最近，國外一家公司推出的一款防寒外套引起了公眾關注。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攝氏度的液氮測試中，這件外套內部還能保持約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。事實上，從航天飛機到輪船，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。北京愛彼愛和新材料有限公司董事長田雷告訴科技日報記者，氣凝膠也稱空氣膠、固態(tài)煙霧或是藍煙，是一種納米級別的多孔超級隔熱材料。
通俗來講，氣凝膠是一種物質形態(tài)。2014年世界材料大會提出，這種形態(tài)由90%以上的空氣和不足10%的固體構成。它可以承受相當于自身質量幾千倍的壓力，在溫度達到1200攝氏度時才會熔化。此外它的導熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。由于具備這些特性，氣凝膠便成為航天探測中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進行絕緣。除航天外，氣凝膠還可廣泛應用于軍工、石化、電力、冶金、建筑、服裝等眾多領域是傳統(tǒng)保溫材料的革命性替代產品。
由德國資助成立的同濟大學波耳固體物理研究所副所長沈軍是國內最早研究氣凝膠的學者之一。他告訴科技日報記者，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構。
“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擠出去就是豆干，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擠出去，但體積又不能縮小，要補充氣體進去，所以比較難?！鄙蜍娬f。
只要是讓凝膠中的液體被氣體取代，同時凝膠的網(wǎng)絡結構基本保留不變，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， 1931年，美國斯坦福大學Kistler通過水解水玻璃首次制備得到氣凝膠。但由于工藝復雜及成本太高，氣凝膠在問世后并沒有引起足夠重視。上世紀80年代，歐洲的一些物理學家開始注意到這種新材料并開始研究。1985年，德國維爾茨堡大學物理所組織召開首屆“氣凝膠國際研討會”。到上世紀90年代初，美國人又重新進入氣凝膠的研究。1993年，氣凝膠被應用到宇航服、太空飛船、航天飛機等。
由德國資助成立的同濟大學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。由于與德國關系緊密，該實驗室得以迅速獲得氣凝膠制備技術?！拔覀冊诙虝r間內迅速達到了國際先進水平。”沈軍說。
彼時的小范圍應用主要集中在核物理領域。沈軍說，到2000年左右，由于居高不下的成本及大規(guī)模工業(yè)化生產難以取得技術突破，氣凝膠始終沒有作為一個產業(yè)發(fā)展起來。近幾年，由于能源需求緊張、全球生態(tài)環(huán)境惡化等原因，學界和業(yè)界又開始攻關氣凝膠的產業(yè)化。
“直到2013年左右，這個產業(yè)才算發(fā)展起來，目前比較領先的是美國和中國?！鄙蜍娬f。美國氣凝膠主要應用于航天、石油化工等領域，同時逐步進入消費品市場。我國的氣凝膠現(xiàn)在主要用于高鐵、油田等行業(yè)。
Allied市場研究公司2014年6月發(fā)布的報告稱，全球氣凝膠的市場價值在2013年2.218億美元，估計到2020年可達18.966億美元，在預測期內（從2014—2020）的年復合增長率為36.4%。隨著氣凝膠材料在新的應用領域探索的持續(xù)進步，市場預計，隨著時間的推移市場增長的動力會進一步增強。
另一研究報告稱，2010年，全球絕熱材料市場估計規(guī)模為321億美元，未來年增長率為 6.3%，到2019年可達556億美元。其中工業(yè)和設備領域約占總份額三分之一，建筑領域占總分額的三分之二。
氣凝膠材料占據(jù)了整個絕熱材料市場金字塔模型的塔尖部分，目前在整個絕熱材料市場中的規(guī)模幾乎是微不足道的，這一方面說明氣凝膠產業(yè)仍然處于早期起步階段，同時又預示著其未來巨大的發(fā)展空間。
行業(yè)標準正在制定中
“此前制約氣凝膠市場拓展的最大障礙是高昂的價格，一旦氣凝膠材料的生產成本得以顯著下降，市場規(guī)模就會急劇擴大，產品銷量也會迅速擴大，并將革命性地替代傳統(tǒng)絕熱材料?！睈郾藧酆透笨偨?jīng)理董海兵告訴科技日報記者。
愛彼愛和在過去近10年時間里，致力于改進氣凝膠的制備工藝，降低成本，使其可大規(guī)模工業(yè)化生產且產品質量穩(wěn)定、成本大幅降低，使氣凝膠成為普通工業(yè)和民用領域用得起的“超級絕熱材料”。
該公司做的實驗顯示，在1000多攝氏度的高溫噴槍加熱下，傳統(tǒng)有機類保溫材料幾秒內迅速燃燒殆盡，同樣厚度的傳統(tǒng)無機保溫材料也在不到1分鐘的時間內被燒穿，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，在達到相同保溫效果下，氣凝膠只需要傳統(tǒng)無機材料的1/3—1/4厚度。
“雖然氣凝膠產品單價比傳統(tǒng)保溫材料高，但綜合考慮使用壽命、施工費用等，使用氣凝膠的成本更低?！倍１f。
沈軍則透露，他的團隊在剛結題的科技支撐項目中，研究了硅氣凝膠在建筑節(jié)能領域的應用，包括產品標注、施工規(guī)范等等?！皻饽z在該領域應該會很快推廣?！?/p>
此外，在交通運輸、熱網(wǎng)管道建設、石油石化等行業(yè)，氣凝膠的應用也越來越廣泛。“電動汽車的安全隱患主要來自鋰電池內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，可用于制造可重復使用的口罩、空氣凈化濾芯等?！倍１鴪孕牛瑲饽z將成為一個大產業(yè)。
董海兵希望國家能出臺相關政策和標準，推動這個剛剛興起的產業(yè)規(guī)范發(fā)展。對此，沈軍表示：“目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)一些假的氣凝膠了，規(guī)范和標準確實亟須落實。南京玻璃纖維研究設計院目前正在制定相關標準，包括產品標準、施工規(guī)范等等，今年底應該能出臺。”
