氣凝膠是目前已知導(dǎo)熱系數(shù)最低、密度最低的固體材料，具有超長的使用壽命、超強(qiáng)的隔熱性能、超高的耐火性能等，被譽(yù)為“改變世界的神奇材料”，又因輕若薄霧顏色泛藍(lán)，又被稱為“藍(lán)煙”。

　　氣凝膠具備優(yōu)異的性能，應(yīng)用領(lǐng)域靈活廣泛，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、軍工、建筑、交通、電池等多個(gè)領(lǐng)域，氣凝膠市場需求大，性價(jià)比高，可取代空間大。

　　具有耐高溫、高彈性、強(qiáng)吸附等特性

　　氣凝膠是一種納米級的多孔固態(tài)新型材料，所有孔的體積合起來占整個(gè)氣凝膠體積的絕大多數(shù)，甚至可以達(dá)到99％以上，具有高比表面積、高空隙率、納米級孔洞、低密度等特殊的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫、高彈性、強(qiáng)吸附、防水效果好、使用溫度范圍廣、壽命長。

　　“可以把氣凝膠理解成多孔海綿的一個(gè)納米版?！睔饽z領(lǐng)域技術(shù)專家王貝爾說，其孔徑在20納米至50納米之間。而空氣分子大小約為70納米，大于氣凝膠孔隙的直徑，因此空氣在氣凝膠上流動(dòng)效率極低，加上氣凝膠本身比熱容很高，熱輻射傳遞能降到最低，因而具有很好的隔熱性能。

　　氣凝膠主要分為無機(jī)氣凝膠、有機(jī)氣凝膠和有機(jī)—無機(jī)雜化氣凝膠三類。其中，無機(jī)氣凝膠是以無機(jī)物為主體，包括單質(zhì)氣凝膠、氧化物氣凝膠和硫化物氣凝膠等。有機(jī)氣凝膠則是以有機(jī)物為主體，主要包括酚醛氣凝膠、纖維素氣凝膠、聚酰亞胺氣凝膠、殼聚糖氣凝膠以及殼聚糖—纖維素氣凝膠等。有機(jī)—無機(jī)雜化氣凝膠可利用有機(jī)物和無機(jī)物各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)氣凝膠特殊的功能化，華誠進(jìn)出口數(shù)據(jù)觀察報(bào)道。

　　《科學(xué)》雜志2021年將氣凝膠列為十大熱門科學(xué)技術(shù)之一，并稱其為“可以改變世界的多功能新材料”。王貝爾說，氣凝膠是《科學(xué)》雜志評選出的十大新材料中，唯一一個(gè)已大規(guī)模落地于實(shí)際商業(yè)場景的材料，華誠進(jìn)出口數(shù)據(jù)觀察報(bào)道。

　　氣凝膠的制備工藝主要分為兩步，即通過溶膠—凝膠過程制備凝膠，再利用一定的干燥方法將凝膠內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)替換為氣態(tài)，從而制得氣凝膠。

　　據(jù)華誠進(jìn)出口數(shù)據(jù)觀察報(bào)道，在氣凝膠行業(yè)的成本結(jié)構(gòu)中，制造成本約占45%。蘇州錦富技術(shù)股份有限公司董事長助理鄭松說，降低氣凝膠成本是行業(yè)正在努力的一個(gè)方向，目前主要路徑之一是自動(dòng)化產(chǎn)線的落地，而成本降低將會(huì)打開更多的應(yīng)用場景。

　　氣凝膠的市場格局

　　隨著氣凝膠應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟、產(chǎn)業(yè)化的不斷推進(jìn)，疊加政策的大力支持，近年來產(chǎn)量和需求量已經(jīng)在大幅提升了。

　　產(chǎn)量方面，2021年我國氣凝膠材料和氣凝膠制品的產(chǎn)量分別為12.1萬立方米、15.4萬噸，2016-2021年CAGR分別為20.8%、32.6%。

　　需求方面，2021年我國氣凝膠材料和氣凝膠制品的需求量分別為11.9萬立方米、17.9萬噸，2016-2021年CAGR分別為25.1%、21.2%。

　　市場規(guī)模方面，2018-2021年，我國氣凝膠市場規(guī)模由9.25億元增長至17.56億元，年增長率均維持在20%以上。

　　未來在節(jié)能減排的大背景下，隨著氣凝膠產(chǎn)業(yè)化的不斷推進(jìn)，其成本有望持續(xù)下降，在油氣領(lǐng)域作為需求基石的同時(shí)，建筑建造、交通運(yùn)輸和其他新興領(lǐng)域正成為氣凝膠需求增長新動(dòng)能。

　　根據(jù)Aspen Aerogel 2020年年報(bào)預(yù)測，2025年國內(nèi)氣凝膠需求將達(dá)到100萬m3/年，對應(yīng)市場空間約150億元，較2021年增長7.5倍以上；全球需求量將達(dá)到160萬m3/年，市場規(guī)模達(dá)到46億美元。又據(jù)艾邦高分子引用的Aspen預(yù)測數(shù)據(jù)，2021至2030年，氣凝膠產(chǎn)品在電動(dòng)汽車隔熱領(lǐng)域的市場空間將高達(dá)300億美元，行業(yè)成長空間很大。

　　氣凝膠材料的研究現(xiàn)狀

　　1931年，美國學(xué)者Kistler采用超臨界乙醇流體干燥方式，以硅酸鈉為原料，在保持凝膠結(jié)構(gòu)的同時(shí)，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的乙醇液體置換成氣體，成功制得了SiO2氣凝膠材料，之后又陸續(xù)制備了Al2O3、W2O3、Fe2O3、NiO3等無機(jī)氣凝膠以及纖維素、明膠、瓊脂等有機(jī)氣凝膠。各主要國家對于氣凝膠材料的研究予以極大關(guān)注，開發(fā)出多種新型氣凝膠材料，拓展了氣凝膠的應(yīng)用范圍。

　?。ㄒ唬┲饕獓议_發(fā)出多種新型氣凝膠材料

　　氣凝膠的制備工藝主要分為兩步：一是通過溶膠-凝膠過程制備凝膠；二是利用一定的干燥方法將凝膠內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)替換為氣態(tài)，從而制得氣凝膠。干燥過程又分為超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥、常壓干燥等方法。其中，溶膠-凝膠過程是制備氣凝膠最核心的過程，直接決定了氣凝膠的各種微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，包括水解和縮聚兩個(gè)步驟。

　　近年來，中美歐等國研究人員通過改進(jìn)氣凝膠制備工藝，開發(fā)出生物基氣凝膠、石墨烯氣凝膠、聚合物氣凝膠等多種新型氣凝膠材料。美國科羅拉多大學(xué)的研究人員利用啤酒釀造工業(yè)的廢棄物作為培養(yǎng)基，使用由醋酸桿菌制備出的細(xì)菌纖維素，通過超臨界干燥法等方法制備出一種細(xì)菌纖維素氣凝膠材料，具有低熱導(dǎo)率的特征。法國國家科學(xué)研究中心的研究人員采用與傳統(tǒng)制備工藝不同的水熱處理法制備出單寧基碳?xì)饽z，具有較高的比表面積和比電容量。山東大學(xué)的研究人員成功制備出一種高性能的偕胺肟基修飾的環(huán)糊精/石墨烯氣凝膠，其對海水中鈾表現(xiàn)出較強(qiáng)親和力和選擇性，在天然海水中具有出色的鈾提取能力，21天即可實(shí)現(xiàn)19.7mg/g的鈾吸附量。中國四川大學(xué)的研究人員利用雙向取向的碳?xì)饽z復(fù)合多壁碳納米管，開發(fā)出能夠在極端溫度下保持功能性和超彈性的新型聚合物氣凝膠材料，其可在-196℃至500℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)揮作用。

　　（二）生物質(zhì)基氣凝膠材料成為主要國家研究熱點(diǎn)

　　碳?xì)饽z（CA）是以有機(jī)氣凝膠為前驅(qū)體，在惰性氣體氛圍中高溫裂解后得到的一種新型納米多孔碳材料，同時(shí)具有氣凝膠極高孔隙率、高比表面積、低密度等特性以及碳材料耐熱、耐酸堿、高導(dǎo)電率的特點(diǎn)，但因其工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)規(guī)模小、原材料成本昂貴，易造成環(huán)境污染等問題，限制了碳?xì)饽z的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。而生物質(zhì)原料來源廣泛、成本低廉、碳源豐富，因此利用生物質(zhì)原料制備環(huán)保型多孔碳纖維氣凝膠是一種經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的生產(chǎn)方式。

　　中美歐研究人員對生物質(zhì)基氣凝膠材料的制備和應(yīng)用開展研究，取得一系列研究成果。法國國家科學(xué)研究中心的研究人員將纖維素材料溶解于氫氧化鈉溶液中，制備出新型高度多孔純纖維素氣凝膠材料，其內(nèi)部比表面積為200-300m2/g，密度僅為0.06-0.3g/cm3。美國科羅拉多大學(xué)的研究人員利用啤酒釀造工業(yè)的廢棄物作為培養(yǎng)基，使用醋酸桿菌制備出細(xì)菌纖維素，再通過超臨界干燥法等方法制備出具有低熱導(dǎo)率特征的細(xì)菌纖維素氣凝膠材料。中國嘉興學(xué)院中澳先進(jìn)材料與制造研究院（IAMM）的研究人員開發(fā)出水下機(jī)械性堅(jiān)韌、彈性高、超親水的纖維素納米纖維基氣凝膠，可用于油包水乳液分離和太陽能蒸汽發(fā)電等，解決了纖維素氣凝膠耐水性差和水下機(jī)械韌性低的問題，打破了其應(yīng)用的阻礙。

　?。ㄈ?D打印氣凝膠材料取得多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)展

　　由于傳統(tǒng)氣凝膠的力學(xué)性能有限，難以通過后期加工形成所需的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)，因此定制化制備復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)材料的3D打印技術(shù)有望成為突破氣凝膠材料應(yīng)用瓶頸的先進(jìn)制造技術(shù)。2015年，美國加利福尼亞大學(xué)的研究人員首次通過3D打印技術(shù)制備石墨烯氣凝膠，此后3D打印氣凝膠逐漸成為研究熱點(diǎn)。目前，3D打印氣凝膠材料的制備中的打印方法主要有擠出式、冷場輔助按需滴落（DOD）法和光固化法3種方式。根據(jù)3D打印氣凝膠的主要組成可分為3D打印碳?xì)饽z、3D打印無機(jī)氣凝膠和3D打印有機(jī)氣凝膠。美國阿克倫大學(xué)的研究人員先采用立體光固化成型（SLA）技術(shù)制作類似于樂高積木的小磚塊，使用熔融沉積制造（FDM）工藝制作成形模，再向模具與磚塊里面注入氣凝膠后經(jīng)過脫模、固化等后處理，實(shí)現(xiàn)了氣凝膠磚塊的模塊化生產(chǎn)。瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究人員直接采用二氧化硅氣凝膠粉末的漿液進(jìn)行墨水直寫打印微型二氧化硅氣凝膠物體，該物體具有高比表面積和超低導(dǎo)熱率，可用作熱絕緣體和微型氣泵并可降解揮發(fā)性有機(jī)化合物。

　　氣凝膠發(fā)展駛?cè)搿翱燔嚨馈?/b>

　　據(jù)華誠進(jìn)出口數(shù)據(jù)觀察報(bào)道，氣凝膠的發(fā)展得到國家政策的持續(xù)支持。2014年和2015年，國家發(fā)改委連續(xù)兩年將氣凝膠列入《國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》，開始對氣凝膠進(jìn)行初步推廣應(yīng)用；2018年6月氣凝膠被列入建材新興產(chǎn)業(yè)；同年9月，第一個(gè)氣凝膠方面的國家標(biāo)準(zhǔn)《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》發(fā)布；2020年，《氣凝膠保溫隔熱涂料系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》啟用；2021年，《中共中央、國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》提出，推動(dòng)氣凝膠等新型材料研發(fā)應(yīng)用。

　　隨著氣凝膠應(yīng)用技術(shù)不斷成熟，氣凝膠發(fā)展進(jìn)入“快車道”。不過，李維科說，目前氣凝膠研究仍存在一些問題，比如氣凝膠在高溫條件下熱導(dǎo)率增長較快，與纖維等增強(qiáng)基體材料的黏結(jié)性較差；生產(chǎn)過程中會(huì)用到許多有機(jī)溶劑，容易造成環(huán)境污染；氣凝膠難以回收利用，不利于可持續(xù)發(fā)展等。

　　此外，氣凝膠生產(chǎn)成本高昂，產(chǎn)品價(jià)格昂貴?！?022氣凝膠行業(yè)研究報(bào)告》指出，氣凝膠的生產(chǎn)成本主要集中在原材料硅源、設(shè)備折舊及能耗方面。有效降低成本既依賴于制備工藝的突破，也需要通過低成本原材料的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化來實(shí)現(xiàn)。

　　氣凝膠是罕見的可以同時(shí)滿足防火、防水、隔熱、隔音等多種需求的材料。李維科說，氣凝膠的發(fā)展和應(yīng)用仍然處于不斷探索的過程，未來的研究方向主要集中在開發(fā)纖維素氣凝膠、石墨烯氣凝膠、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氣凝膠、非金屬單質(zhì)氣凝膠等新型氣凝膠上。

　　氣凝膠材料的發(fā)展和應(yīng)用仍然處于不斷探索的過程，雖然目前已在一些領(lǐng)域取得研究進(jìn)展，但仍需要解決資源利用不充分、制造成本高、技術(shù)工藝存在缺陷等問題，各主要國家還將在這一領(lǐng)域展開激烈競爭。我國在氣凝膠材料領(lǐng)域的研究水平位居世界前列，應(yīng)持續(xù)開展對氣凝膠材料制備及大規(guī)模生產(chǎn)工藝的研究，擴(kuò)展氣凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域，保持在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，華誠進(jìn)出口數(shù)據(jù)觀察報(bào)道。