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南京氣凝膠:已知最輕固體將帶來怎樣的未來

文章出處:本站    人氣:54070    發(fā)表時間:2018-01-16 10:39:14

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(nèi)早研究氣凝膠的學者之。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)能域的應用,包括產(chǎn)品標注、施工規(guī)范等等。

近,國外家公司推出的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(nèi)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“改變的神奇材料”離我們的生活越來越近。

上已知輕固體

如果做到致,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,是種納米級別的多孔超級隔熱材料。

通俗來講,氣凝膠是種物質(zhì)形態(tài)。2014年材料大會提出,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(zhì)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,緣能力比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、服裝等眾多域是傳統(tǒng)保溫材料的革命性替代產(chǎn)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(nèi)早研究氣凝膠的學者之。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。

處于熱材料市場金字塔塔尖

沈軍介紹說, 1931年,美國斯坦福大學Kistler通過水解水玻璃次制備得到氣凝膠。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。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(nèi)迅速達到了國際先進水平?!鄙蜍娬f。

彼時的小范圍應用主要集中在核物理域。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(chǎn)難以取得技術突破,氣凝膠始終沒有作為個產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化。

“直到2013年左右,這個產(chǎn)業(yè)才算發(fā)展起來,目前比較先的是美國和中國?!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(nèi)(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步增強。

另研究報告稱,2010年,全球熱材料市場估計規(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)和設備域約占總份額三分之,建筑域占總分額的三分之二。

氣凝膠材料占據(jù)了整個熱材料市場金字塔模型的塔尖部分,目前在整個熱材料市場中的規(guī)模幾乎是微不足道的,這方面說明氣凝膠產(chǎn)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大障礙是高昂的價格,旦氣凝膠材料的生產(chǎn)成本得以顯著下降,市場規(guī)模就會急劇擴大,產(chǎn)品銷量也會迅速擴大,并將革命性地替代傳統(tǒng)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(chǎn)且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、成本大幅降低,使氣凝膠成為普通工業(yè)和民用域用得起的“超級熱材料”。

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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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1f。

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)能域的應用,包括產(chǎn)品標注、施工規(guī)范等等?!皻饽z在該域應該會很快推廣?!?/span>

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?!半妱悠嚨谋U想[患主要來自鋰電池內(nèi)電解液的燃燒甚至爆炸,如果讓電池穿上氣凝膠衣服,保障系數(shù)會大提高;氧化鈦氣凝膠可以隔紅外線、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。”董海兵堅信,氣凝膠將成為個大產(chǎn)業(yè)。

董海兵希望能出臺相關政策和標準,推動這個剛剛興起的產(chǎn)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)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(chǎn)品標準、施工規(guī)范等等,今年底應該能出臺?!?/span>


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