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气凝胶 ：能改变世界的多功能材料******

　　展览会上展出的具有纳米多孔结构的新型材料气凝胶服装

中新社 任海霞摄

　　【走近超材料①】

　　编者按超材料具有常规材料不具备的超常物理性质，是国际上重点关注 的战略前沿领域。我国也高度重视超材料技术的发展 ，国家自然科学基金、新材料重大专项等都对超材料研究予以立项支持 。近年来，越来越多的科研人员对超材料产生兴趣，使超材料的设计开发进入了一个崭新 的天地。据此 ，本版推出“走近超材料”系列报道，展示超材料技术创新发展与产业化应用情况 。

　　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 。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。

　　气凝胶 是一种超材料，它非常轻 ，即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将其压弯 。目前，各种各样 的气凝胶被开发出来 ，它们或柔软或坚硬 ，或导电或绝缘 ，应用领域广泛。1月10日，中铁一局集团有限公司表示 ，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，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 。项目技术负责人汪惺说 ，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 。

　　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。比如“天问一号”探测器发动机与火星车表面 、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶 。在我国提出“双碳”目标后，随着技术 的不断创新，气凝胶 的应用场景也在进一步扩大。

　　具有耐高温、高弹性、强吸附等特性

　　气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料，所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数 ，甚至可以达到99％以上 ，具有高比表面积、高空隙率、纳米级孔洞 、低密度等特殊 的微观结构特点 ，化学性能稳定 、导热系数低 、耐高温 、高弹性、强吸附、防水效果好、使用温度范围广 、寿命长 。

　　“可以把气凝胶理解成多孔海绵 的一个纳米版 。”气凝胶领域技术专家王贝尔说 ，其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米，大于气凝胶孔隙的直径，因此空气在气凝胶上流动效率极低，加上气凝胶本身比热容很高，热辐射传递能降到最低 ，因而具有很好的隔热性能。

　　气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中，无机气凝胶是以无机物为主体，包括单质气凝胶、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等。有机气凝胶则 是以有机物为主体 ，主要包括酚醛气凝胶 、纤维素气凝胶 、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等 。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势 ，实现气凝胶特殊 的功能化。

　　《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”。王贝尔说，气凝胶 是《科学》杂志评选出 的十大新材料中，唯一一个已大规模落地于实际商业场景 的材料。

　　气凝胶 的制备工艺主要分为两步，即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶，再利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。

　　有数据显示 ，在气凝胶行业的成本结构中，制造成本约占45% 。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说 ，降低气凝胶成本是行业正在努力的一个方向 ，目前主要路径之一 是自动化产线的落地，而成本降低将会打开更多 的应用场景。

　　生物质基气凝胶成研究热点

　　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 。

　　数据显示，2021年油气领域对气凝胶的需求占总需求量的56% ，另有18%用于工业隔热 、9%用于建筑建造、8%用于交通运输 。国家新材料产业发展战略咨询委员会在《2022气凝胶行业研究报告》中指出 ，在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料 ，可将电池包高温耐受能力提高至800摄氏度以上 。随着新能源汽车产业等的发展，气凝胶在新能源汽车及储能行业应用场景广泛 ，需求量有望持续提升 。

　　气凝胶发展迅速 。国务院发展研究中心国际技术经济研究所分析员李维科说，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、石墨烯气凝胶 、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶。值得一提的是，生物质原料来源广泛 、成本低廉 、碳源丰富，利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶 是一种经济 、可持续的生产方式，因此目前生物质基气凝胶也成为研究 的热点 。

　　比如中国科学技术大学俞书宏院士团队研发出超弹性纤维素气凝胶，该纤维素气凝胶从室温到零下196摄氏度，都表现出不随温度变化 的超弹性、优异 的抗疲劳性等 ，在恶劣环境中具有巨大的隔热潜力。且制备中所使用 的材料均为生物质原料 ，有望解决能源密集型技术和石化材料造成的环境污染问题 ， 是传统不可再生气凝胶的理想替代品 。

　　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。

　　气凝胶发展驶入“快车道”

　　气凝胶的发展得到国家政策 的持续支持 。2014年和2015年，国家发改委连续两年将气凝胶列入《国家重点节能低碳技术推广目录》 ，开始对气凝胶进行初步推广应用；2018年6月气凝胶被列入建材新兴产业；同年9月，第一个气凝胶方面 的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》发布；2020年，《气凝胶保温隔热涂料系统技术标准》启用 ；2021年 ，《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作 的意见》提出，推动气凝胶等新型材料研发应用。

　　随着气凝胶应用技术不断成熟 ，气凝胶发展进入“快车道”。不过，李维科说 ，目前气凝胶研究仍存在一些问题，比如气凝胶在高温条件下热导率增长较快，与纤维等增强基体材料的黏结性较差；生产过程中会用到许多有机溶剂，容易造成环境污染；气凝胶难以回收利用，不利于可持续发展等 。

　　此外 ，气凝胶生产成本高昂，产品价格昂贵。《2022气凝胶行业研究报告》指出，气凝胶 的生产成本主要集中在原材料硅源 、设备折旧及能耗方面。有效降低成本既依赖于制备工艺 的突破 ，也需要通过低成本原材料 的大规模产业化来实现。

　　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 。李维科说 ，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。（记者 李 禾）