展览会上展出的具有纳米多孔结构 的新型材料气凝胶服装
中新社 任海霞摄
【走近超材料①】
编者按超材料具有常规材料不具备 的超常物理性质 , 是国际上重点关注 的战略前沿领域。我国也高度重视超材料技术 的发展 ,国家自然科学基金、新材料重大专项等都对超材料研究予以立项支持。近年来 ,越来越多的科研人员对超材料产生兴趣 ,使超材料 的设计开发进入了一个崭新的天地 。据此,本版推出“走近超材料”系列报道,展示超材料技术创新发展与产业化应用情况 。
气凝胶具有高比表面积 、高空隙率等特殊 的微观结构特点 ,化学性能稳定 、导热系数低 、耐高温、使用温度范围广 、寿命长。近年来 ,中国 、美国、欧洲等国家和地区 的研究人员通过改进气凝胶制备工艺,开发出生物质基气凝胶等多种新型气凝胶。
气凝胶是一种超材料 ,它非常轻 ,即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将其压弯 。目前 ,各种各样的气凝胶被开发出来,它们或柔软或坚硬 ,或导电或绝缘 ,应用领域广泛。1月10日,中铁一局集团有限公司表示,河南省新乡蒸汽管网项目全面通过验收 。蒸汽管网对防腐 、保温要求极高,其管道选用了高温离心玻璃棉及纳米气凝胶复合保温材料。项目技术负责人汪惺说 ,纳米气凝胶隔热效果 是传统隔热材料的2—5倍,可极大提高施工质量和施工效率,降低施工成本 。
作为目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料 ,气凝胶可谓 是材料领域 的“隔热王者” ,并已在航天 、石化等领域应用 。比如“天问一号”探测器发动机与火星车表面、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶。在我国提出“双碳”目标后 ,随着技术的不断创新,气凝胶 的应用场景也在进一步扩大。
具有耐高温、高弹性、强吸附等特性
气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料,所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数,甚至可以达到99%以上 ,具有高比表面积 、高空隙率 、纳米级孔洞 、低密度等特殊的微观结构特点 ,化学性能稳定、导热系数低、耐高温、高弹性 、强吸附、防水效果好 、使用温度范围广 、寿命长。
“可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版 。”气凝胶领域技术专家王贝尔说 ,其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米 ,大于气凝胶孔隙的直径,因此空气在气凝胶上流动效率极低,加上气凝胶本身比热容很高 ,热辐射传递能降到最低 ,因而具有很好的隔热性能。
气凝胶主要分为无机气凝胶 、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中 ,无机气凝胶是以无机物为主体 ,包括单质气凝胶、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等。有机气凝胶则是以有机物为主体 ,主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势 ,实现气凝胶特殊的功能化 。
《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一,并称其为“可以改变世界的多功能新材料” 。王贝尔说,气凝胶是《科学》杂志评选出的十大新材料中,唯一一个已大规模落地于实际商业场景的材料 。
气凝胶的制备工艺主要分为两步 ,即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶 ,再利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态,从而制得气凝胶。
有数据显示 ,在气凝胶行业的成本结构中,制造成本约占45%。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说 ,降低气凝胶成本 是行业正在努力的一个方向,目前主要路径之一 是自动化产线 的落地 ,而成本降低将会打开更多的应用场景 。
生物质基气凝胶成研究热点
据中国石油管道科技研究中心评估 ,以350摄氏度蒸汽管道 的保温应用为例 ,相比于传统保温材料 ,气凝胶 的保温层厚度可减少2/3 ,节约能耗40%以上,每公里管道每年可减少二氧化碳排放125吨。
数据显示,2021年油气领域对气凝胶的需求占总需求量 的56% ,另有18%用于工业隔热 、9%用于建筑建造 、8%用于交通运输 。国家新材料产业发展战略咨询委员会在《2022气凝胶行业研究报告》中指出,在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料,可将电池包高温耐受能力提高至800摄氏度以上。随着新能源汽车产业等的发展,气凝胶在新能源汽车及储能行业应用场景广泛,需求量有望持续提升。
气凝胶发展迅速。国务院发展研究中心国际技术经济研究所分析员李维科说 ,近年来,中国 、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺 ,开发出生物质基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶 。值得一提的 是 ,生物质原料来源广泛 、成本低廉 、碳源丰富,利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶是一种经济 、可持续 的生产方式 ,因此目前生物质基气凝胶也成为研究 的热点。
比如中国科学技术大学俞书宏院士团队研发出超弹性纤维素气凝胶,该纤维素气凝胶从室温到零下196摄氏度,都表现出不随温度变化 的超弹性 、优异的抗疲劳性等,在恶劣环境中具有巨大的隔热潜力 。且制备中所使用的材料均为生物质原料 ,有望解决能源密集型技术和石化材料造成的环境污染问题, 是传统不可再生气凝胶的理想替代品。
中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质,将无机 、有机气凝胶与木材骨架基体复合,首创了第三代木质纤维素气凝胶。通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控 ,将纤维素比表面积提高了7个数量级,对油污吸附能力高达自身质量的75—300倍,体积用量缩减50%—75% ,可降解 、可再生。
气凝胶发展驶入“快车道”
气凝胶 的发展得到国家政策的持续支持 。2014年和2015年,国家发改委连续两年将气凝胶列入《国家重点节能低碳技术推广目录》 ,开始对气凝胶进行初步推广应用 ;2018年6月气凝胶被列入建材新兴产业;同年9月,第一个气凝胶方面的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》发布 ;2020年 ,《气凝胶保温隔热涂料系统技术标准》启用 ;2021年 ,《中共中央 、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作 的意见》提出,推动气凝胶等新型材料研发应用。
随着气凝胶应用技术不断成熟,气凝胶发展进入“快车道” 。不过 ,李维科说,目前气凝胶研究仍存在一些问题,比如气凝胶在高温条件下热导率增长较快 ,与纤维等增强基体材料 的黏结性较差 ;生产过程中会用到许多有机溶剂 ,容易造成环境污染 ;气凝胶难以回收利用 ,不利于可持续发展等。
此外 ,气凝胶生产成本高昂 ,产品价格昂贵。《2022气凝胶行业研究报告》指出 ,气凝胶 的生产成本主要集中在原材料硅源 、设备折旧及能耗方面 。有效降低成本既依赖于制备工艺 的突破 ,也需要通过低成本原材料 的大规模产业化来实现。
气凝胶 是罕见 的可以同时满足防火 、防水 、隔热、隔音等多种需求的材料。李维科说,气凝胶 的发展和应用仍然处于不断探索 的过程,未来 的研究方向主要集中在开发纤维素气凝胶、石墨烯气凝胶 、钙钛矿结构气凝胶 、非金属单质气凝胶等新型气凝胶上。(记者 李 禾)
14部门公布内外贸一体化试点地区名单******
新华社北京1月11日电(记者谢希瑶)记者11日从商务部获悉,在地方自愿申报 的基础上,经专家评审、向社会公示,商务部等14部门研究确定了内外贸一体化试点地区名单,包括北京市、上海市、江苏省、浙江省(含宁波市)、福建省(含厦门市) 、湖南省 、广东省(含深圳市) 、重庆市 、新疆维吾尔自治区。
据了解,《商务部等14部门办公厅(室)关于公布内外贸一体化试点地区名单 的通知》已于近日下发 。通知要求,试点地区商务主管部门要牵头会同有关单位建立试点工作联系机制,加强组织协调 ,进一步完善试点工作方案 ,紧密围绕完善内外贸一体化体制机制 、提高内外贸一体化发展能力、优化内外贸一体化发展环境确定试点目标 、试点任务和职责分工 ,细化配套政策和工作措施 ,制定时间表 、路线图 ,确保试点工作落到实处、取得实效。计划单列市可结合实际 ,单独制定试点工作方案并实施。
通知提出,要突出目标导向 ,聚焦若干重点产业 ,力争培育一批内外贸一体化经营企业,打造一批内外贸融合发展平台 ,形成一批具有国际竞争力 、融合发展的产业集群 ,建立健全促进内外贸一体化发展体制机制。要突出问题导向 ,梳理解决一批市场主体在开展内外贸一体化经营中遇到的实际问题。要及时评估总结 ,形成一批可复制推广的经验和模式,为促进内外贸融合发展发挥示范带动作用 。各地区要积极复制推广试点地区成功经验和模式,促进内外贸高效运行 、融合发展 。
(文图 :赵筱尘 巫邓炎)