性質(zhì)，是國際上重點關(guān)注的戰(zhàn)略前沿領(lǐng)域。我國也高度重視超材料技術(shù)的發(fā)展，國家自然科學(xué)基金、新材料重大專項等都對超材料研究予以立項支持。近年來，越來越多的科研人員對超材料產(chǎn)生興趣，使超材料的設(shè)計開發(fā)進入了一個嶄新的天地。據(jù)此，本版推出“走近超材料”系列報道，展示超材料技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用情況。
氣凝膠具有高比表面積、高空隙率等特殊的微觀結(jié)構(gòu)特點，化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫、使用溫度范圍廣、壽命長。近年來，中國、美國、歐洲等國家和地區(qū)的研究人員通過改進氣凝膠制備工藝，開發(fā)出生物質(zhì)基氣凝膠等多種新型氣凝膠。
氣凝膠是一種超材料，它非常輕，即使把一塊氣凝膠放在花蕊上也不會將其壓彎。目前，各種各樣的氣凝膠被開發(fā)出來，它們或柔軟或堅硬，或?qū)щ娀蚪^緣，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。1月10日，中鐵一局集團有限公司表示，河南省新鄉(xiāng)蒸汽管網(wǎng)項目全面通過驗收。蒸汽管網(wǎng)對防腐、保溫要求極高，其管道選用了高溫離心玻璃棉及納米氣凝膠復(fù)合保溫材料。項目技術(shù)負(fù)責(zé)人汪惺說，納米氣凝膠隔熱效果是傳統(tǒng)隔熱材料的2—5倍，可極大提高施工質(zhì)量和施工效率，降低施工成本。
作為目前已知導(dǎo)熱系數(shù)最低、密度最小的固體材料，氣凝膠可謂是材料領(lǐng)域的“隔熱王者”，并已在航天、石化等領(lǐng)域應(yīng)用。比如“天問一號”探測器發(fā)動機與火星車表面、“長征五號”遙四運載火箭發(fā)動機高溫燃?xì)庀到y(tǒng)隔熱、嫦娥四號探測器熱電池防護等都應(yīng)用了氣凝膠。在我國提出“雙碳”目標(biāo)后，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，氣凝膠的應(yīng)用場景也在進一步擴大。
具有耐高溫、高彈性、強吸附等特性
氣凝膠是一種納米級的多孔固態(tài)新型材料，所有孔的體積合起來占整個氣凝膠體積的絕大多數(shù)，甚至可以達(dá)到99％以上，具有高比表面積、高空隙率、納米級孔洞、低密度等特殊的微觀結(jié)構(gòu)特點，化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫、高彈性、強吸附、防水效果好、使用溫度范圍廣、壽命長。
“可以把氣凝膠理解成多孔海綿的一個納米版?！睔饽z領(lǐng)域技術(shù)專家王貝爾說，其孔徑在20納米至50納米之間。而空氣分子大小約為70納米，大于氣凝膠孔隙的直徑，因此空氣在氣凝膠上流動效率極低，加上氣凝膠本身比熱容很高，熱輻射傳遞能降到最低，因而具有很好的隔熱性能。
氣凝膠主要分為無機氣凝膠、有機氣凝膠和有機—無機雜化氣凝膠三類。其中，無機氣凝膠是以無機物為主體，包括單質(zhì)氣凝膠、氧化物氣凝膠和硫化物氣凝膠等。有機氣凝膠則是以有機物為主體，主要包括酚醛氣凝膠、纖維素氣凝膠、聚酰亞胺氣凝膠、殼聚糖氣凝膠以及殼聚糖—纖維素氣凝膠等。有機—無機雜化氣凝膠可利用有機物和無機物各自優(yōu)勢，實現(xiàn)氣凝膠特殊的功能化。
《科學(xué)》雜志2021年將氣凝膠列為十大熱門科學(xué)技術(shù)之一，并稱其為“可以改變世界的多功能新材料”。王貝爾說，氣凝膠是《科學(xué)》雜志評選出的十大新材料中，唯一一個已大規(guī)模落地于實際商業(yè)場景的材料。
氣凝膠的制備工藝主要分為兩步，即通過溶膠—凝膠過程制備凝膠，再利用一定的干燥方法將凝膠內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)替換為氣態(tài)，從而制得氣凝膠。
有數(shù)據(jù)顯示，在氣凝膠行業(yè)的成本結(jié)構(gòu)中，制造成本約占45%。蘇州錦富技術(shù)股份有限公司董事長助理鄭松說，降低氣凝膠成本是行業(yè)正在努力的一個方向，目前主要路徑之一是自動化產(chǎn)線的落地，而成本降低將會打開更多的應(yīng)用場景。
生物質(zhì)基氣凝膠成研究熱點
據(jù)中國石油管道科技研究中心評估，以350攝氏度蒸汽管道的保溫應(yīng)用為例，相比于傳統(tǒng)保溫材料，氣凝膠的保溫層厚度可減少2/3，節(jié)約能耗40%以上，每公里管道每年可減少二氧化碳排放125噸。
數(shù)據(jù)顯示，2021年油氣領(lǐng)域?qū)饽z的需求占總需求量的56%，另有18%用于工業(yè)隔熱、9%用于建筑建造、8%用于交通運輸。國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會在《2022氣凝膠行業(yè)研究報告》中指出，在新能源汽車蓄電池芯模組中采用氣凝膠阻燃材料，可將電池包高溫耐受能力提高至800攝氏度以上。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)等的發(fā)展，氣凝膠在新能源汽車及儲能行業(yè)應(yīng)用場景廣泛，需求量有望持續(xù)提升。
氣凝膠發(fā)展迅速。國務(wù)院發(fā)展研究中心國際技術(shù)經(jīng)濟研究所分析員李維科說，近年來，中國、美國、歐洲等國家和地區(qū)的研究人員通過改進氣凝膠制備工藝，開發(fā)出生物質(zhì)基氣凝膠、石墨烯氣凝膠、聚合物氣凝膠等多種新型氣凝膠。值得一提的是，生物質(zhì)原料來源廣泛、成本低廉、碳源豐富，利用生物質(zhì)原料制備環(huán)保型多孔碳纖維氣凝膠是一種經(jīng)濟、可持續(xù)的生產(chǎn)方式，因此目前生物質(zhì)基氣凝膠也成為研究的熱點。
比如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊研發(fā)出超彈性纖維素氣凝膠，該纖維素氣凝膠從室溫到零下196攝氏度，都表現(xiàn)出不隨溫度變化的超彈性、優(yōu)異的抗疲勞性等，在惡劣環(huán)境中具有巨大的隔熱潛力。且制備中所使用的材料均為生物質(zhì)原料，有望解決能源密集型技術(shù)和石化材料造成的環(huán)境污染問題，是傳統(tǒng)不可再生氣凝膠的理想替代品。
中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所盧蕓研究員團隊以木材為基質(zhì)，將無機、有機氣凝膠與木材骨架基體復(fù)合，首創(chuàng)了第三代木質(zhì)纖維素氣凝膠。通過對木材及生物質(zhì)廢棄物纖維素的調(diào)控，將纖維素比表面積提高了7個數(shù)量級，對油污吸附能力高達(dá)自身質(zhì)量的75—300倍，體積用量縮減50%—75%，可降解、可再生。
氣凝膠發(fā)展駛?cè)搿翱燔嚨馈?/strong>
氣凝膠的發(fā)展得到國家政策的持續(xù)支持。2014年和2015年，國家發(fā)改委連續(xù)兩年將氣凝膠列入《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》，開始對氣凝膠進行初步推廣應(yīng)用；2018年6月氣凝膠被列入建材新興產(chǎn)業(yè)；同年9月，第一個氣凝膠方面的國家標(biāo)準(zhǔn)《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》發(fā)布；2020年，《氣凝膠保溫隔熱涂料系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》啟用；2021年，《中共中央、國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》提出，推動氣凝膠等新型材料研發(fā)應(yīng)用。
隨著氣凝膠應(yīng)用技術(shù)不斷成熟，氣凝膠發(fā)展進入“快車道”。不過，李維科說，目前氣凝膠研究仍存在一些問題，比如氣凝膠在高溫條件下熱導(dǎo)率增長較快，與纖維等增強基體材料的黏結(jié)性較差；生產(chǎn)過程中會用到許多有機溶劑，容易造成環(huán)境污染；氣凝膠難以回收利用，不利于可持續(xù)發(fā)展等。
此外，氣凝膠生產(chǎn)成本高昂，產(chǎn)品價格昂貴?！?022氣凝膠行業(yè)研究報告》指出，氣凝膠的生產(chǎn)成本主要集中在原材料硅源、設(shè)備折舊及能耗方面。有效降低成本既依賴于制備工藝的突破，也需要通過低成本原材料的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化來實現(xiàn)。
氣凝膠是罕見的可以同時滿足防火、防水、隔熱、隔音等多種需求的材料。李維科說，氣凝膠的發(fā)展和應(yīng)用仍然處于不斷探索的過程，未來的研究方向主要集中在開發(fā)纖維素氣凝膠、石墨烯氣凝膠、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氣凝膠、非金屬單質(zhì)氣凝膠等新型氣凝膠上。
