气凝胶的发展和应用

作者：张馨予

2020年，习主席在联合国大会上宣布：“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。党的十九届五中全会《建议》和2021年政府工作报告提出：扎实做好碳达峰、碳中和各项工作，制定2030年前碳排放达峰行动方案。气凝胶作为超级绝热材料，全面绿色低碳发展为气凝胶产业发展带来了前所未有的机遇。在加快推动绿色产业发展的趋势下，气凝胶新技术有望与绿色制造发展相结合，形成更多新产品应用。

什么是气凝胶?

1931年，美国科学家Samuel Stephens Kistler制备出一种新材料，将其命名为“aerogel”，气凝胶，即一种由气体填充的凝胶。凝胶是指一定浓度的高分子溶液或溶胶，在适当条件下，粘度逐渐增大，最后失去流动性，变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体。人们日常生活中的果冻就是应用最广泛的液体凝胶之一。

气凝胶曾被国际期刊《科学》列为世界十大新材料之首，因为气凝胶创造了15项世界纪录：1、最低的导热系数;2、最低密度;3、最宽的密度范围;4、最宽的压缩模量;5、最小的孔径;6、最高的孔洞率;7、最低的声传播速度;8、最高的声阻抗;9、最低的介电常数;10、最低的折射率;11、最宽的折射率范围;12、最低的损耗角正切;13、最低的杨氏模量;14、第一次实现从彗星采集样品;15、最不密集的3D打印结构。

气凝胶的特性

气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三位网络结构，拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率。

气凝胶的多孔性质衍生出了优良的隔热性能和吸附性能。气凝胶可以制作成为保温毡，具有柔软﹑易裁剪﹑密度小、无机防火﹑整体疏水、绿色环保等特性，有望替代玻璃纤维制品、石棉保温毡、硅酸盐纤维制品等不环保、保温性能差的传统柔性保温材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而用气凝胶制作的“碳海绵”的吸收量是250倍左右，最高可达900倍。

气凝胶相比于普通多孔材料有一个重要的特点：其粒子骨架在纳米尺度。因此，当可见光穿过时散射较小，看上去像“冻住的烟”。纳米尺度粒子本身具有的某些性能，以气凝胶的形式存在时，往往会得到增强。比如锂电池的电极材料——二氧化锰(MnO2)，当它以气凝胶的形式存在时，锂电池的放电性能得到了大幅度提高。

气凝胶的特性总结下来就是质量轻、热绝缘和抗压性能强。

气凝胶的研发

美欧日对气凝胶的研究和应用起步较早，在材料研发、规模化生产、多领域应用以及市场开拓方面均处于全球领先。国外气凝胶基础和工程化应用研究机构主要有：美国LLNL实验室、JPL实验室、SNL实验室、加州理工学院、Aspen公司，德国的维尔茨堡大学、Basf公司、Desy公司，法国的蒙特派利尔材料研究中心，瑞典Lund公司，日本高能物理国家实验室，韩国延世大学等。Aspen公司是全球最大的气凝胶生产企业。Cabot公司是第一家在室温下生产气凝胶并使之商业化的公司。

我国气凝胶研发起步虽然比较晚，但是也突破了技术限制。国内主要研究机构有同济大学、国防科技大学、南京工业大学、清华大学、厦门大学、浙江大学、哈尔滨工业大学以及中科院，已形成广东埃力生、浙江纳诺、贵州乌江机电、河北金纳、浙江贝来等行业领先企业。其中，浙江大学的科研团队研制的超轻气凝胶，直接刷新了目前世界上最轻材料的纪录，它被称为“全碳气凝胶”，密度比氦气还低，仅为空气的17%，质量只有每立方厘米1.6毫克。

国内部分气凝胶应用研究方向

节能环保材料 —— 气凝胶的发展和应用

气凝胶的应用领域

气凝胶材料由于其优异的保温隔热性能，应用领域蓬勃发展，处于生命周期的成长期，目前主要应用领域包括：能源设备、交通、建筑材料、服装日化、LNG管道、消费电子、航空航天、国防军工等。

1. 新能源汽车