最近，國(guó)外一家公司推出的一款防寒外套引起了公眾關(guān)注。這款僅3mm厚的防寒外套具有和40mm鴨絨外套相同的保溫效果。在約零下196攝氏度的液氮測(cè)試中，這件外套內(nèi)部還能保持約31.6攝氏度的溫度，足以證明其有效的恒溫性能。
這款外套之所以如此神奇，秘密在于它采用了全新的氣凝膠材料。事實(shí)上，從航天飛機(jī)到輪船，從羽毛球拍到登山鞋，氣凝膠這種被稱之為“改變世界的神奇材料”離我們的生活越來(lái)越近。
世界上已知最輕固體
如果做到極致，氣凝膠這種固體甚至能飄在空氣中；正面經(jīng)受1000多攝氏度的火焰噴射，背面依然可以用手摸……這就是神奇的氣凝膠。北京愛(ài)彼愛(ài)和新材料有限公司董事長(zhǎng)田雷告訴科技日?qǐng)?bào)記者，氣凝膠也稱空氣膠、固態(tài)煙霧或是藍(lán)煙，是一種納米級(jí)別的多孔超級(jí)隔熱材料。
通俗來(lái)講，氣凝膠是一種物質(zhì)形態(tài)。2014年世界材料大會(huì)提出，這種形態(tài)由90%以上的空氣和不足10%的固體構(gòu)成。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，在溫度達(dá)到1200攝氏度時(shí)才會(huì)熔化。此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強(qiáng)39倍。由于具備這些特性，氣凝膠便成為航天探測(cè)中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”探測(cè)器都用它來(lái)進(jìn)行絕緣。除航天外，氣凝膠還可廣泛應(yīng)用于軍工、石化、電力、冶金、建筑、服裝等眾多領(lǐng)域是傳統(tǒng)保溫材料的革命性替代產(chǎn)品。
由德國(guó)資助成立的同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所副所長(zhǎng)沈軍是國(guó)內(nèi)最早研究氣凝膠的學(xué)者之一。他告訴科技日?qǐng)?bào)記者，氣凝膠之所以具有這樣的秉性，主要由于其特殊的納米多孔結(jié)構(gòu)。
“做豆腐的程序大家都熟悉，我們首先要用原料做成豆?jié){，然后凝固變成豆腐，如果將豆腐里面的水分?jǐn)D出去就是豆干，變成豆干后體積大幅減小，氣凝膠的制備類似于要將豆腐里的水分?jǐn)D出去，但體積又不能縮小，要補(bǔ)充氣體進(jìn)去，所以比較難?！鄙蜍娬f(shuō)。
只要是讓凝膠中的液體被氣體取代，同時(shí)凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變，得到的材料都成為氣凝膠。氣凝膠的種類有很多、有硅系、碳系、硫系、金屬氧化系列等等。
沈軍介紹說(shuō)， 1931年，美國(guó)斯坦福大學(xué)Kistler通過(guò)水解水玻璃首次制備得到氣凝膠。但由于工藝復(fù)雜及成本太高，氣凝膠在問(wèn)世后并沒(méi)有引起足夠重視。上世紀(jì)80年代，歐洲的一些物理學(xué)家開(kāi)始注意到這種新材料并開(kāi)始研究。1985年，德國(guó)維爾茨堡大學(xué)物理所組織召開(kāi)首屆“氣凝膠國(guó)際研討會(huì)”。到上世紀(jì)90年代初，美國(guó)人又重新進(jìn)入氣凝膠的研究。1993年，氣凝膠被應(yīng)用到宇航服、太空飛船、航天飛機(jī)等。
由德國(guó)資助成立的同濟(jì)大學(xué)波爾固體物理研究所早在1991年就將氣凝膠確定為研究方向之一。由于與德國(guó)關(guān)系緊密，該實(shí)驗(yàn)室得以迅速獲得氣凝膠制備技術(shù)?！拔覀?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平?！鄙蜍娬f(shuō)。
彼時(shí)的小范圍應(yīng)用主要集中在核物理領(lǐng)域。沈軍說(shuō)，到2000年左右，由于居高不下的成本及大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)難以取得技術(shù)突破，氣凝膠始終沒(méi)有作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來(lái)。近幾年，由于能源需求緊張、全球生態(tài)環(huán)境惡化等原因，學(xué)界和業(yè)界又開(kāi)始攻關(guān)氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化。
“直到2013年左右，這個(gè)產(chǎn)業(yè)才算發(fā)展起來(lái)，目前比較領(lǐng)先的是美國(guó)和中國(guó)。”沈軍說(shuō)。美國(guó)氣凝膠主要應(yīng)用于航天、石油化工等領(lǐng)域，同時(shí)逐步進(jìn)入消費(fèi)品市場(chǎng)。我國(guó)的氣凝膠現(xiàn)在主要用于高鐵、油田等行業(yè)。
Allied市場(chǎng)研究公司2014年6月發(fā)布的報(bào)告稱，全球氣凝膠的市場(chǎng)價(jià)值在2013年2.218億美元，估計(jì)到2020年可達(dá)18.966億美元，在預(yù)測(cè)期內(nèi)（從2014—2020）的年復(fù)合增長(zhǎng)率為36.4%。隨著氣凝膠材料在新的應(yīng)用領(lǐng)域探索的持續(xù)進(jìn)步，市場(chǎng)預(yù)計(jì)，隨著時(shí)間的推移市場(chǎng)增長(zhǎng)的動(dòng)力會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。
另一研究報(bào)告稱，2010年，全球絕熱材料市場(chǎng)估計(jì)規(guī)模為321億美元，未來(lái)年增長(zhǎng)率為 6.3%，到2019年可達(dá)556億美元。其中工業(yè)和設(shè)備領(lǐng)域約占總份額三分之一，建筑領(lǐng)域占總分額的三分之二。
氣凝膠材料占據(jù)了整個(gè)絕熱材料市場(chǎng)金字塔模型的塔尖部分，目前在整個(gè)絕熱材料市場(chǎng)中的規(guī)模幾乎是微不足道的，這一方面說(shuō)明氣凝膠產(chǎn)業(yè)仍然處于早期起步階段，同時(shí)又預(yù)示著其未來(lái)巨大的發(fā)展空間。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在制定中
“此前制約氣凝膠市場(chǎng)拓展的最大障礙是高昂的價(jià)格，一旦氣凝膠材料的生產(chǎn)成本得以顯著下降，市場(chǎng)規(guī)模就會(huì)急劇擴(kuò)大，產(chǎn)品銷量也會(huì)迅速擴(kuò)大，并將革命性地替代傳統(tǒng)絕熱材料?！睈?ài)彼愛(ài)和副總經(jīng)理董海兵告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
愛(ài)彼愛(ài)和在過(guò)去近10年時(shí)間里，致力于改進(jìn)氣凝膠的制備工藝，降低成本，使其可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、成本大幅降低，使氣凝膠成為普通工業(yè)和民用領(lǐng)域用得起的“超級(jí)絕熱材料”。
該公司做的實(shí)驗(yàn)顯示，在1000多攝氏度的高溫噴槍加熱下，傳統(tǒng)有機(jī)類保溫材料幾秒內(nèi)迅速燃燒殆盡，同樣厚度的傳統(tǒng)無(wú)機(jī)保溫材料也在不到1分鐘的時(shí)間內(nèi)被燒穿，但該公司的氣凝膠板材則在40分鐘后才被擊穿。除了較好的防火性，在達(dá)到相同保溫效果下，氣凝膠只需要傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料的1/3—1/4厚度。
“雖然氣凝膠產(chǎn)品單價(jià)比傳統(tǒng)保溫材料高，但綜合考慮使用壽命、施工費(fèi)用等，使用氣凝膠的成本更低?！倍１f(shuō)。
沈軍則透露，他的團(tuán)隊(duì)在剛結(jié)題的科技支撐項(xiàng)目中，研究了硅氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用，包括產(chǎn)品標(biāo)注、施工規(guī)范等等?！皻饽z在該領(lǐng)域應(yīng)該會(huì)很快推廣?！?/p>
此外，在交通運(yùn)輸、熱網(wǎng)管道建設(shè)、石油石化等行業(yè)，氣凝膠的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛?！半妱?dòng)汽車的安全隱患主要來(lái)自鋰電池內(nèi)電解液的燃燒甚至爆炸，如果讓電池穿上氣凝膠衣服，安全系數(shù)會(huì)極大提高；氧化鈦氣凝膠可以隔絕紅外線、紫外線，分解甲醛，可用于制造可重復(fù)使用的口罩、空氣凈化濾芯等?！倍１鴪?jiān)信，氣凝膠將成為一個(gè)大產(chǎn)業(yè)。
董海兵希望國(guó)家能出臺(tái)相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)這個(gè)剛剛興起的產(chǎn)業(yè)規(guī)范發(fā)展。對(duì)此，沈軍表示：“目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)一些假的氣凝膠了，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)亟須落實(shí)。南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院目前正在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、施工規(guī)范等等，今年底應(yīng)該能出臺(tái)。”
