凝固的蓝烟：极具发展潜力的气凝胶

　　可以承受1300℃高温的火焰，并且至少在20 分钟内不被烧透。日前，中国科学技术大学俞书宏院士团队研制出一种仿木气凝胶。这是一种利用天然生物质和天然矿物为原料、具有优良隔热和耐火性能的纯天然材料仿木气凝胶。相关成果发表于《德国应用化学》（AngewandteChemie International Edition）上。

　　气凝胶是一种低热导性的新型纳米材料，因密度极低，被称为“凝固的蓝烟”。气凝胶具有高比表面积、高空隙率等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、使用温度范围广、寿命长。

　　气凝胶领域近期的研发成果

　　 ● 俞书宏团队开发的耐高温、低能耗且环保的气凝胶

　　研究人员通过表面化学调控方法，实现了在温和条件下活化微米尺度的木屑颗粒表面，从而暴露出纤维素纳米纤维，并成功构建了强韧耐用的仿木气凝胶。这种气凝胶有着与天然木材类似的取向通道结构，可以大大降低气凝胶的热导率，优于现有纤维素基气凝胶材料和各类商用海绵。同时，加入天然粘土纳米片使得这种气凝胶的耐火性能也有了很大的改善，可以承受1300℃高温的火焰，并且至少在20 分钟内不被烧透。

　　研究人员认为，这种全天然仿木气凝胶的隔热和防火性能均优于天然巴沙木和大多数商业海绵，有望成为现有商业隔热材料的理想替代品。

　　此外，其天然的原料来源和低能耗低排放的制备工艺使得这种气凝胶具有良好的生物降解性和可持续性，从而可以减少隔热材料在生产、使用和废弃过程中对环境的负面影响。

　　● 巴斯大学衍生公司推出超轻低碳“气凝胶”绝缘材料

　　不久前，巴斯大学的一组工程师创建了一家新公司，以气凝胶为业务核心，专门生产超轻“气凝胶”，用于航空航天和汽车工业的隔音和隔热材料。

　　该团队已经找到了一种使用石墨烯生产气凝胶的方法，这种气凝胶可以保持其形状和强度，而不会导致凝胶结构崩溃。

　　除了可调节的声学特性，超轻气凝胶还具有其他功能特性，如隔热、防火和电磁干扰屏蔽。声学特性和其他功能特性的结合提供了一种在许多工业领域具有巨大影响的材料。特别是，这种材料满足航空航天领域特定工程应用的功能，为密度极低的材料创造了理想声学性能。

　　该公司表示，通过初步计算，像英国航空公司这样280 架飞机的机队，通过使用其气凝胶材料，能够达到约50% 的材料减重，预计每年可以减少30-90 吨二氧化碳排放。

　　● 木材工业研究所开发的木质纤维素气凝胶

　　中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质，将无机、有机气凝胶与木材骨架基体复合，首创了第三代木质纤维素气凝胶。

　　通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控，将纤维素比表面积提高了7 个数量级，对油污吸附能力高达自身质量的75—300 倍，体积用量缩减50%—75%，可降解、可再生。

　　性能优异的气凝胶材料

　　气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构、并在孔隙中充满气体的固体材料，该结构带来无对流效应、无穷多遮挡板效应、无穷长路径效应。其隔热的原理在于均匀致密的纳米孔及多级分形孔道微结构可以有效阻止空气对流，降低热辐射和热传。

　　1931 年，美国科学工作者基斯特勒（Kistler）和他的朋友打了个赌：两人相约看谁能将凝胶内的液体换成气体，同时不使固体结构发生变化。

　　试想一下，以果冻为例，如果想通过蒸发的方式，将凝胶内的液体与固体分离，必然会造成果冻收缩和结构坍塌。但是神奇的一幕出现了——经历一次又一次实验，基斯特勒最终通过酒精超临界干燥技术解决了这个难题，世界上第一块气凝胶就此诞生。不过，这个时候的气凝胶制备工艺耗时长、难度大，并没有得到广泛应用。

　　直到20 世纪70 年代，科学家以甲醇溶剂作为超临界干燥介质，制备出二氧化硅气凝胶，气凝胶的制备工艺因此大大简化，沉睡了40 多年的气凝胶研究领域开始苏醒。

　　如今，气凝胶已经形成了一个庞大的家族。这个大家族里，主要分为3 部分成员：无机气凝胶、有机气凝胶和有机- 无机杂化气凝胶。

　　近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶等多种新型气凝胶。它们或柔软或坚硬，或导电或绝缘，应用领域广泛。

　　例如，1 月10 日，河南省新乡蒸汽管网项目全面通过验收。蒸汽管网对防腐、保温要求极高，因此，其管道选用了高温离心玻璃棉及纳米气凝胶复合保温材料。项目技术负责人表示，纳米气凝胶隔热效果是传统隔热材料的2—5倍，可极大提高施工质量和施工效率，降低施工成本。

　　据中国石油管道科技研究中心评估，以350 摄氏度蒸汽管道的保温应用为例，相比于传统保温材料，气凝胶的保温层厚度可减少2/3，节约能耗40% 以上，每公里管道每年可减少二氧化碳排放125 吨。

　　作为目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料，气凝胶可谓是材料领域的“隔热王者”，并已在航天、石化等领域应用。《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一，并称其为“可以改变世界的多功能新材料”。

　　新崛起的气凝胶产业

　　气凝胶材料利用通常为气凝胶保温板、毡、垫等复合材料形式。气凝胶材料本身强度低、脆性大，其直接使用受到限制，因此通常将其与有机聚合物、纤维增强材料进行复合，制备得到兼具刚性和柔性的保温材料。

　　常用的复合材料包括玻璃纤维、预氧丝、陶瓷纤维等。在具体使用过程中，还可以将气凝胶复合材料外表包覆膜材料、玻璃布等，避免气凝胶复合材料掉粉、破碎，进一步地保障其完整性以最大化保温功效。

　　气凝胶最初被广泛应用于航空航天、军事工业和石化领域等高端技术领域，美国的“火星探路者”运载火箭和俄罗斯的“和平”号空间站，都采用了硅气凝胶作为隔热保护材料，在“中国空间站”、“神州载人飞船”、“祝融号火星车”、“长征系列火箭”等中国航天领域，气凝胶也得到了应用。

　　除此以外，随着新能源汽车的快速发展，气凝胶在新能源汽车电池方面起到了“防火墙”的作用。

　　此外，在寒冷的冬季，因为气凝胶对电芯有着绝佳的保温效果，所以还能防止电动车因天气过冷而导致电池续航能力降低。

　　气凝胶材料的发展前景

　　根据新思界产业研究中心发布的《2022-2027 年二氧化硅气凝胶行业市场投资空间及企业IPO 上市环境综合评估报告》显示，气凝胶作为新材料之一，与传统材料相比，具有效率高、使用寿命长、轻量化等优势，在新能源汽车、海洋工程、航空航天、国防军事等高科技产业中应用广泛。

　　近年来，全球气凝胶市场需求不断增长，预计到2030 年，全球气凝胶市场规模将突破40.0 亿美元。二氧化硅气凝胶作为气凝胶市场细分产品，具有产业化程度高、技术成熟等优势，占据气凝胶市场近七成的份额。

　　气凝胶是罕见的可以同时满足防火、防水、隔热、隔音等多种需求的材料。气凝胶的发展和应用仍然处于不断探索的过程，未来的研究方向主要集中在开发纤维素气凝胶、石墨烯气凝胶、钙钛矿结构气凝胶、非金属单质气凝胶等新型气凝胶上。

　　随着工艺进步和行业进一步规模化，气凝胶有望逐步替代传统绝热材料，尤其是在工业和设备领域速度加快。行业将整体由导入期向成长期过渡，全产业链有望迎来发展机遇。■