什么是氣凝膠材料?

氣凝膠是一種內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充滿氣體,外表呈現(xiàn)固體狀密度極低的多孔材料,是目前最輕的固體材料。它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般是由相互交聯(lián)的納米顆粒所組成,其中顆粒內(nèi)部的孔隙主要是微孔,顆粒與顆粒之間則大多是 2 nm 上的中孔或大孔。

氣凝膠新材料的原理應(yīng)用和行業(yè)發(fā)展情況
氣凝膠材料

低導(dǎo)熱的氣凝膠

氣凝膠具有低密度(~ 0.16 mg/cm3)、高比表面積(400-1000 m2g-1)、高孔隙率(90%-99.8%)、低熱導(dǎo)率(~ 0.012 Wm-1k-1)、結(jié)構(gòu)可控等諸多優(yōu)異性能,被稱為改變世界的神奇材料,列入 20 世紀 90 年代以來10 大熱門科學(xué)技術(shù)之一,具有巨大的軍民兩用應(yīng)用價值。
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氣凝膠分類

從成分構(gòu)成分類是氣凝膠最普遍的區(qū)分方式,分為單一組分和復(fù)合組分兩大類。 單一組分氣凝膠包括氧化物氣凝膠(二氧化硅和非二氧化硅),有機氣凝膠(樹脂基和纖維基),碳氣凝膠(碳化塑料、碳納米管和石墨烯),硫化物氣凝膠和其他種類的氣凝膠(單一元素、碳化物);復(fù)合組分氣凝膠包括多組分氣凝膠、梯度氣凝膠以及微/納氣凝膠復(fù)合物。其中硅氣凝膠、碳氣凝膠和二氧化硅氣凝膠最常見。

氣凝膠的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性質(zhì)

氣凝膠有良好的隔熱,其主要原理是:氣凝膠中納米級孔洞中的空氣不能自由流動,消除了空氣對流傳熱。氣凝膠中高達 80%以上的成分是空氣,固體成分少,且熱傳導(dǎo)路徑細長,從而大大減輕了固體熱傳導(dǎo)。納米級孔洞的孔徑(大部分為 20-50nm)小于空氣分子自由程(70nm),大大減弱了空氣分子發(fā)生碰撞而形成的熱傳導(dǎo)。存在大量的氣固界面,并添加了特殊的遮光劑,大大阻隔了熱輻射。

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氣凝膠的生產(chǎn)工藝

氣凝膠的性能就是由其結(jié)構(gòu)決定的。因此如何制備結(jié)構(gòu)顯得尤為關(guān)鍵,主要過程有三步。

1、溶液到溶膠過程:納米尺度的膠體粒子通過縮聚和水解反應(yīng)在均勻的前驅(qū)物溶液中形成,或是通過催化劑來催化加速。

2、溶膠到凝膠的過程(凝膠):溶膠粒子之間手拉手連接,分層裝配進一個具有連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的濕凝膠。

3、凝膠到氣凝膠的過程(干燥):這個過程中濕凝膠中的溶劑被空氣所替代,同時不會有嚴重的微結(jié)構(gòu)破壞。

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因此氣凝膠的生產(chǎn)主要有兩個關(guān)鍵技術(shù):溶膠-凝膠技術(shù)和干燥技術(shù),前者主要是為了獲得具有一定空間網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),后者則是將醇凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架中的溶劑去除,得到氣凝膠材料。前者主要有:無機氣凝膠、有機氣凝膠、碳氣凝膠的溶膠-凝膠技術(shù),后者主要有:超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥和常壓干燥技術(shù)。

氣凝膠的性質(zhì)和應(yīng)用

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氣凝膠的主要性能及其應(yīng)用

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建筑隔熱節(jié)能示意圖

由于氣凝膠可以有效阻隔熱的三種傳熱途徑,因此它的隔熱性能特別好。這也是它目前最大的應(yīng)用領(lǐng)域。需要隔熱的領(lǐng)域有很多,比如建筑,工廠等。因為建筑隔熱可以有效避免內(nèi)外熱量傳遞,因此可以節(jié)約能源,降低成本。

除了建筑行業(yè)之外,還有化工廠隔熱也具有很廣闊的應(yīng)用前景。例如常州循天節(jié)能科技將技術(shù)應(yīng)用在海南中航特玻材料有限公司:

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化工廠隔熱的示意圖

建設(shè)規(guī)模: 550t/a 高檔浮法玻璃生產(chǎn)線窯爐節(jié)能保溫工程,采用了合同能源管理模式,于 2013 年 12 月 27 日-2014 年 1 月 14 日組織實施。該項目采用了鈦納硅技術(shù)為核心的組合保溫技術(shù),對窯爐的熔化部大碹、澄清部大碹、蓄熱室大碹、蓄熱室墻體、胸墻、小爐等部位,保溫總面積 871m2,鈦納硅超級絕熱材料使用 2613m2。保溫前單耗 2164kcal/kg 玻璃液,保溫后 2096kcal/kg 玻璃液,節(jié)能率 3.14%;年節(jié)約天然氣 213.2 萬 m ,節(jié)能技改投資額: 310 萬元,年經(jīng)濟效益 426 萬元;年節(jié)約標煤1948t,減排 5182tCO2,投資回收期 10 個月。

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長征五號

2016年11月3日,我國新一代大運力運載火箭“長征五號”在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功首飛。其中,為火箭燃氣管路系統(tǒng)提供隔熱保溫的就是國內(nèi)自主研制的高性能納米氣凝膠隔熱氈。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

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氣凝膠的市場規(guī)模(全球)

根據(jù)中國銀河證券研究部的數(shù)據(jù),2013 年全球氣凝膠市場規(guī)模約 2.2 億美元,估計到 2020 年可達 19 億美元,在 2014-2020年預(yù)測期內(nèi)年復(fù)合增長率高達 36.4%。

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絕熱材料市場和氣凝膠對比

除了看具體的市場規(guī)模,還要看市場前景。從絕熱材料領(lǐng)域看,目前氣凝膠只是絕熱材料中的很小一部分。而以氣凝膠的優(yōu)異性能,只要能實現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)降低生產(chǎn)成本,勢必會占據(jù)更多絕熱材料市場。

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國內(nèi)氣凝膠市場年復(fù)合增長率61%

2014 年國內(nèi)氣凝膠產(chǎn)量大約在 8500 立方米,進口產(chǎn)品大約 1500 立方米,市場規(guī)模為1.82 億元;2015 年是國內(nèi)氣凝膠規(guī)模的突變之年,新增產(chǎn)能達 16000~20000 立方米,實際產(chǎn)量 19600 立方米,進口產(chǎn)品約 1000 立方米,市場規(guī)模約 3.30 億元。隨著氣凝膠工藝成本的降低和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大,一些新興應(yīng)用不斷開發(fā)出來,國內(nèi)氣凝膠市場將日益成熟,預(yù)計到2020 年國內(nèi)市場規(guī)模將達 37 億元,年復(fù)合增長率高達 61%。

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氣凝膠新材料應(yīng)用占比

以上都只是說明氣凝膠市場前途很光明,具體應(yīng)用領(lǐng)域有建筑、石化、交通運輸、電力、冶金等。如果真的有志于此,可以了解這些行業(yè)的節(jié)能減排要求。并且查找相關(guān)的文獻進行深入的研究。

國內(nèi)氣凝膠企業(yè)

國內(nèi)的氣凝膠行業(yè)發(fā)展非常迅速,以下企業(yè)是頭部企業(yè)。若有興趣,可以多關(guān)注他們的動態(tài)。注意這里僅是為有需要的年輕人介紹,并不構(gòu)成投資建議。

如果有志于此,可根據(jù)自己興趣和就業(yè)地選擇一家。我本人的經(jīng)驗是大公司會提供一個很好的平臺,因此建議可以調(diào)查之后選擇一個自己覺得有前途的大企業(yè)。如果對此感興趣又對自己不夠有信心,則可以先入行。

小結(jié)

1、氣凝膠產(chǎn)業(yè)是個朝陽行業(yè),市場潛力很大!目前應(yīng)用集中在隔熱材料,隔熱材料市場潛力。另外,氣凝膠其他應(yīng)用的市場潛力也很大!

2、中國的氣凝膠技術(shù)先進,與美國在世界范圍內(nèi)直接競爭,學(xué)好英語爭做國際化人才。以后中國氣凝膠走出去是大趨勢,建議學(xué)好英語,做好國際化的準備。

3、選擇大企業(yè),平臺好,能學(xué)到更多。希望此文對材料專業(yè)特別是無機非金屬材料的同學(xué)在就業(yè)和擇業(yè)時有所幫助。

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