气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况

什么是气凝胶材料?

气凝胶是一种内部网络结构充满气体,外表呈现固体状密度极低的多孔材料,是目前最轻的固体材料。它的网络结构一般是由相互交联的纳米颗粒所组成,其中颗粒内部的孔隙主要是微孔,颗粒与颗粒之间则大多是 2 nm 上的中孔或大孔。

气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况
气凝胶材料

低导热的气凝胶

气凝胶具有低密度(~ 0.16 mg/cm3)、高比表面积(400-1000 m2g-1)、高孔隙率(90%-99.8%)、低热导率(~ 0.012 Wm-1k-1)、结构可控等诸多优异性能,被称为改变世界的神奇材料,列入 20 世纪 90 年代以来10 大热门科学技术之一,具有巨大的军民两用应用价值。
气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况

气凝胶分类

从成分构成分类是气凝胶最普遍的区分方式,分为单一组分和复合组分两大类。 单一组分气凝胶包括氧化物气凝胶(二氧化硅和非二氧化硅),有机气凝胶(树脂基和纤维基),碳气凝胶(碳化塑料、碳纳米管和石墨烯),硫化物气凝胶和其他种类的气凝胶(单一元素、碳化物);复合组分气凝胶包括多组分气凝胶、梯度气凝胶以及微/纳气凝胶复合物。其中硅气凝胶、碳气凝胶和二氧化硅气凝胶最常见。

气凝胶的结构与导热性质

气凝胶有良好的隔热,其主要原理是:气凝胶中纳米级孔洞中的空气不能自由流动,消除了空气对流传热。气凝胶中高达 80%以上的成分是空气,固体成分少,且热传导路径细长,从而大大减轻了固体热传导。纳米级孔洞的孔径(大部分为 20-50nm)小于空气分子自由程(70nm),大大减弱了空气分子发生碰撞而形成的热传导。存在大量的气固界面,并添加了特殊的遮光剂,大大阻隔了热辐射。

气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况

气凝胶的生产工艺

气凝胶的性能就是由其结构决定的。因此如何制备结构显得尤为关键,主要过程有三步。

1、溶液到溶胶过程:纳米尺度的胶体粒子通过缩聚和水解反应在均匀的前驱物溶液中形成,或是通过催化剂来催化加速。

2、溶胶到凝胶的过程(凝胶):溶胶粒子之间手拉手连接,分层装配进一个具有连续网状结构的湿凝胶。

3、凝胶到气凝胶的过程(干燥):这个过程中湿凝胶中的溶剂被空气所替代,同时不会有严重的微结构破坏。

气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况

因此气凝胶的生产主要有两个关键技术:溶胶-凝胶技术和干燥技术,前者主要是为了获得具有一定空间网络的结构,后者则是将醇凝胶网络骨架中的溶剂去除,得到气凝胶材料。前者主要有:无机气凝胶、有机气凝胶、碳气凝胶的溶胶-凝胶技术,后者主要有:超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥和常压干燥技术。

气凝胶的性质和应用

气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况

气凝胶的主要性能及其应用

气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况
建筑隔热节能示意图

由于气凝胶可以有效阻隔热的三种传热途径,因此它的隔热性能特别好。这也是它目前最大的应用领域。需要隔热的领域有很多,比如建筑,工厂等。因为建筑隔热可以有效避免内外热量传递,因此可以节约能源,降低成本。

除了建筑行业之外,还有化工厂隔热也具有很广阔的应用前景。例如常州循天节能科技将技术应用在海南中航特玻材料有限公司:

气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况
化工厂隔热的示意图

建设规模: 550t/a 高档浮法玻璃生产线窑炉节能保温工程,采用了合同能源管理模式,于 2013 年 12 月 27 日-2014 年 1 月 14 日组织实施。该项目采用了钛纳硅技术为核心的组合保温技术,对窑炉的熔化部大碹、澄清部大碹、蓄热室大碹、蓄热室墙体、胸墙、小炉等部位,保温总面积 871m2,钛纳硅超级绝热材料使用 2613m2。保温前单耗 2164kcal/kg 玻璃液,保温后 2096kcal/kg 玻璃液,节能率 3.14%;年节约天然气 213.2 万 m ,节能技改投资额: 310 万元,年经济效益 426 万元;年节约标煤1948t,减排 5182tCO2,投资回收期 10 个月。

气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况
长征五号

2016年11月3日,我国新一代大运力运载火箭“长征五号”在海南文昌卫星发射中心成功首飞。其中,为火箭燃气管路系统提供隔热保温的就是国内自主研制的高性能纳米气凝胶隔热毡。

产业发展情况

气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况
气凝胶的市场规模(全球)

根据中国银河证券研究部的数据,2013 年全球气凝胶市场规模约 2.2 亿美元,估计到 2020 年可达 19 亿美元,在 2014-2020年预测期内年复合增长率高达 36.4%。

气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况
绝热材料市场和气凝胶对比

除了看具体的市场规模,还要看市场前景。从绝热材料领域看,目前气凝胶只是绝热材料中的很小一部分。而以气凝胶的优异性能,只要能实现规模化生产降低生产成本,势必会占据更多绝热材料市场。

气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况-1
国内气凝胶市场年复合增长率61%

2014 年国内气凝胶产量大约在 8500 立方米,进口产品大约 1500 立方米,市场规模为1.82 亿元;2015 年是国内气凝胶规模的突变之年,新增产能达 16000~20000 立方米,实际产量 19600 立方米,进口产品约 1000 立方米,市场规模约 3.30 亿元。随着气凝胶工艺成本的降低和产业规模的不断扩大,一些新兴应用不断开发出来,国内气凝胶市场将日益成熟,预计到2020 年国内市场规模将达 37 亿元,年复合增长率高达 61%。

气凝胶新材料的原理应用和行业发展情况-2
气凝胶新材料应用占比

以上都只是说明气凝胶市场前途很光明,具体应用领域有建筑、石化、交通运输、电力、冶金等。如果真的有志于此,可以了解这些行业的节能减排要求。并且查找相关的文献进行深入的研究。

国内气凝胶企业

国内的气凝胶行业发展非常迅速,以下企业是头部企业。若有兴趣,可以多关注他们的动态。注意这里仅是为有需要的年轻人介绍,并不构成投资建议。

如果有志于此,可根据自己兴趣和就业地选择一家。我本人的经验是大公司会提供一个很好的平台,因此建议可以调查之后选择一个自己觉得有前途的大企业。如果对此感兴趣又对自己不够有信心,则可以先入行。

小结

1、气凝胶产业是个朝阳行业,市场潜力很大!目前应用集中在隔热材料,隔热材料市场潜力。另外,气凝胶其他应用的市场潜力也很大!

2、中国的气凝胶技术先进,与美国在世界范围内直接竞争,学好英语争做国际化人才。以后中国气凝胶走出去是大趋势,建议学好英语,做好国际化的准备。

3、选择大企业,平台好,能学到更多。希望此文对材料专业特别是无机非金属材料的同学在就业和择业时有所帮助。

相关新闻

微信
微信
电话 QQ
分享本页
返回顶部