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气凝胶:已知最轻固体将带来怎样的未来

时间:2017/6/30 9:32:34   作者:操秀英   来源:网络转载 中国科技网-科技日报   浏览:300   评论:0
 
气凝胶:已知最轻固体将带来怎样的未来

 

 气凝胶:已知最轻固体将带来怎样的未来

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气凝胶:已知最轻固体将带来怎样的未来
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 ①用气凝胶材料制成的夹克  ②气凝胶材料轻且透明  ③气凝胶毡管道保温施工
 

    最近,国外一家公司推出的一款防寒外套引起了公众关注。这款仅3mm厚的防寒外套具有和40mm鸭绒外套相同的保温效果。在约零下196摄氏度的液氮测试中,这件外套内部还能保持约31.6摄氏度的温度,足以证明其有效的恒温性能。

    这款外套之所以如此神奇,秘密在于它采用了全新的气凝胶材料。事实上,从航天飞机到轮船,从羽毛球拍到登山鞋,气凝胶这种被称之为“改变世界的神奇材料”离我们的生活越来越近。

    世界上已知最轻固体

    如果做到极致,气凝胶这种固体甚至能飘在空气中;正面经受1000多摄氏度的火焰喷射,背面依然可以用手摸……这就是神奇的气凝胶。北京爱彼爱和新材料有限公司董事长田雷告诉科技日报记者,气凝胶也称空气胶、固态烟雾或是蓝烟,是一种纳米级别的多孔超级隔热材料。

    通俗来讲,气凝胶是一种物质形态。2014年世界材料大会提出,这种形态由90%以上的空气和不足10%的固体构成。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力,在温度达到1200摄氏度时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低,绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。由于具备这些特性,气凝胶便成为航天探测中不可替代的材料,俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器都用它来进行绝缘。除航天外,气凝胶还可广泛应用于军工、石化、电力、冶金、建筑、服装等众多领域是传统保温材料的革命性替代产品。

    由德国资助成立的同济大学波耳固体物理研究所副所长沈军是国内最早研究气凝胶的学者之一。他告诉科技日报记者,气凝胶之所以具有这样的秉性,主要由于其特殊的纳米多孔结构。

    “做豆腐的程序大家都熟悉,我们首先要用原料做成豆浆,然后凝固变成豆腐,如果将豆腐里面的水分挤出去就是豆干,变成豆干后体积大幅减小,气凝胶的制备类似于要将豆腐里的水分挤出去,但体积又不能缩小,要补充气体进去,所以比较难。”沈军说。

    只要是让凝胶中的液体被气体取代,同时凝胶的网络结构基本保留不变,得到的材料都成为气凝胶。气凝胶的种类有很多、有硅系、碳系、硫系、金属氧化系列等等。

    处于绝热材料市场金字塔塔尖

    沈军介绍说, 1931年,美国斯坦福大学Kistler通过水解水玻璃首次制备得到气凝胶。但由于工艺复杂及成本太高,气凝胶在问世后并没有引起足够重视。上世纪80年代,欧洲的一些物理学家开始注意到这种新材料并开始研究。1985年,德国维尔茨堡大学物理所组织召开首届“气凝胶国际研讨会”。到上世纪90年代初,美国人又重新进入气凝胶的研究。1993年,气凝胶被应用到宇航服、太空飞船、航天飞机等。

    由德国资助成立的同济大学波尔固体物理研究所早在1991年就将气凝胶确定为研究方向之一。由于与德国关系紧密,该实验室得以迅速获得气凝胶制备技术。“我们在短时间内迅速达到了国际先进水平。”沈军说。

    彼时的小范围应用主要集中在核物理领域。沈军说,到2000年左右,由于居高不下的成本及大规模工业化生产难以取得技术突破,气凝胶始终没有作为一个产业发展起来。近几年,由于能源需求紧张、全球生态环境恶化等原因,学界和业界又开始攻关气凝胶的产业化。

    “直到2013年左右,这个产业才算发展起来,目前比较领先的是美国和中国。”沈军说。美国气凝胶主要应用于航天、石油化工等领域,同时逐步进入消费品市场。我国的气凝胶现在主要用于高铁、油田等行业。

    Allied市场研究公司2014年6月发布的报告称,全球气凝胶的市场价值在2013年2.218亿美元,估计到2020年可达18.966亿美元,在预测期内(从2014—2020)的年复合增长率为36.4%。随着气凝胶材料在新的应用领域探索的持续进步,市场预计,随着时间的推移市场增长的动力会进一步增强。

    另一研究报告称,2010年,全球绝热材料市场估计规模为321亿美元,未来年增长率为 6.3%,到2019年可达556亿美元。其中工业和设备领域约占总份额三分之一,建筑领域占总分额的三分之二。

    气凝胶材料占据了整个绝热材料市场金字塔模型的塔尖部分,目前在整个绝热材料市场中的规模几乎是微不足道的,这一方面说明气凝胶产业仍然处于早期起步阶段,同时又预示着其未来巨大的发展空间。

    行业标准正在制定中

    “此前制约气凝胶市场拓展的最大障碍是高昂的价格,一旦气凝胶材料的生产成本得以显著下降,市场规模就会急剧扩大,产品销量也会迅速扩大,并将革命性地替代传统绝热材料。”爱彼爱和副总经理董海兵告诉科技日报记者。

    爱彼爱和在过去近10年时间里,致力于改进气凝胶的制备工艺,降低成本,使其可大规模工业化生产且产品质量稳定、成本大幅降低,使气凝胶成为普通工业和民用领域用得起的“超级绝热材料”。

    该公司做的实验显示,在1000多摄氏度的高温喷枪加热下,传统有机类保温材料几秒内迅速燃烧殆尽,同样厚度的传统无机保温材料也在不到1分钟的时间内被烧穿,但该公司的气凝胶板材则在40分钟后才被击穿。除了较好的防火性,在达到相同保温效果下,气凝胶只需要传统无机材料的1/3—1/4厚度。

    “虽然气凝胶产品单价比传统保温材料高,但综合考虑使用寿命、施工费用等,使用气凝胶的成本更低。”董海兵说。

    沈军则透露,他的团队在刚结题的科技支撑项目中,研究了硅气凝胶在建筑节能领域的应用,包括产品标注、施工规范等等。“气凝胶在该领域应该会很快推广。”

    此外,在交通运输、热网管道建设、石油石化等行业,气凝胶的应用也越来越广泛。“电动汽车的安全隐患主要来自锂电池内电解液的燃烧甚至爆炸,如果让电池穿上气凝胶衣服,安全系数会极大提高;氧化钛气凝胶可以隔绝红外线、紫外线,分解甲醛,可用于制造可重复使用的口罩、空气净化滤芯等。”董海兵坚信,气凝胶将成为一个大产业。

    董海兵希望国家能出台相关政策和标准,推动这个刚刚兴起的产业规范发展。对此,沈军表示:“目前市场上已经出现一些假的气凝胶了,规范和标准确实亟须落实。南京玻璃纤维研究设计院目前正在制定相关标准,包括产品标准、施工规范等等,今年底应该能出台。”

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