1 何為氣凝膠？

“氣凝膠”（aerogel）這個(gè)詞是怎么來的？通常的解釋是：aerogel是個(gè)組合詞，aero表示飛行的，gel則是凝膠的意思，組合起來的字面意思即為“可以飛行的凝膠”。任何物質(zhì)的gel，只要經(jīng)特殊工藝干燥除去內(nèi)部溶劑，又可基本保持其形狀不變，且產(chǎn)物高孔隙率、低密度，就可以漂浮于空氣中，稱之為氣凝膠（aerogel）。

氣凝膠是世界上密度最小、孔徑為納米量級的固體，主要有硅系、碳系、硫系、金屬氧化物系、金屬系等。最早由美國科學(xué)工作者Kistler在1931年制得，近些年才開始利用超臨界技術(shù)小規(guī)模生產(chǎn)。

氣凝膠是一種由膠體粒子或高聚物分子相互聚結(jié)構(gòu)成的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散非晶固態(tài)材料。氣凝膠在微觀上具有納米尺度的均勻性,其孔洞率高達(dá)80%-99.8%，孔洞尺寸為1～100nm，比表面積高達(dá)200～1000m2/g，密度可達(dá)3～600kg/m3。

氣凝膠是一種三維納米網(wǎng)絡(luò)多孔材料，內(nèi)部99.8%都是氣體。將SiO?氣凝膠放在暗色面前會(huì)呈現(xiàn)藍(lán)色，放在淺色面前幾乎消失不見，它雖然不像玻璃那么透明，卻比玻璃更隱形、更難看見。

2 氣凝膠特點(diǎn)

1）優(yōu)異的保溫隔熱性   

氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)0.012~0.024W/(m·K)，比傳統(tǒng)的隔熱材料低2~3 個(gè)數(shù)量級，其隔熱的原理在于均勻致密的納米孔及多級分形孔道微結(jié)構(gòu)可以有效阻止空氣對流，降低熱輻射和熱傳導(dǎo)：（1）無對流效應(yīng)：氣凝膠氣孔為納米級，內(nèi)部空氣失去自由流動(dòng)能力；（2）無窮多遮擋板效應(yīng)：納米級氣孔，氣孔壁無窮多，輻射傳熱降至最低；（3）無窮長路徑效應(yīng)：熱傳導(dǎo)沿著氣孔壁進(jìn)行，而納米級氣孔壁無限長。

2）相同的保溫效果，材料耗量最低

SiO?氣凝膠絕熱氈的保溫性能是傳統(tǒng)材料的2-8倍。以管道為例，直徑為150mm的管道如果需要達(dá)到相同的保溫效果，對應(yīng)使用的保溫材料膨脹珍珠巖、硅酸鈣、巖棉、氣凝膠氈的厚度分別為 90mm、76mm、64mm、20mm。

3）使用壽命長

氣凝膠使用壽命約為傳統(tǒng)保溫材料的4倍左右。傳統(tǒng)保溫材料如巖棉、聚氨酯等在長期使用過程中易吸水，吸水后由于重力作用導(dǎo)致保溫材料分布不均勻，從而影響保溫效果和使用壽命。氣凝膠憎水率達(dá)99%以上，長期使用過程中仍能保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和隔熱效果。

4）強(qiáng)度低、韌性差

氣凝膠存在強(qiáng)度低、韌性差等缺點(diǎn)，因此需要通過添加顆粒、纖維等增強(qiáng)體提高強(qiáng)度和韌性，也可通過添加炭黑、陶瓷纖維等遮光劑提高遮擋輻射能力。因此氣凝膠制品通常是由氣凝膠材料與基材復(fù)合制得。根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)可以分為氣凝膠氈、氣凝膠紙、氣凝膠布、氣凝膠板材、氣凝膠粉末、氣凝膠漿料、氣凝膠涂料等。

4   氣凝膠的應(yīng)用

1）航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

與傳統(tǒng)絕熱材料相比，氣凝膠超級絕熱材料可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達(dá)到等效的隔熱效果。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱材料使用氣凝膠既能起到極好的隔熱作用，又減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)重量。

2）工業(yè)保溫領(lǐng)域應(yīng)用

工業(yè)保溫領(lǐng)域，有些特殊的部位和環(huán)境，受重量、體積和空間的限制，氣凝膠超級絕熱材料可發(fā)揮關(guān)鍵作用。而且氣凝膠的耐高溫防火特性，在化工領(lǐng)域設(shè)備的保溫上應(yīng)用更加適合。

3）建筑領(lǐng)域應(yīng)用

氣凝膠及其復(fù)合材料包括氣凝膠氈/板、氣凝膠保溫砂漿、氣凝膠陽光板，氣凝膠隔熱涂料等，可以起到卓越的節(jié)能效果。

4）交通領(lǐng)域應(yīng)用

氣凝膠在交通領(lǐng)域主要應(yīng)用在汽車防火隔熱保溫降噪層、大容量電池組防火防水保溫盒，危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車、液化天然氣運(yùn)輸船等特種運(yùn)輸工具的保溫防火層，高鐵和地鐵車體保溫隔熱降噪防火層等。

5）環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用

氣凝膠因其極大的比表面積及其特殊的納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有很好的吸附性能，是活性炭吸附能力的6倍，可廣泛應(yīng)用于廢水處理、水體凈化和油污吸附以及VOCs氣體吸附，且綠色環(huán)保。

6）其他方面應(yīng)用

氣凝膠優(yōu)異的隔熱性能，可作為鞋墊、運(yùn)動(dòng)鞋、服裝的填充層，在較低溫度下進(jìn)行保溫。高端化妝品行業(yè)、體育用品行業(yè)也將氣凝膠應(yīng)用于產(chǎn)品中。

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5   結(jié)語

現(xiàn)階段氣凝膠及其復(fù)合材料的價(jià)格較貴，氣凝膠氈的價(jià)格接近200元/m2，在建筑節(jié)能市場滲透率很低。根據(jù)2020年國內(nèi)氣凝膠行業(yè)15.9億元的產(chǎn)值及建筑建造行業(yè)約占7%的需求來推算，2020年建筑建材用氣凝膠的銷售額約在1億左右。根據(jù)對建筑外墻保溫材料的測算，2020年氣凝膠在建筑保溫材料的滲透率僅為0.02%，假設(shè)2025年氣凝膠滲透率提升至0.12%，那么到2025年國內(nèi)建筑外墻保溫市場對氣凝膠的需求量為13.7萬m3。隨著人們對氣凝膠的認(rèn)知，氣凝膠技術(shù)成熟度的提升，它的應(yīng)用市場會(huì)越來越大。