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新材料科普:什麽是氣凝膠?

添加時間:  2017-4-10

“氣凝膠”這個詞近年來出現得越來越頻繁,特別是在十三五規劃中筆墨三章強調新材料戰略的作用後,氣凝膠作為先進新型材料又一次成為了關注焦點。


據Allied市場研究公司2014年6月發布的報告稱,全球氣凝膠的市場價值預計到2020年可達18.966億美元,在預測期內(從2014–2020)的年複合增長率為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。




氣凝膠的發展

意義何在?


從國家戰略層麵出發,新材料是帶動傳統產業升級的革命性力量,是事關國家安全的戰略性產業。大力發展國內新材料產業,提升國內新材料產業製造水平,從而不斷提高先進高分子材料和特種金屬功能材料自給水平。


再對比國內外新材料企業的狀況,美國的3M、杜邦、德國的BASF、Bayer、日本的三菱化學占據了國際市場絕大部分份額,其中不乏市值過千億美金的巨頭。反觀國內新材料企業,A股市場上的龍頭市值也不過數十億美金。為什麽會出現如此大的差距,原因之一是起步時間的差距,而更主要的原因在於在國內,新材料並沒有被視作一個長期可持續發展的事業。


因此,如何讓新材料恒“新”是一個值得思考的問題。


目前,國內新材料企業想要在短時間內全麵、全能地超越國外巨頭,並不現實。但在納米材料等關鍵性領域,卻存在著異軍突起的空間和能力。談完了行業背景和先天下之憂後,我們正式切入主題。

  

WHAT? 

什麽是氣凝膠?


作為納米材料界的新星——氣凝膠(Aerogel),它到底為何物?


首先,氣凝膠不同於我們傳統思維中的“膠”,它是一種固體物質形態,密度為3KG/m³,因其密度極低,所以也被叫做“凍結的煙”或“藍煙”,曾獲得吉尼斯紀錄“世界上最輕的固體”稱號。最早是在1931年,由S.Kistler采用超臨界幹燥方法成功製備出SiO2氣凝膠。由於氣凝膠中一般80%以上是空氣,所以有非常好的隔熱效果,一寸厚的氣凝膠相當20至30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間,玫瑰也會絲毫無損。氣凝膠在航天探測上也有多種用途,在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到這種材料。

 

關於氣凝膠的科普就介紹到這裏,隻用記住它們明顯不同於孔洞結構在微米和毫米量級的多孔材料,其纖細的納米結構使得材料的熱導率極低,具有極大的比表麵積。對光、聲的散射均比傳統的多孔性材料小得多,這些獨特的性質不僅使得該材料在基礎研究中引起人們興趣,而且在許多領域蘊藏著廣泛的應用景。


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HOW?

氣凝膠應用製品有哪些?有何用?


前麵介紹了氣凝膠這一納米材料的各種特性,那麽它究竟可以做成啥?本文希望從客觀角度,結合國內外各相關企業、研發機構的進展狀況為大家梳理梳理關於氣凝膠應用製品的故事。關於氣凝膠應用製品,可以分兩部分來介紹,第一部分為已具備商品流通屬性的應用製品,第二部分為極具科研價值的前沿性研究。


現階段氣凝膠產品主要包括


氣凝膠顆粒:其上述物理特性使得氣凝膠材料本身在隔熱隔音、水體淨化、氣體吸附等方麵有突出優勢,可替代活性炭作為一種耗材。


納米孔氣凝膠複合絕熱材料:這隻是一個統稱,可理解為所有需要高效恒溫的地方都能用得上的東西,至於這種材料可以是固態、也可以是液態。簡單說來,這種複合絕熱材料就是當氣凝膠與哪種基材進行二次複合,就使得那種材料擁有了高效隔熱保溫的性能。工業建築領域應用中,氣凝膠與玻璃纖維氈複合經加工就做成了氣凝膠氈,使得其導熱係數成倍降低;日用品領域中,與紡織品複合,使得其隔熱保溫性能又上一台階。所以在氣凝膠複合應用製品方麵,小編更願意把它看作是一種功能性的添加劑。目前,新型氣凝膠的應用主要集中在節能與環保領域。

 

未來的產品主要將應用在以下幾個方麵:


防彈塗層:根據相關試驗研究,在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠,炸藥直接炸中,金屬片也分毫無傷。

吸波塗料:吸收雷達波,達到隱形效果

儲能器件 

高技術強激光研究方麵


氣凝膠作為最早應用在航空航天領域的新材料,有許多神奇的特性,對於未來的應用空間,很難準確預計其發展前景,還得依靠社會以及產業界的想象力,讓這種納米新材料走出實驗室,實現其應用價值。

 

WHERE?

應用領域介紹:氣凝膠係列製品用在哪裏?


上一節提到了氣凝膠的應用製品,那麽這些製品哪些在我們日常生活中可以看見,亦或者是即將看見呢?材料之所以神秘,是因為許多材料明明存在,但咱老百姓們卻很少感知的到。


在工業領域中,電力儲能、石油化工等行業凡是需要管道保溫或者窯爐保溫的部位都需要用到高效保溫材料,納米孔氣凝膠複合絕熱材料是首選。


在建築領域中,建築牆體保溫、屋麵地板保溫,以及氣凝膠玻璃在玻璃幕牆上的應用。


在交通運輸領域中,納米孔氣凝膠複合絕熱材料已經應用在高鐵列車、國產C919客機、以及新能源汽車上,主要集中應用點是運輸工具的隔熱保溫、以及新能源汽車鋰電池的保護。


在家用保溫和冷鏈物流領域中,納米孔氣凝膠複合絕熱材料替代傳統材料,用作保溫層,大幅提高保溫效果,增大內部容積。


在功能性裝備中,使用氣凝膠超薄夾層製作出的氣凝膠夾克及其他戶外用品,擁有無法比擬的保暖性,真正做到更輕、更薄、更暖!


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對比傳統保溫材料,納米孔氣凝膠複合絕熱材料的保溫效果要優於傳統保溫材料3~5倍,這就意味著其節能保溫效果好;同時減少了保溫材料的厚度,降低了綜合成本;因為材料自身為安全環保無毒的無機材料,A1級不燃,兼顧了安全、使用壽命長與環境友好性的特點。


WHO? 

相關科研機構介紹:


國際上關於氣凝膠材料的研究工作主要集中在美國的加州理工學院、德國的維爾茨堡大學、BASF公司、美國的勞倫茲·利物莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室,法國的蒙彼利埃材料研究中心,日本高能物理國家實驗室等。國內主要集中在同濟大學波爾固體物理實驗室、國防科技大學、清華大學、浙江大學、哈爾濱工業大學。


當前,高校在氣凝膠科研領域的專業程度以及企業在低成本氣凝膠製造技術方麵的探索能力,均走在世界前列,未來一定會有優秀企業脫穎而出, 依靠技術創新和成本領先優勢打開全球市場大門。


誰會是成為氣凝膠領域的華為,我們拭目以待。

 

FUTURE! 

氣凝膠的市場前景如何?


目前製約氣凝膠市場壯大的最主要因素是價格,過高的定價讓許多嚐試者望而卻步。一旦氣凝膠材料的生產成本顯著下降,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。


國內市場氣凝膠行業起步較晚,前期主要是國外氣凝膠產品在銷售,市場推廣力度也較小,近年來隨著國內氣凝膠企業逐步增多,實力不斷增強,成本不斷下降,規模不斷擴大,再得益於國內節能減排政策推行和經濟體量的的迅速擴大,氣凝膠行業駛入了快速發展通道。


氣凝膠的應用領域眾多,從高大上的航天軍工到接地氣的節能建材,從宇航服到冬暖服,在未來5年裏,工業建築領域的節能降耗應該是氣凝膠行業革命的主戰場。