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节能环保材料气凝胶的发展和应用

导语:


2020年,习主席在联合国大会上宣布:“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。党的十九届五中全会《建议》和2021年政府工作报告提出:扎实做好碳达峰、碳中和各项工作,制定2030年前碳排放达峰行动方案。气凝胶作为超级绝热材料,全面绿色低碳发展为气凝胶产业发展带来了前所未有的机遇。在加快推动绿色产业发展的趋势下,气凝胶新技术有望与绿色制造发展相结合,形成更多新产品应用。


正文:


一、什么是气凝胶?


1931年,美国科学家SamuelStephensKistler制备出一种新材料,将其命名为“aerogel”,气凝胶,即一种由气体填充的凝胶。凝胶是指一定浓度的高分子溶液或溶胶,在适当条件下,粘度逐渐增大,最后失去流动性,变成一种外观均匀,并保持一定形态的弹性半固体。人们日常生活中的果冻就是应用最广泛的液体凝胶之一。


气凝胶曾被国际期刊《科学》列为世界十大新材料之首,因为气凝胶创造了15项世界纪录:1、最低的导热系数;2、最低密度;3、最宽的密度范围;4、最宽的压缩模量;5、最小的孔径;6、最高的孔洞率;7、最低的声传播速度;8、最高的声阻抗;9、最低的介电常数;10、最低的折射率;11、最宽的折射率范围;12、最低的损耗角正切;13、最低的杨氏模量;14、第一次实现从彗星采集样品;15、最不密集的3D打印结构。


二、气凝胶的特性


气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三位网络结构,拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率。


气凝胶的多孔性质衍生出了优良的隔热性能和吸附性能。气凝胶可以制作成为保温毡,具有柔软﹑易裁剪﹑密度小、无机防火﹑整体疏水、绿色环保等特性,有望替代玻璃纤维制品、石棉保温毡、硅酸盐纤维制品等不环保、保温性能差的传统柔性保温材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,而用气凝胶制作的“碳海绵”的吸收量是250倍左右,最高可达900倍。


气凝胶相比于普通多孔材料有一个重要的特点:其粒子骨架在纳米尺度。因此,当可见光穿过时散射较小,看上去像“冻住的烟”。纳米尺度粒子本身具有的某些性能,以气凝胶的形式存在时,往往会得到增强。比如锂电池的电极材料——二氧化锰(MnO2),当它以气凝胶的形式存在时,锂电池的放电性能得到了大幅度提高。


气凝胶的特性总结下来就是质量轻、热绝缘和抗压性能强。


三、气凝胶的研发


美欧日对气凝胶的研究和应用起步较早,在材料研发、规模化生产、多领域应用以及市场开拓方面均处于全球领先。国外气凝胶基础和工程化应用研究机构主要有:美国LLNL实验室、JPL实验室、SNL实验室、加州理工学院、Aspen公司,德国的维尔茨堡大学、Basf公司、Desy公司,法国的蒙特派利尔材料研究中心,瑞典Lund公司,日本高能物理国家实验室,韩国延世大学等。Aspen公司是全球最大的气凝胶生产企业。Cabot公司是第一家在室温下生产气凝胶并使之商业化的公司。


我国气凝胶研发起步虽然比较晚,但是也突破了技术限制。国内主要研究机构有同济大学、国防科技大学、南京工业大学、清华大学、厦门大学、浙江大学、哈尔滨工业大学以及中科院,已形成广东埃力生、浙江纳诺、贵州乌江机电、河北金纳、浙江贝来等行业领先企业。其中,浙江大学的科研团队研制的超轻气凝胶,直接刷新了目前世界上最轻材料的纪录,它被称为“全碳气凝胶”,密度比氦气还低,仅为空气的17%,质量只有每立方厘米1.6毫克。


国内部分气凝胶应用研究方向


四、气凝胶的应用领域


气凝胶材料由于其优异的保温隔热性能,应用领域蓬勃发展,处于生命周期的成长期,目前主要应用领域包括:能源设备、交通、建筑材料、服装日化、LNG管道、消费电子、航空航天、国防军工等。


1.新能源汽车


新能源汽车领域将成为气凝胶材料应用的主要增长引擎。气凝胶玻纤毡复合材料高温耐受温度在800℃以上,有望解决三元电池安全痛点。当车载电池长时间输出电能后,电池内长时间进行化学反应会使得电池体明显发热,存在燃烧、爆炸的风险。传统的芯模组都是采用塑料隔板将电池相互隔开,不仅重量大还无法起到保护作用。现有采用的防护毡结构简单,容易变形,使其不能很好地与电池组全面接触,且在电池发热严重时其并不能起到很好的隔热效果。气凝胶复合材料作为阻燃材料,相比于传统阻燃材料具有质轻、阻燃性能优异、环保性能好等优点。在锂离子动力电池芯发生撞击短路或过冲电发热自燃的条件下,气凝胶玻纤毡复合材料可以隔离耐受故障电池芯瞬间释放的高温能量,更好地解决动力电池安全问题。


SiO2气凝胶与ePTFE膜结合形成的复合材料同时具备优秀的隔热支撑、缓冲及隔音作用,可以用于汽车隔热保温箱体以及消费电子内置芯片中。目前一款SiO,气凝胶与ePTFE膜复合材料作为隔热隔音材料已被应用于上汽大众途昂车型。


2.能源化工


能化领域是目前气凝胶材料的主要应用市场,以油气管道、炼化项目、工业隔热为主,技术相对成熟。气凝胶复合材料对重大输气输油工程的管道可以起到高度隔热防护功效,在极低的温度环境中无冻裂,能够长期暴露在户外照射的紫外线下工作20多年不老化,使得需要隔热隔音的工程造价降低且长期免维护。气凝胶复合材料在高温管道、窑炉、城市热力管网等领域的应用效果获得广泛认可,实现能耗显著降低、输送范围延长,同时可以减小保温层厚度、节约空间。


3.绿色建筑


由于建筑施工部门的能源使用占世界总能耗和温室气体排放的很大比例,为实现建筑业节能减排,发展绿色建筑的市场空间巨大,也将成为气凝胶材料的最大应用场景之一。为提高建筑物能效水平,建筑物的隔热成为重要课题。为了获得尽可能高的热阻,开发应用气凝胶材料实现低热导率值成为一个重要的解决方案。


目前,由于针对建筑领域开发的气凝胶材料价格较高,使其应用尚处于初步探索阶段。气凝胶混凝土是以气凝胶颗粒或粉末为主要成分的超轻质混凝土体系。生产气凝胶混凝土的主要目的是将混凝土的高强度性能和气凝胶的良好隔热性能结合起来。气凝胶混凝土具有较高的抗压强度和相当的导热系数,使其适用于多层建筑外墙的建造,无需任何进一步的隔热。气凝胶隔热材料可以通过隔热屋顶空腔来实现在冬天提供温暖,在夏天提供凉爽。气凝胶毯子或片材可以用来隔离墙壁的外部和内部,防止热量散失到外部环境中。由于其防潮性能,气凝胶也是潮湿墙壁的完美解决方案。热效率、高压缩强度和薄的外形使气凝胶隔热材料成为一种有吸引力的地板下隔热层。在地板下安装气凝胶隔热材料,即简单快捷,又节约能源。


4.航空航天


1997年,美国首次在火星探测器上应用了气凝胶材料,从此气凝胶作为隔热材料成为航空航天领域的重要课题。气凝胶由于具有优异的热绝缘性能,将其加入隔热罩里,就可以有效保护内部的科学仪器。


气凝胶材料在实现隔热功能的同时还可以实现保暖功能,美国国家宇航局在2002年用气凝胶制作宇航服,在保证安全性的前提下,大幅度减重,提升宇航员的舒适度。


我国的“祝融号”火星车表面采用了中国航天科工三院306所研发的低温纳米气凝胶材料,保障火星车在超低温度环境下可以正常工作。由于气凝胶的质量很轻,几乎不会增加火星车的载荷。


5.户外服饰


由于气凝胶具有优异的热绝缘性能,使其成为一些极限运动御寒用品的良好材料。一些厂家已经使用气凝胶材料研制出户外御寒用具,比如登山运动员的防寒服、鞋垫和睡袋等。


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