改变世界的新材料——气凝胶

jieyou 2016-04-06 21:38:05

摘要

气凝胶是一种固体物质形态，由于其独特的材料性质，在航天、军工、石化、电力、冶金、建筑、服装等众多领域具有广泛的应用前景。自1931年发明以来，世界各国竞相展开对其技术研发的追逐，目前由沃世达公司独创的生产工艺，攻破了气凝胶产业化生产的世界性难题，为中国在该新型材料的研发及应用方面夺得了先机。

一、气凝胶的研发概况

气凝胶（英文名称：aerogel）是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体。这种形态由90%以上的空气和不足10%的固体构成，非常坚固耐用，可以承受相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到1400℃时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。由于具备这些特性，气凝胶广泛应用于航天、军工、石化、电力、冶金、建筑、服装等众多领域。世界上最权威学术杂志之一，美国《科学》杂志第250期将气凝胶列为世界十大新科技之一。

各国科学家竞相开展气凝胶研究竞赛

自1931年美国科学家Samuel Stephens Kistler在实验室里制得气凝胶以来，美国、日本、欧洲诸多国家都在对气凝胶技术进行深入的研究，国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、BASF公司；美国的劳伦兹•利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室；法国的蒙彼利埃材料研究中心；日本高能物理国家实验室等。美国的Nanopore公司、Aerojet公司以及德国的BASF公司、Hoechst公司等已经开展了气凝胶的商业应用研究。

国内方面，SiO2气凝胶的制备及其特性研究九十年代才起步。2012年，国家工信部发布了《新材料产业“十二五”发展规划》，将有机硅新材料列入其中，其中，气凝胶属于有机硅的尖端材料。清华、同济、国防科技大学都申请到了国家“863研究项目”的经费支持，拿到上亿元的经费。

目前世界上取得气凝胶的主流制备方法为超临界干燥法，但该方法程序繁杂、周期长、产量低、成本高，严重制约了气凝胶的实际应用，这也是一直以来世界上各个国家只在尖端军事领域和航天领域才使用气凝胶技术的主要原因。

集全国顶尖科研之力，耗费20多年时间，国内的研究机构模仿国外超临界干燥工艺，已经成功模仿生产出接近国外的产品。航天306所刚刚设计搭建出国内首套1000升超临界二氧化碳气凝胶干燥设备，年产量为100立方米，但还无法与世界其他国家媲美，因此也一直没有实现大规模的应用。

沃世达的产业化生产工艺世界领先

气凝胶生产投入大、产出小，成本高的难题，已经成为其产业化应用的主要障碍。

沃世达独辟蹊径，抛弃主流的超临界干燥法，采用创新的独立研发工艺，只需常规设备便成功制备出高水平产品，攻克了气凝胶大规模生产的世界性难题，且产品的主要技术参数高于世界先进水平，是目前世界上唯一一家使用常规设备生产气凝胶的单位，打破了国外的技术壁垒。

此前世界上气凝胶的总产量大概在25000立方米左右，而且大部分出自美国阿斯彭和卡博特两家公司，公司目前可以实现3000立方米的年产量，达到世界总产量的1/8左右。国内目前气凝胶的总产量不超过300立方米，仅为公司产能的1/10。而且公司的生产模式可以随时进行复制，根据实际需求，迅速扩大生产规模增加产量，满足任何订单要求。公司生产的产品单位价格低于国内市场价格，甚至低于国外成本价格，具有很高的性价比和实用性。同时我们拥有强大的研究团队提供技术支持，一直在针对军事领域进行专项科研，力求设计出满足我军各领域需求的产品和解决方案，并未将来可能出现的一切需求做好了研究准备。

二、气凝胶的特性及应用

气凝胶具有隔热、耐高温、降噪音、防爆、吸附、耐腐蚀、催化、透光、低介电常数等特性，可广泛应用于航天航空、军工、集成电路、化工、新能源等多个领域。

隔热、耐高温

由于气凝胶近于无穷多纳米孔的存在，热流在固体中传递时就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。

气凝胶具有耐高温、隔热的特性

以二氧化硅气凝胶为原料，分别与纸浆、铝箔、玻璃纤维、聚氨基甲酸酯纤维、聚丙烯腈预氧化纤维或酚醛纤维相结合，生产出质量轻、耐高温、隔热性好、阻燃性好、隔音降噪效果好的气凝胶毡或者气凝胶板。

将气凝胶和铝箔结合，用作STP保温板填充芯材，制备的STP板比用传统材料超细玻璃棉制备的STP板隔热效果更好，且质量更轻。我们将气凝胶与玻璃纤维或玻璃纤维棉结合制备出来的气凝胶毡，不仅保温隔热的效果非常好，还具有极耐高温的特点，在-130℃到1200℃的范围内仍可表现出良好的隔热效果。这样的STP板不仅可以用于库房、冷藏室、特制帐篷等固定场所保温，还可以在战地指挥车、恒温运输箱、机车热源、精密仪器储存箱等移动场所隔热。气凝胶在上述场所中的应用相比于同类的隔热保温材料均具有突出的优势。

将气凝胶和纸浆聚氨酯纤维、预氧化纤维酚醛纤维或无纺纤维等结合可以制作出隔温性、强度、柔韧性能、延展性能等方面各有不同的气凝胶毡或布料，可以在装甲坦克飞机驾驶舱内衬、极限环境营地帐篷、锅炉热源保温、被褥服装、内衬头盔、军服冬装、消防服装等多个方面进行应用。

气凝胶材料制作的服装

防爆

在气凝胶生产过程中，如果添加适量的纤维，可以在不改变气凝胶特性的情况下改善其力学性能，这种改善后的气凝胶既具有纳米介孔的微观结构，又具有纤维骨架结构。在爆炸冲击波传播过程中，气凝胶介孔结构将冲击波不断耗散，同时其介孔结构也遭到破坏而发生了粉碎，由于粉碎后气凝胶的骨架呈现弯曲的状态，冲击波在气凝胶的骨架中出现曲线传播现象，进一步促进了冲击波的衰减。相比目前作为内衬材料常用的泡沫铝，气凝胶具有很明显的优势，气凝胶中的黏性耗散效应导致冲击波在气凝胶中的传播出现衰减和弥散的现象，冲击波的传播速度在气凝胶中低于在泡沫铝中使得冲击波在气凝胶中传播时的追赶卸载效应要强，气凝胶内部特殊的纳米多孔网状结构导致冲击波在气凝胶中衰减比在泡沫铝中衰减更快更明显。据英国《泰晤士报》报道，厚度为6mm气凝胶可以经受住1kg炸药爆炸时产生的冲击波的威力。

利用该特性，我们可以把气凝胶应用于坦克、装甲、飞机、仓储、动力设施等需要隔爆的环境中。事实上，近几年来，外军已经开始逐渐将气凝胶应用在坦克、装甲车等重型机车中。

美国宇航局正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试。根据试验室的试验情况来看，如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶，那么，就算被炸药直接炸中，对金属片也分毫无伤。

吸附作用

由于气凝胶由纳米颗粒骨架构成，具有高通透性的三维纳米网络结构，拥有很高的比表面积(600～1200 m2•g-1) 和孔隙率(高达90 %以上)，且孔洞又与外界相通，因此它具有非常良好的吸附特性，对比疏水SiO2气凝胶、活性炭纤维以及活性炭颗粒对吸附介质为苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附性能测试结果发现，SiO2气凝胶的吸附性能较活性炭纤维(ACF)和活性炭颗粒(GAC)更为优越。而且通过改性制备出的疏水SiO2气凝胶，可以避免亲水型活性炭在潮湿环境下吸附性能大幅降低这种缺陷。同时若将SiO2气凝胶进行第一次吸附脱附后，再次进行吸附研究，SiO2气凝胶可方便地经由热气流脱附，再吸附容量基本不变，这就为循环利用创造了有利的条件。通过技术调整，气凝胶的吸附作用可体现为吸收、排斥、净化等形式。

以防毒面具为例，防毒面具作为一种个人特种劳动保护用品，也是单兵防护用品，其过滤元件内除了有一层针对空气颗粒物的滤烟层，还装有专门对付毒气蒸汽的防毒炭，防毒炭不仅要有非常发达的微孔结构，还要借助催化剂进行物化反应，除去气体中的毒害物质。我们将气凝胶和防毒炭结合，利用气凝胶的纳米介孔结构使得结合后的防毒炭吸附作用大大提高，同时气凝胶稳定的化学性质使得其在作为催化剂载体非常有优势，各种性质的催化剂都可以使用，这样我们也可根据需求制作多种用途的防毒面具。

气凝胶自由调整亲水疏水性，可海上石油泄漏油收集；其结构具有孔隙均匀的特点，可以用于油基水基保温涂料添加剂、核泄漏吸附、核电四废吸附等，甚至作为飞机、汽车的储油装置。

利用气凝胶的吸附作用，1999年，NASA为“星尘”号太空探测器配备了一个充满气凝胶的尘埃搜集装置，用于捕获彗星尾巴中的尘埃。

防腐蚀

气凝胶热稳定性非常好，且经过表面处理的气凝胶疏水后，使其在极端高温及恶劣腐蚀环境下仍具有良好的稳定性能，有效抵抗各种腐蚀。

催化

气凝胶是一种由纳米粒子组成的固体材料，这种材料具有小粒径、高比表面积和低密度等特点，这些特点使气凝胶催化剂的活性和选择性均远远高于常规催化剂，而且活性组分可以非常均匀地分散于载体中，同时它还具有优良的热稳定性，可以有效的减少副反应发生。

隔音

气凝胶内部充满了两端开放并与表面相通的纳米孔，其高达400--1000m2/g的比表面积说明了其中包含孔的数量之多，因此声音在其中传播时，声能将被其大量存在的孔壁大大消耗，这使得气凝胶具有比普通多孔材料高数十倍的吸声效果，是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。二氧化硅气凝胶的声阻抗可变范围较大(103—107 kg/m2·s)，是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料和隐形材料。

如果应用于军工领域，可实现飞机、舰船（艇）、坦克等的隔音降噪，尤其是潜艇的隔音降噪；移动、固定指挥所等军用设施的隔音降噪；还可以制造隐形涂料，用于隐形战机、飞行器等。

透光

纯净的SiO2气凝胶是透明无色的，它的折射率（1.006～1.06）非常接近于空气的折射率，这意味着SiO2气凝胶对入射光几乎没有反射损失，能有效地透过太阳光。具体可应用到军用太阳能设备集热器的制造和军用太阳能武器的透光零部件的生产中。

低介电常数

气凝胶具有低介电常数（1<e<2），而且可通过改变其密度调节介电常数值。一般而言，所用衬底材料的介电常数越低，则运算速度越快。现在集成电路所用的衬底材料为Al2O3，其介电常数为10，目前的趋势是使用聚酰亚胺（e~3）或其它高聚物介电材料替代Al2O3，然而，高聚物的热膨胀系数较高，容易引起应力以及变形。气凝胶具有一些更优越的特性，其介电常数值很低且可以调节，其热膨胀系数与硅材料相近因此应力很小，而且相对聚酰亚胺它有良好的高温稳定性。因此如将集成电路所用的衬底材料改成气凝胶薄膜，其运算速度可提高3倍。

可以用于超级计算机、卫星探测系统、电子控制系统等零部件的制造；延长铅酸电池（用于飞机、舰船（艇）、坦克等）的使用寿命。

三、在航天和军工等领域的应用前景广阔

新型材料气凝胶与传统隔热材料相比，可以用更轻的质量、更小的体积达到更好的隔热效果，它的吸附特性能够有效抵抗冲击，捕获太空粒子，这些特点在航天应用领域具有极大的优势。具体可以应用于：

1、航天器舱体建筑材料，可以达到隔热、保温、防冲击、防辐射、防静电、防腐蚀的效果，还可以有效减少航天器自身重量；返回舱的外层涂料，实现返回大气层时隔热效果。

2、宇航服的制作，实现保温、防冲击、防辐射等效果。

3、星球探测车制造材料，外星探测设备精密部件保护（防辐射）。

4、吸附、捕获太空粒子。

气凝胶外层涂料可以实现飞机隐身效果

同样的特性在军工领域，则可以应用于：

1、飞机、舰船（艇）、坦克、导弹等的外层涂料（防辐射、吸收红外线和漫反射波，躲避探测实现隐形功能；屏蔽自身电子信号，实现反侦察。）、内部零件（防静电处理、绝热保温系统）、外部设备（控制舱玻璃、履带、轮胎等的防爆处理。）

2、气凝胶复合珍珠岩保温房屋、战机防弹机窝、复合纤维保温帐篷。

3、气凝胶复合防弹衣、防红外线服装面料（隐形衣）、防毒面具。