1931年气凝胶被发明出来,由于各类性质非常极致,在过去的近百年里一直吸引了众多的目光。气凝胶凭借极低的密度、极小的孔径、极低的隔热系数、极低的声音传播速度等创下15项世界之最。同时,气凝胶作为一类材料的统称,随着科研人员研究的深入,陆续制备了多种气凝胶。同时,气凝胶方便加工,制品形态多样,气凝胶的应用场景众多,从航天、军工等要求严苛的高科技领域到工业、交通、日用等领域,都有气凝胶发挥性能的地方。

在石化领域,气凝胶凭借极佳的隔热保温性能可以作为外保温材料,如蒸馏塔、 反应管道、储罐、泵、阀门、天然气和 LNG 液化气管道、深海管道等等。在高温蒸 汽、导热油或流体介质管线外包裹气凝胶,一方面减少了管道暴露损失热量,另一 方面这些区域往往受到重量、空间的限制,需要保温材料轻量又轻薄,气凝胶是唯 一完美契合的材料。同时,在海上漏油事故处理中,气凝胶质量轻、吸附能力极强, 也得到认可。

在环保领域,纤维素气凝胶可作为吸附剂从水中吸附油和其他有毒有机物,被 广泛地应用于吸附脱除染料废水。此外,生物质碳气凝胶可以去除水中的多种重金 属离子,如 Co(II)、Cd(II)、Pb(II)和 Sr(II)。

在建筑领域,房屋门窗、墙壁的隔热保温正越来越被重视。现有的保温材料或隔热能力不够理想,或达到理想效果厚度太厚、太重,也有一些隔热能力较好的材料 但阻燃能力不佳,容易引发房屋火灾。而气凝胶既可以作为现有保温材料的升级替代,同时兼顾防火、隔声等功能,有望颠覆建筑保温材料现有格局。


在军工领域,气凝胶的性能得到了充分验证。在军车上覆盖 6 毫米的防弹型 气凝胶就能够承受炸药带来的破坏力。东风-17 以气凝胶隔热材料作为外衣,使得东 风-17 在极快加速度的同时不被空气摩擦所产生的高温给破坏,而且气凝胶材料良 好的透波性能不会阻挡东风-17 内部的制导装置。另外,气凝胶可以作为飞机、舰船/艇、坦克、导弹等的外层材料,起到防辐射、吸收红外线和漫反射波实现隐形 功能,屏蔽自身电子信号实现反侦察的功能。在水下探测中气凝胶的低声速和高孔隙超轻质特性使之成为比较理想的超声探测器的声阻耦合材料和最佳水声反声材料。当然,气凝胶也用于军用保温帐篷等领域。


在航天领域,对材料的绝热、轻量、抗压能力要求最为严苛。俄罗斯“和平”号 空间站、美国“火星探路者”探测器和“火星漫步者”探测车、我国“长征五号”运 载火箭和“祝融号”火星车都曾使用气凝胶材料进行绝热保温材料,“星辰号”飞船 用来收集彗星尘也使用了气凝胶做的采集“手套”。2016 年 8 月,中国航天科工三院 306 所联手华星美科新材料科技(江苏)有限公司举行签约仪式,共同组建成立气凝胶技术国际研发中心,力图打造国际先进、国内领先水平的气凝胶技术研发基地。


在电池领域,目前锂离子动力电池组热失控事故时有发生,阻止热失控电芯向 电池其他系统传热是主要解决思路。气凝胶毡具有防火、隔热、阻燃的特性,而且质感柔软、易于加工,是非常理想的预防材料;另外在热电池应用领域,气凝胶作为热电池保温筒的隔热材料能够解决多领域对热电池的高性能、长寿命的要求。目前新开发的气凝胶玻纤毡能够将电池包高温耐受能力提高至 800℃以上,大大提高电池的耐热性。


在交通领域,气凝胶材料主要应用在汽车防火隔热保温降噪层,大容量电池组 防火防水保温盒,危险化学品运输车、液化天然气运输船等特种运输工具的保温防 火层,高铁和地铁车体保温隔热降噪防火层等。在交通事故引发的火灾中,着火点一般集中在发动机仓位置。在发动机仓和驾驶舱之间加一层气凝胶防火隔离墙,可以阻隔火势蔓延到驾驶舱中。


在日常生活中,凡是需要保温的地方,气凝胶都具有应用的可能性。


气凝胶滑雪服:超薄的保温厚度和良好的柔韧性,A级防火性能和荷叶般的疏水性能,使气凝胶防寒服相比传统羽绒服更薄一些,而且保温性能极好。

气凝胶网球拍:以气凝胶为填充材料制成的网球拍或羽毛球拍,利用气凝胶的 纳米多孔结构,可以更好地吸能、减震,大大降低了患上“网球肘”的风险。另外,这种球拍的击球能力更强大。

气凝胶登山靴:气凝胶材料可以应用在鞋垫、鞋面、鞋跟和踝部包裹等部位。通常的使用方法是在两层面料中间夹一层气凝胶材料。而使用约2mm厚的气凝胶材料即可以满足鞋子的保温性能需求。


在工业管道领域,替代硅酸盐毡等传统保温材料。为在油气开采中需尽可能做好注 汽管道的保温、尽可能缩小注汽锅炉与井口间的蒸汽温降,在电力行业热电联产中 做好管道保温方可提高热电联产的辐射范围。长期以来,工业管道采用硅酸盐毡等做保温材料,其使用寿命短、结构松散,而且吸水导致管道表面腐蚀严重。替代品气 凝胶毡具有柔韧度高,导热系数低,疏水性能好,经久耐用等优点,应用在工业管道 既可有效降低能源损耗,又可延长管道使用寿命。


气凝胶超级轻,是目前已知最轻的固体材料。在一些对重量要求苛刻同时对绝 热要求极高的场景,气凝胶是唯一选择。在“天问一号”火星探测器中,“祝融号”火星车表面铺设了大面积的气 凝胶板。超轻的特性极大地减小了火星车的负担,让它跑得更快,跑得更远。同时, 在“天问一号”着陆阶段,周围的温度超过 1000℃,而 10mm 左右的气凝胶材料就能够使温度处于可接受的范围,在火星车巡视阶段,气凝胶能够确保火星车在-130℃ 的环境正常工作。



二氧化硅气凝胶是迄今为止保温性能最好的材料。热的传递有三种方式:热对 流、热传导、热辐射。最好的保温绝热材料需要是木桶型的。尽管空气的热导率很 低,但是我们能在一定距离内感受到空调、火炉的温度,是因为空气热传导和热辐射的存在。而气凝胶凭借极低的体积密度及纳米网格结构的弯曲路径阻止了气态和固态热传导的同时,由于其孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程,气凝胶空隙中的空气分子近似静止,从而空气的对流传热得到限制,趋于“无穷多”的空隙壁使热辐射降至最低。


气凝胶完美对抗了三种热的传递方式,导热系数甚至达到0.013W/m.K以下,比常温下静态空气0.025W/m.K 还低,因此是迄今为止最完美的隔热材料。在管道包裹保温方面,达到相同的隔热效果,气凝胶毡的厚度仅为岩棉的三分之一厚,膨胀珍珠岩的五分之一。


目前国际上关于气凝胶的研究主要集中在德、美、法、日等国,而在国内,气凝 胶也已经有超过二十年的研究历史,主要研究单位以国家纳米中心、中科院、国防 科大、同济大学等为代表。可以说,气凝胶是我国少数从工艺到产业化都能与国际 水平相提并论的顶级新材料,未来气凝胶产业有望成为我国的王牌产业,引领全球发展。


目前我国气凝胶产业代表性的生产企业有数十家,技术路线主要以成熟的二氧 化碳超临界萃取工艺为主,而超临界萃取工艺的壁垒之一是干燥设备。其中,贵州航天乌江机电设备有限责任公司是国内唯一集超临界萃取装备设计、制造为一体的生产厂家,具有较强的超临界萃取成套装备开发设计和超临界流体技术应用研究能 力,与国内外设备相比更加节能。


近年也有企业新建产能采用常压干燥工艺、减压干燥工艺。纳诺科技现有 1 万方气凝胶超级绝热材料中 5000 方是常压法,5000 方是超临界,新建 12000 方也将采用常压法。根据弘大科技官网介绍,弘大科技自主设计研发的低成本减压干燥技术能够使年产100立方米气凝胶的生产设备投资由5000 万元降到 200 万元。


来源:华安证券

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5月24日  深圳
序号

议题

演讲单位

1

气凝胶绝热材料产业发展与电池隔热应用

江苏珈云新材

2

气凝胶隔热材料生产用超临界萃取技术成套设备及其在新能源领域应用

贵州航天乌江

3

零VOC挥发,耐高温阻燃热熔膜在复合玻纤与气凝胶行业应用

苏州惠沣

4

乙醇超临界-玻纤表面毡气凝胶片材生产工艺开发进展情况

海纳晶能

  5

陶瓷纤维做为气凝胶基材的应用技术

山东久强

6

气凝胶真空热压机及自动化解决方案

鑫台铭

7

动力电池热管理的趋势介绍

极度汽车(拟邀)

8

气凝胶绝热防护材料在动力电池领域的应用和发展

爱彼爱和/郑州倍耐/乾硕科技/博硕/中科润资(拟邀)

9

特种纤维材料在气凝胶复合材料的应用趋势

拟邀中

10

有机硅在气凝胶隔热组件的应用介绍

宏柏新材(拟邀)

11

新能源汽车动力电池产品解决方案

拟邀中

12

新能源电芯缓冲用硅橡胶框介绍

拟邀中

 13

气凝胶隔热垫生产过程中关键设备及工艺介绍

拟邀中

14

气凝胶封装生产过程中品质把控

拟邀中

 15

气凝胶封装降本增效解决方案

拟邀中

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