【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，是國際上重點關注的戰略前沿領域。我國也高度重視超材料技術的發展，國家自然科學基金、新材料重大專項等都對超材料研究予以立項支持。近年來，越來越多的科研人員對超材料產生興趣，使超材料的設計開發進入了一個嶄新的天地。據此，本版推出“走近超材料”系列報道，展示超材料技術創新發展與產業化應用情況。

　　氣凝膠具有高比表面積、高空隙率等特殊的微觀結構特點，化學性能穩定、導熱系數低、耐高溫、使用溫度范圍廣、壽命長。近年來，中國、美國、歐洲等國家和地區的研究人員通過改進氣凝膠制備工藝，開發出生物質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將其壓彎。目前，各種各樣的氣凝膠被開發出來，它們或柔軟或堅硬，或導電或絕緣，應用領域廣泛。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項目全面通過驗收。蒸汽管網對防腐、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。項目技術負責人汪惺說，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域的“隔熱王者”，并已在航天、石化等領域應用。比如“天問一號”探測器發動機與火星車表面、“長征五號”遙四運載火箭發動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，隨著技術的不斷創新，氣凝膠的應用場景也在進一步擴大。

　　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新型材料，所有孔的體積合起來占整個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結構特點，化學性能穩定、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。

　　“可以把氣凝膠理解成多孔海綿的一個納米版?！睔饽z領域技術專家王貝爾說，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。

　　氣凝膠主要分為無機氣凝膠、有機氣凝膠和有機—無機雜化氣凝膠三類。其中，無機氣凝膠是以無機物為主體，包括單質氣凝膠、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—無機雜化氣凝膠可利用有機物和無機物各自優勢，實現氣凝膠特殊的功能化。

　　《科學》雜志2021年將氣凝膠列為十大熱門科學技術之一，并稱其為“可以改變世界的多功能新材料”。王貝爾說，氣凝膠是《科學》雜志評選出的十大新材料中，唯一一個已大規模落地于實際商業場景的材料。

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

　　有數據顯示，在氣凝膠行業的成本結構中，制造成本約占45%。蘇州錦富技術股份有限公司董事長助理鄭松說，降低氣凝膠成本是行業正在努力的一個方向，目前主要路徑之一是自動化產線的落地，而成本降低將會打開更多的應用場景。

　　生物質基氣凝膠成研究熱點

　　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年油氣領域對氣凝膠的需求占總需求量的56%，另有18%用于工業隔熱、9%用于建筑建造、8%用于交通運輸。國家新材料產業發展戰略咨詢委員會在《2022氣凝膠行業研究報告》中指出，在新能源汽車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。隨著新能源汽車產業等的發展，氣凝膠在新能源汽車及儲能行業應用場景廣泛，需求量有望持續提升。

　　氣凝膠發展迅速。國務院發展研究中心國際技術經濟研究所分析員李維科說，近年來，中國、美國、歐洲等國家和地區的研究人員通過改進氣凝膠制備工藝，開發出生物質基氣凝膠、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，生物質原料來源廣泛、成本低廉、碳源豐富，利用生物質原料制備環保型多孔碳纖維氣凝膠是一種經濟、可持續的生產方式，因此目前生物質基氣凝膠也成為研究的熱點。

　　比如中國科學技術大學俞書宏院士團隊研發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、優異的抗疲勞性等，在惡劣環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原料，有望解決能源密集型技術和石化材料造成的環境污染問題，是傳統不可再生氣凝膠的理想替代品。

　　中國林業科學研究院木材工業研究所盧蕓研究員團隊以木材為基質，將無機、有機氣凝膠與木材骨架基體復合，首創了第三代木質纖維素氣凝膠。通過對木材及生物質廢棄物纖維素的調控，將纖維素比表面積提高了7個數量級，對油污吸附能力高達自身質量的75—300倍，體積用量縮減50%—75%，可降解、可再生。

　　氣凝膠發展駛入“快車道”

　　氣凝膠的發展得到國家政策的持續支持。2014年和2015年，國家發改委連續兩年將氣凝膠列入《國家重點節能低碳技術推廣目錄》，開始對氣凝膠進行初步推廣應用；2018年6月氣凝膠被列入建材新興產業；同年9月，第一個氣凝膠方面的國家標準《納米孔氣凝膠復合絕熱制品》發布；2020年，《氣凝膠保溫隔熱涂料系統技術標準》啟用；2021年，《中共中央、國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出，推動氣凝膠等新型材料研發應用。

　　隨著氣凝膠應用技術不斷成熟，氣凝膠發展進入“快車道”。不過，李維科說，目前氣凝膠研究仍存在一些問題，比如氣凝膠在高溫條件下熱導率增長較快，與纖維等增強基體材料的黏結性較差；生產過程中會用到許多有機溶劑，容易造成環境污染；氣凝膠難以回收利用，不利于可持續發展等。

　　此外，氣凝膠生產成本高昂，產品價格昂貴?！?022氣凝膠行業研究報告》指出，氣凝膠的生產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于制備工藝的突破，也需要通過低成本原材料的大規模產業化來實現。

　　氣凝膠是罕見的可以同時滿足防火、防水、隔熱、隔音等多種需求的材料。李維科說，氣凝膠的發展和應用仍然處于不斷探索的過程，未來的研究方向主要集中在開發纖維素氣凝膠、石墨烯氣凝膠、鈣鈦礦結構氣凝膠、非金屬單質氣凝膠等新型氣凝膠上。