在20世纪30年代被发明至今,气凝胶已经创下了15项目“吉尼斯世界记录、”凭借极轻、隔热、最低介电常数等硬实力被誉为“改变世界的十大神奇材料”之一。气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构, 并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。气凝胶是世界上最轻的固体,也称为“固体烟”。在三十年代初斯坦福大学Samuel S.Kistler就已经通过水解水玻璃的方法制得了SiO2气凝胶。
根据气凝胶的骨架组成物质将其分为三类:无机气凝胶,主要类型有硅气凝胶和金属氧化物气凝胶;有机气凝胶,该类型使用的前躯体多为间苯二酚-甲醛;碳气凝胶,在惰性气氛和高温的条件下,碳化有机气凝胶只保留碳骨架结构。气凝胶复合材料简单易懂来说是气凝胶+复合结构材料通过工艺变成气凝胶复合材料。
1.2 气凝胶的特点
(1) 惊人的表面积(2)高的比强度(3)具有极低的导热系数(4)孔隙率高
二氧化硅气凝胶是迄今为止保温性能最好的材料。热的传递有三种方式:热对流、热传导、热辐射。最好的保温绝热材料需要是木桶型的。尽管空气的热导率很低,但是我们能在一定距离内感受到空调、火炉的温度,是因为空气热传导和热辐射的存在。而气凝胶凭借极低的体积密度及纳米网格结构的弯曲路径阻止了气态和固态热传导的同时,由于其孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程,气凝胶空隙中的空气分子近似静止,从而空气的对流传热得到限制,趋于“无穷多”的空隙壁使热辐射降至最低。气凝胶完美对抗了三种热的传递方式,导热系数甚至达到 0.013W/m.K 以下,比常温下静态空气 0.025 W/m.K 还低,因此是迄今为止最完美的隔热材料。
1.1 “无穷长路径”效应
几乎无穷多的纳米孔让热流在固体中传递时只能沿着气孔壁传递,近于无穷多的气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应,使得固体热传导的能力下降到接近最低极限。
1.2 “零对流”效应
当气凝胶材料中的气孔直径小于 70nm 时,气孔内的空气分子就失去了自由流动的能力,相对地附着在气孔壁上,这时材料处于近似真空状态。
1.3 “无穷多遮热板”效应
材料内部气孔壁数日趋于“无穷多”,对于每一个气孔壁来说都具有遮热板的作用,从而使辐射传热下降到近乎最低极限。另外在 400℃以上使用时,需要加入遮光剂来增强气凝胶对高温红外线辐射的抵抗。
气凝胶性质优异,应用已经遍布于石化、军工、航天、电池、环保、建筑、交通等各个领域。气凝胶对这些领域中的原始材料有明显优势,因此替代空间巨大。
1.1石化领域
在石化领域,气凝胶凭借极佳的隔热保温性能可以作为外保温材料,如蒸馏塔、反应管道、储罐、泵、阀门、天然气和 LNG 液化气管道、深海管道等等。在高温蒸汽、导热油或流体介质管线外包裹气凝胶,一方面减少了管道暴露损失热量,另一方面这些区域往往受到重量、空间的限制,需要保温材料轻量又轻薄,气凝胶是唯一完美契合的材料。同时,在海上漏油事故处理中,气凝胶质量轻、吸附能力极强,也得到认可。
1.2 环保领域
在环保领域,纤维素气凝胶可作为吸附剂从水中吸附油和其他有毒有机物,被广泛地应用于吸附脱除染料废水。此外,生物质碳气凝胶可以去除水中的多种重金属离子。
1.3 建筑领域
在建筑领域,房屋门窗、墙壁的隔热保温正越来越被重视。现有的保温材料或隔热能力不够理想,或达到理想效果厚度太厚、太重,也有一些隔热能力较好的材料但阻燃能力不佳,容易引发房屋火灾。而气凝胶既可以作为现有保温材料的升级替代,同时兼顾防火、隔声等功能,有望颠覆建筑保温材料现有格局。
1.4军工领域
在军工领域,气凝胶的性能得到了充分验证。在军车上覆盖 6 毫米的防弹型气凝胶就能够承受炸药带来的破坏力。东风-17 以气凝胶隔热材料作为外衣,使得东风-17 在极快加速度的同时不被空气摩擦所产生的高温给破坏,而且气凝胶材料良好的透波性能不会阻挡东风-17 内部的制导装置。另外,气凝胶可以作为飞机、舰船/艇、坦克、导弹等的外层材料,起到防辐射、吸收红外线和漫反射波实现隐形功能,屏蔽自身电子信号实现反侦察的功能。在水下探测中气凝胶的低声速和高孔隙超轻质特性使之成为比较理想的超声探测器的声阻耦合材料和最佳水声反声材料。当然,气凝胶也用于军用保温帐篷等领域。
1.5航空航天领域
在航天领域,对材料的绝热、轻量、抗压能力要求最为严苛。俄罗斯“和平”号空间站、美国“火星探路者”探测器和“火星漫步者”探测车、我国“长征五号”运载火箭和“祝融号”火星车都曾使用气凝胶材料进行绝热保温材料,“星辰号”飞船用来收集彗星尘也使用了气凝胶做的采集“手套”。
在电池领域,目前锂离子动力电池组热失控事故时有发生,阻止热失控电芯向电池其他系统传热是主要解决思路。气凝胶毡具有防火、隔热、阻燃的特性,而且质感柔软、易于加工,是非常理想的预防材料;另外在热电池应用领域,气凝胶作为热电池保温筒的隔热材料能够解决多领域对热电池的高性能、长寿命的要求。目前新开发的气凝胶玻纤毡能够将电池包高温耐受能力提高至 800℃以上,大大提高电池的耐热性。
四、行业分析
1.1 气凝胶供需两旺,处于高速成长期
1.2 政策支持,下游空间广阔
1.3国内企业积极扩产,一体化布局更具优势