①用氣凝膠材料製成的夾克
②氣凝膠材料輕且透明
③氣凝膠氈管道保溫施工
最近，國外一家公司推出的一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，秘密在於它採用了全新的氣凝膠材料。事實上，從太空梭到輪船，從羽毛球拍到登山鞋，氣凝膠這種被稱之為“改變世界的神奇材料”離我們的生活越來越近。
世界上已知最輕固體
如果做到極致，氣凝膠這種固體甚至能飄在空氣中；正面經受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、固態煙霧或是藍煙，是一種奈米級別的多孔超級隔熱材料。
通俗來講，氣凝膠是一種物質形態。2014年世界材料大會提出，這種形態由90%以上的空氣和不足10%的固體構成。它可以承受相當於自身品質幾千倍的壓力，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，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。由於具備這些特性，氣凝膠便成為航太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絕緣。除航太外，氣凝膠還可廣泛應用於軍工、石化、電力、冶金、建築、服裝等眾多領域是傳統保溫材料的革命性替代産品。
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最早研究氣凝膠的學者之一。他告訴科技日報記者，氣凝膠之所以具有這樣的秉性，主要由於其特殊的奈米多孔結構。
“做豆腐的程式大家都熟悉，我們首先要用原料做成豆漿，然後凝固變成豆腐，如果將豆腐裏面的水分擠出去就是豆干，變成豆干後體積大幅減小，氣凝膠的製備類似于要將豆腐裏的水分擠出去，但體積又不能縮小，要補充氣體進去，所以比較難。”沈軍説。
只要是讓凝膠中的液體被氣體取代，同時凝膠的網路結構基本保留不變，得到的材料都成為氣凝膠。氣凝膠的種類有很多、有硅係、碳係、硫係、金屬氧化系列等等。
處於絕熱材料市場金字塔塔尖
沈軍介紹説， 1931年，美國斯坦福大學Kistler通過水解水玻璃首次製備得到氣凝膠。但由於工藝複雜及成本太高，氣凝膠在問世後並沒有引起足夠重視。上世紀80年代，歐洲的一些物理學家開始注意到這種新材料並開始研究。1985年，德國維爾茨堡大學物理所組織召開首屆“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、太空梭等。
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一。由於與德國關係緊密，該實驗室得以迅速獲得氣凝膠製備技術。“我們在短時間內迅速達到了國際先進水準。”沈軍説。
彼時的小範圍應用主要集中在核物理領域。沈軍説，到2000年左右，由於居高不下的成本及大規模工業化生産難以取得技術突破，氣凝膠始終沒有作為一個産業發展起來。近幾年，由於能源需求緊張、全球生態環境惡化等原因，學界和業界又開始攻關氣凝膠的産業化。
“直到2013年左右，這個産業才算發展起來，目前比較領先的是美國和中國。”沈軍説。美國氣凝膠主要應用於航太、石油化工等領域，同時逐步進入消費品市場。我國的氣凝膠現在主要用於高鐵、油田等行業。
Allied市場研究公司2014年6月發佈的報告稱，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（從2014—2020）的年複合增長率為36.4%。隨著氣凝膠材料在新的應用領域探索的持續進步，市場預計，隨著時間的推移市場增長的動力會進一步增強。
另一研究報告稱，2010年，全球絕熱材料市場估計規模為321億美元，未來年增長率為 6.3%，到2019年可達556億美元。其中工業和設備領域約佔總份額三分之一，建築領域佔總分額的三分之二。
氣凝膠材料佔據了整個絕熱材料市場金字塔模型的塔尖部分，目前在整個絕熱材料市場中的規模幾乎是微不足道的，這一方面説明氣凝膠産業仍然處於早期起步階段，同時又預示著其未來巨大的發展空間。
行業標準正在制定中
“此前制約氣凝膠市場拓展的最大障礙是高昂的價格，一旦氣凝膠材料的生産成本得以顯著下降，市場規模就會急劇擴大，産品銷量也會迅速擴大，並將革命性地替代傳統絕熱材料。”愛彼愛和副總經理董海兵告訴科技日報記者。
愛彼愛和在過去近10年時間裏，致力於改進氣凝膠的製備工藝，降低成本，使其可大規模工業化生産且産品品質穩定、成本大幅降低，使氣凝膠成為普通工業和民用領域用得起的“超級絕熱材料”。
該公司做的實驗顯示，在1000多攝氏度的高溫噴槍加熱下，傳統有機類保溫材料幾秒內迅速燃燒殆盡，同樣厚度的傳統無機保溫材料也在不到1分鐘的時間內被燒穿，但該公司的氣凝膠板材則在40分鐘後才被擊穿。除了較好的防火性，在達到相同保溫效果下，氣凝膠只需要傳統無機材料的1/3—1/4厚度。
“雖然氣凝膠産品單價比傳統保溫材料高，但綜合考慮使用壽命、施工費用等，使用氣凝膠的成本更低。”董海兵説。
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築節能領域的應用，包括産品標注、施工規範等等。“氣凝膠在該領域應該會很快推廣。”
此外，在交通運輸、熱網管道建設、石油石化等行業，氣凝膠的應用也越來越廣泛。“電動汽車的安全隱患主要來自鋰電池內電解液的燃燒甚至爆炸，如果讓電池穿上氣凝膠衣服，安全系數會極大提高；氧化鈦氣凝膠可以隔絕紅外線、紫外線，分解甲醛，可用於製造可重復使用的口罩、空氣凈化濾芯等。”董海兵堅信，氣凝膠將成為一個大産業。
董海兵希望國家能出臺相關政策和標準，推動這個剛剛興起的産業規範發展。對此，沈軍表示：“目前市場上已經出現一些假的氣凝膠了，規範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，包括産品標準、施工規範等等，今年底應該能出臺。”（文·本報記者 操秀英）
