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)
他们 ,为春运“砍出”安全通道******
(新春走基层)他们,为春运“砍出”安全通道
中新网惠州1月12日电 题 :他们,为春运“砍出”安全通道
作者 郭军 龚震 黄金水
1月11日7时35分 ,小雨淅沥,山路湿滑,广铁集团惠州电务段一支6人 的队伍 ,艰难跋涉在广东省和平县阳明镇的大山之间,他们攀岩而上、钻过树丛 ,对京九铁路供电线进行停电砍青作业。他们 ,为春运“砍出”安全通道 。
“天蒙蒙亮,我和伙计们就带上油锯、麻绳 、云梯 ,准备今天大‘干’一场 。”和平信号水电车间的党员工班长何兴奇介绍 ,6人砍青队里 ,年龄最大 的45岁 ,最小的31岁 ,年纪最轻 的他 是这个班组 的“一家之长” 。
据悉 ,和平地处粤赣两省交界处,京九铁路穿山而过,近期树木长势汹汹,给春运期间的供电安全留下隐患。
“砍青队”通过踩踏“云梯”进行爬山 何智凡 摄9时10分,电力工吴远航扛着“伸缩云梯”在前面开路 ,遇上路滑的山沟,将云梯一拉就变成“梯路”,为后方 的工友铺路,大家顺着“梯路” ,依次越过水沟 ,拉着藤曼 ,费力地一点点朝着山上攀爬 。
11时5分 ,艰难地攀爬2小时后,电力人员到达山顶作业地点。在做好安全措施后,选定此次需要砍伐 的树木 ,技术骨干吴远航熟稔地挥动着电锯开始锯子树 ,木屑随着锯条在空中散播 ,手上、衣服上挂满了荆棘 、木屑 ,不一会 ,就变成了一个“小黄人”。身后的工友们,奋力地挥舞着砍刀,砍向大树旁边 的树木竹枝等,一边注意着吴远航锯树的进度,做好防护。
时间一点点过去 ,山顶寒风阵阵 ,厚厚的工作服被汗水浸湿 ,又被风吹干……
“砍青队”在清理影响供电线路的树木 何智凡 摄“上来一趟不容易,下来一趟也特别 的难 ,所以我们会在计划时间内完成尽可能多的工作。”中途,工长何兴奇拿起地上 的水壶,仰头咕咚咕咚喝了3大口,喘着粗气说道:“京九铁路和平段供电线路已运行20余年,两路电源全程256.153公里 ,全部架设在陡峭的群山上。我们砍青队每年要跨越21座海拔约900至1500余米 的山峰 ,根据树木生长 的速度,多次进行砍青作业,以确保东水至定南四站近100公里电力线路的安全。”
下午13时,小雨还在飘洒,工人们找到一处可以避雨 的空地 ,席地而坐,拿出了包子、馒头、牛奶充饥,何兴奇的嘴里塞了一个馒头,踮脚眺望,估算着下午 的工作量和所需 的时间。
“电力设备都设在大山上,山路崎岖 ,我们上下一次要4个小时,有时检修要穿过4.5公里 的五指山隧道 ,没有办法回到工区吃饭 ,带上干粮简单解决午饭 ,既省事又能节省来回时间。”砍青队的”大内总管”刘小磊说。
16时,经过近4个小时的鏖战 ,影响和平至上陵贯通 、自闭架空支线的树木、树枝已清理完毕 。(完)
(文图 :赵筱尘 巫邓炎) [责编:天天中] 阅读剩余全文() |