氣凝膠:能改變世界的多功能材料

【走近超材料①】

  編者按超材料具有常規材料不具備的超常物理性質(zhì),是國際上重點(diǎn)關(guān)注的戰略前沿領(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(zhuān)項等都對超材料研究予以立項支持。近年來(lái),越來(lái)越多的科研人員對超材料產(chǎn)生興趣,使超材料的設計開(kāi)發(fā)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的天地。據此,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)化應用情況。

  氣凝膠具有高比表面積、高空隙率等特殊的微觀(guān)結構特點(diǎn),化學(xué)性能穩定、導熱系數低、耐高溫、使用溫度范圍廣、壽命長(cháng)。近年來(lái),中國、美國、歐洲等國家和地區的研究人員通過(guò)改進(jìn)氣凝膠制備工藝,開(kāi)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(huì )將其壓彎。目前,各種各樣的氣凝膠被開(kāi)發(fā)出來(lái),它們或柔軟或堅硬,或導電或絕緣,應用領(lǐng)域廣泛。1月10日,中鐵一局集團有限公司表示,河南省新鄉蒸汽管網(wǎng)項目全面通過(guò)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合保溫材料。項目技術(shù)負責人汪惺說(shuō),納米氣凝膠隔熱效果是傳統隔熱材料的2—5倍,可極大提高施工質(zhì)量和施工效率,降低施工成本。

  作為目前已知導熱系數最低、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)域應用。比如“天問(wèn)一號”探測器發(fā)動(dòng)機與火星車(chē)表面、“長(cháng)征五號”遙四運載火箭發(fā)動(dòng)機高溫燃氣系統隔熱、嫦娥四號探測器熱電池防護等都應用了氣凝膠。在我國提出“雙碳”目標后,隨著(zhù)技術(shù)的不斷創(chuàng )新,氣凝膠的應用場(chǎng)景也在進(jìn)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(lái)占整個(gè)氣凝膠體積的絕大多數,甚至可以達到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(guān)結構特點(diǎn),化學(xué)性能穩定、導熱系數低、耐高溫、高彈性、強吸附、防水效果好、使用溫度范圍廣、壽命長(cháng)。

  “可以把氣凝膠理解成多孔海綿的一個(gè)納米版?!睔饽z領(lǐng)域技術(shù)專(zhuān)家王貝爾說(shuō),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(dòng)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(wú)機氣凝膠、有機氣凝膠和有機—無(wú)機雜化氣凝膠三類(lèi)。其中,無(wú)機氣凝膠是以無(wú)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(wú)機雜化氣凝膠可利用有機物和無(wú)機物各自?xún)?yōu)勢,實(shí)現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(mén)科學(xué)技術(shù)之一,并稱(chēng)其為“可以改變世界的多功能新材料”。王貝爾說(shuō),氣凝膠是《科學(xué)》雜志評選出的十大新材料中,唯一一個(gè)已大規模落地于實(shí)際商業(yè)場(chǎng)景的材料。

  氣凝膠的制備工藝主要分為兩步,即通過(guò)溶膠—凝膠過(guò)程制備凝膠,再利用一定的干燥方法將凝膠內的液態(tài)物質(zhì)替換為氣態(tài),從而制得氣凝膠。

  有數據顯示,在氣凝膠行業(yè)的成本結構中,制造成本約占45%。蘇州錦富技術(shù)股份有限公司董事長(cháng)助理鄭松說(shuō),降低氣凝膠成本是行業(yè)正在努力的一個(gè)方向,目前主要路徑之一是自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)的落地,而成本降低將會(huì )打開(kāi)更多的應用場(chǎng)景。

  生物質(zhì)基氣凝膠成研究熱點(diǎn)

  據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用為例,相比于傳統保溫材料,氣凝膠的保溫層厚度可減少2/3,節約能耗40%以上,每公里管道每年可減少二氧化碳排放125噸。

  數據顯示,2021年油氣領(lǐng)域對氣凝膠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)展戰略咨詢(xún)委員會(huì )在《2022氣凝膠行業(yè)研究報告》中指出,在新能源汽車(chē)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(zhù)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)等的發(fā)展,氣凝膠在新能源汽車(chē)及儲能行業(yè)應用場(chǎng)景廣泛,需求量有望持續提升。

  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(shuō),近年來(lái),中國、美國、歐洲等國家和地區的研究人員通過(guò)改進(jìn)氣凝膠制備工藝,開(kāi)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(lái)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(diǎn)。

  比如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)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(wèn)題,是傳統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(wú)機、有機氣凝膠與木材骨架基體復合,首創(chuàng )了第三代木質(zhì)纖維素氣凝膠。通過(guò)對木材及生物質(zhì)廢棄物纖維素的調控,將纖維素比表面積提高了7個(gè)數量級,對油污吸附能力高達自身質(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)展駛入“快車(chē)道”

  氣凝膠的發(fā)展得到國家政策的持續支持。2014年和2015年,國家發(fā)改委連續兩年將氣凝膠列入《國家重點(diǎn)節能低碳技術(shù)推廣目錄》,開(kāi)始對氣凝膠進(jìn)行初步推廣應用;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(gè)氣凝膠方面的國家標準《納米孔氣凝膠復合絕熱制品》發(fā)布;2020年,《氣凝膠保溫隔熱涂料系統技術(shù)標準》啟用;2021年,《中共中央、國務(wù)院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見(jiàn)》提出,推動(dòng)氣凝膠等新型材料研發(fā)應用。

  隨著(zhù)氣凝膠應用技術(shù)不斷成熟,氣凝膠發(fā)展進(jìn)入“快車(chē)道”。不過(guò),李維科說(shuō),目前氣凝膠研究仍存在一些問(wèn)題,比如氣凝膠在高溫條件下熱導率增長(cháng)較快,與纖維等增強基體材料的黏結性較差;生產(chǎn)過(guò)程中會(huì )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,不利于可持續發(fā)展等。

  此外,氣凝膠生產(chǎn)成本高昂,產(chǎn)品價(jià)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、設備折舊及能耗方面。有效降低成本既依賴(lài)于制備工藝的突破,也需要通過(guò)低成本原材料的大規模產(chǎn)業(yè)化來(lái)實(shí)現。

  氣凝膠是罕見(jiàn)的可以同時(shí)滿(mǎn)足防火、防水、隔熱、隔音等多種需求的材料。李維科說(shuō),氣凝膠的發(fā)展和應用仍然處于不斷探索的過(guò)程,未來(lái)的研究方向主要集中在開(kāi)發(fā)纖維素氣凝膠、石墨烯氣凝膠、鈣鈦礦結構氣凝膠、非金屬單質(zhì)氣凝膠等新型氣凝膠上。


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