气凝胶纳米材料的研究发展论文

为了满足各种生产生活需求，人类发明创造了各种各样的材料，气凝胶作为绝热材料、催化剂载体等等广泛应用在各个领域，科学家们研制出了一种超轻材料，这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度仅为0.16mg/cm³，是空气密度的六分之一，也是迄今为止世界上最轻的材料。“气凝胶”是半固体状态的凝胶经干燥、去除溶剂后的产物，外表呈固体状，内部含有众多孔隙，充斥着空气，因而密度极小。浙江大学高分子科学与工程学系高超教授的课题组将含有石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境下冻干，去除水分、保留骨架，成功刷新了“最轻材料”的纪录。此前的“世界纪录保持者”是由德国科学家在2012年底制造的一种名为“石墨气凝胶”的材料，密度为每立方厘米0.18毫克。虽然看上去“脆弱不堪”，但“全碳气凝胶”在结构韧性方面却十分出色，它可以在数千次被压缩至原体积的20%之后迅速复原。此外，“全碳气凝胶”还是吸油能力最强的材料之一。现有的吸油产品一般只能吸收自身质量10倍左右的有机溶剂，而“全碳气凝胶”的吸收量可高达自身质量的900倍。据专家介绍，“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量是250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有机物的速度极快：每克这样的“碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。 20世纪，实验室正在对这一材料的吸附性能进行进一步的应用性研究。科研人员声称，“碳海绵”还可能成为理想的相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料。不过很难准确预计其应用领域与前景，还得依靠 社会 以及产业界的想象力，让这个新材料走出实验室，实现应用价值。

气凝胶（aerogel）是一种纳米多孔网状结构的固体材料，是目前已知隔热保温性能最好的固体材料，1931年由美国Kistler.S.发明，因轻若薄雾颜色泛蓝，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”，创下15项吉尼斯纪录，与石墨烯、富勒烯等被共誉为改变世界的十大新材料之一，也是世界上最轻的固体材料，在热学、光学、电学、力学、声学等领域具备突出性能，列入20世纪90年代以来10大热门科学技术之一，是具有巨大应用价值的军民两用技术。目前国内研究单位主要有中凝科技等高新技术企业。

（1）全球气凝胶市场情况

Allied市场研究公司2014年6月发布的报告称，全球气凝胶的市场价值在2013年2.218亿美元，估计到2020年可达18.966亿美元，在预测期内（从2014–2020）的年复合增长率为36.4%。随着气凝胶材料在新的应用领域探索的持续进步，市场预计，随着时间的推移市场增长的动力会进一步增强。

据了解，美国Aspen公司2008～2013年的复合增长率为33.8%，Allied公司的报告可以认为是主要基于美国Aspen公司业绩情况的较为保守的预测报告，实际上随着亚太市场的发展，特别是中国气凝胶企业的崛起，气凝胶行业未来的发展将显著加快。

据Freedonia研究公司报告，在2010年，全球绝热材料市场估计规模为321亿美元，未来年增长率为6.3%，到2019年可达556亿美元。其中工业和设备领域约占总份额三分之一，建筑领域占总分额的三分子二。

气凝胶材料目前占据了整个绝热材料市场金字塔模型的塔尖部分，目前在整个绝热材料市场中的规模几乎是微不足道，这一方面说明气凝胶产业仍然处于早期起步阶段，同时又预示着其未来巨大的发展空间。

（2）国内气凝胶市场情况

国内市场起步较晚，前期主要是国外气凝胶产品在销售，价格较昂贵，市场推广力度也较小，近年来随着国内气凝胶企业逐步增多，实力不断增强，成本不断下降，规模不断扩大，再得益于国内节能减排政策推行和经济体量的的迅速扩大，气凝胶行业驶入了快速发展通道。2015年是国内气凝胶规模的突变之年，预计2020年将达到37.16亿元，2015年到2020年的复合增长率约达61.1%。

目前国内军品领域需求主要集中在航天、兵器及舰艇等领域；中凝科技气凝胶毡可用于民用领域的石油化工、轨道交通、电力工业、矿用井下救生舱和城镇热力管网已经形成一定的市场规模并继续快速增长，特种服装和帐篷、LNG管线、建筑节能领域应用也开始少量试用后期市场巨大。预计进入“十三五”节能环保产业将继续获得快速发展。预计2015年到2020年气凝胶材料将在工业和设备领域获得大批量应用，2020年开始全面替换传统工业保温材料，分享国内每年约500多亿的市场。预计2020年开始，气凝胶材料在建筑领域将开始大规模的应用，2025年将全面替代传统建筑保温材料，分享国内每年1000多亿的市场。

目前气凝胶及其复合材料在节能保温板块已具备产业化能力和广阔市场前景。其综合性能和成本均优于传统保温材料，在工业领域，通过大幅降低散热损失，从而减少了源头能源消耗，也减少了碳排放量，不仅为客户创造了节能经济效益，也为环保贡献了一份力量。随着国家节能标准的提高，气凝胶产业化的逐步深入，这种被公认为最先进的隔热保温材料，将逐步替代传统的隔热保温材料，分享千亿级别的隔热保温市场。

气凝胶，作为世界最轻的固体，已入选吉尼斯世界纪录。这种新材料密度仅为3.55千克每立方米，仅为空气密度的2.75倍；干燥的松木密度（500千克每立方米）是它的140倍。这种物质看上去像凝固的烟，但它的成分与玻璃相似。由于它的密度极小，用于航空航天方面。在这个科技日异月新的时代，气凝胶的前景还是很大的，因为航天事业是科技创新的一大步。个人意见，仅供参考

这种特性也是由气凝胶本身的物理构成所决定的，它本身就是一种比较特殊的存在，非常轻却有非常不错的特性以及实用性，能被用在很多的方面。

因为它的内部结构导致了它能耐高温，它的内部结构比较不活泼，所以可以耐高温。