摘要

氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，由于其獨特的材料性質(zhì)，在航天、軍工、石化、電力、冶金、建筑、服裝等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。自1931年發(fā)明以來，世界各國競相展開對其技術(shù)研發(fā)的追逐，目前由沃世達公司獨創(chuàng)的生產(chǎn)工藝，攻破了氣凝膠產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的世界性難題，為中國在該新型材料的研發(fā)及應(yīng)用方面奪得了先機。

一、氣凝膠的研發(fā)概況

氣凝膠（英文名稱：aerogel）是一種固體物質(zhì)形態(tài)，世界上密度最小的固體。這種形態(tài)由90%以上的空氣和不足10%的固體構(gòu)成，非常堅固耐用，可以承受相當于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，在溫度達到1400℃時才會熔化。此外它的導(dǎo)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。由于具備這些特性，氣凝膠廣泛應(yīng)用于航天、軍工、石化、電力、冶金、建筑、服裝等眾多領(lǐng)域。世界上最權(quán)威學(xué)術(shù)雜志之一，美國《科學(xué)》雜志第250期將氣凝膠列為世界十大新科技之一。

各國科學(xué)家競相開展氣凝膠研究競賽

自1931年美國科學(xué)家Samuel Stephens Kistler在實驗室里制得氣凝膠以來，美國、日本、歐洲諸多國家都在對氣凝膠技術(shù)進行深入的研究，國際上關(guān)于氣凝膠材料的研究工作主要集中在德國的維爾茨堡大學(xué)、BASF公司；美國的勞倫茲?利物莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室；法國的蒙彼利埃材料研究中心；日本高能物理國家實驗室等。美國的Nanopore公司、Aerojet公司以及德國的BASF公司、Hoechst公司等已經(jīng)開展了氣凝膠的商業(yè)應(yīng)用研究。

國內(nèi)方面，SiO2氣凝膠的制備及其特性研究九十年代才起步。2012年，國家工信部發(fā)布了《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，將有機硅新材料列入其中，其中，氣凝膠屬于有機硅的尖端材料。清華、同濟、國防科技大學(xué)都申請到了國家“863研究項目”的經(jīng)費支持，拿到上億元的經(jīng)費。

目前世界上取得氣凝膠的主流制備方法為超臨界干燥法，但該方法程序繁雜、周期長、產(chǎn)量低、成本高，嚴重制約了氣凝膠的實際應(yīng)用，這也是一直以來世界上各個國家只在尖端軍事領(lǐng)域和航天領(lǐng)域才使用氣凝膠技術(shù)的主要原因。

集全國頂尖科研之力，耗費20多年時間，國內(nèi)的研究機構(gòu)模仿國外超臨界干燥工藝，已經(jīng)成功模仿生產(chǎn)出接近國外的產(chǎn)品。航天306所剛剛設(shè)計搭建出國內(nèi)首套1000升超臨界二氧化碳氣凝膠干燥設(shè)備，年產(chǎn)量為100立方米，但還無法與世界其他國家媲美，因此也一直沒有實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。

沃世達的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝世界領(lǐng)先

氣凝膠生產(chǎn)投入大、產(chǎn)出小，成本高的難題，已經(jīng)成為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要障礙。

沃世達獨辟蹊徑，拋棄主流的超臨界干燥法，采用創(chuàng)新的獨立研發(fā)工藝，只需常規(guī)設(shè)備便成功制備出高水平產(chǎn)品，攻克了氣凝膠大規(guī)模生產(chǎn)的世界性難題，且產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)高于世界先進水平，是目前世界上唯一一家使用常規(guī)設(shè)備生產(chǎn)氣凝膠的單位，打破了國外的技術(shù)壁壘。

此前世界上氣凝膠的總產(chǎn)量大概在25000立方米左右，而且大部分出自美國阿斯彭和卡博特兩家公司，公司目前可以實現(xiàn)3000立方米的年產(chǎn)量，達到世界總產(chǎn)量的1/8左右。國內(nèi)目前氣凝膠的總產(chǎn)量不超過300立方米，僅為公司產(chǎn)能的1/10。而且公司的生產(chǎn)模式可以隨時進行復(fù)制，根據(jù)實際需求，迅速擴大生產(chǎn)規(guī)模增加產(chǎn)量，滿足任何訂單要求。公司生產(chǎn)的產(chǎn)品單位價格低于國內(nèi)市場價格，甚至低于國外成本價格，具有很高的性價比和實用性。同時我們擁有強大的研究團隊提供技術(shù)支持，一直在針對軍事領(lǐng)域進行專項科研，力求設(shè)計出滿足我軍各領(lǐng)域需求的產(chǎn)品和解決方案，并未將來可能出現(xiàn)的一切需求做好了研究準備。

二、氣凝膠的特性及應(yīng)用

氣凝膠具有隔熱、耐高溫、降噪音、防爆、吸附、耐腐蝕、催化、透光、低介電常數(shù)等特性，可廣泛應(yīng)用于航天航空、軍工、集成電路、化工、新能源等多個領(lǐng)域。

隔熱、耐高溫

由于氣凝膠近于無窮多納米孔的存在，熱流在固體中傳遞時就只能沿著氣孔壁傳遞，近于無窮多的氣孔壁構(gòu)成了近于“無窮長路徑”效應(yīng)，使得固體熱傳導(dǎo)的能力下降到接近最低極限。

氣凝膠具有耐高溫、隔熱的特性

以二氧化硅氣凝膠為原料，分別與紙漿、鋁箔、玻璃纖維、聚氨基甲酸酯纖維、聚丙烯腈預(yù)氧化纖維或酚醛纖維相結(jié)合，生產(chǎn)出質(zhì)量輕、耐高溫、隔熱性好、阻燃性好、隔音降噪效果好的氣凝膠氈或者氣凝膠板。

將氣凝膠和鋁箔結(jié)合，用作STP保溫板填充芯材，制備的STP板比用傳統(tǒng)材料超細玻璃棉制備的STP板隔熱效果更好，且質(zhì)量更輕。我們將氣凝膠與玻璃纖維或玻璃纖維棉結(jié)合制備出來的氣凝膠氈，不僅保溫隔熱的效果非常好，還具有極耐高溫的特點，在-130℃到1200℃的范圍內(nèi)仍可表現(xiàn)出良好的隔熱效果。這樣的STP板不僅可以用于庫房、冷藏室、特制帳篷等固定場所保溫，還可以在戰(zhàn)地指揮車、恒溫運輸箱、機車熱源、精密儀器儲存箱等移動場所隔熱。氣凝膠在上述場所中的應(yīng)用相比于同類的隔熱保溫材料均具有突出的優(yōu)勢。

將氣凝膠和紙漿聚氨酯纖維、預(yù)氧化纖維酚醛纖維或無紡纖維等結(jié)合可以制作出隔溫性、強度、柔韌性能、延展性能等方面各有不同的氣凝膠氈或布料，可以在裝甲坦克飛機駕駛艙內(nèi)襯、極限環(huán)境營地帳篷、鍋爐熱源保溫、被褥服裝、內(nèi)襯頭盔、軍服冬裝、消防服裝等多個方面進行應(yīng)用。

氣凝膠材料制作的服裝

防爆

在氣凝膠生產(chǎn)過程中，如果添加適量的纖維，可以在不改變氣凝膠特性的情況下改善其力學(xué)性能，這種改善后的氣凝膠既具有納米介孔的微觀結(jié)構(gòu)，又具有纖維骨架結(jié)構(gòu)。在爆炸沖擊波傳播過程中，氣凝膠介孔結(jié)構(gòu)將沖擊波不斷耗散，同時其介孔結(jié)構(gòu)也遭到破壞而發(fā)生了粉碎，由于粉碎后氣凝膠的骨架呈現(xiàn)彎曲的狀態(tài)，沖擊波在氣凝膠的骨架中出現(xiàn)曲線傳播現(xiàn)象，進一步促進了沖擊波的衰減。相比目前作為內(nèi)襯材料常用的泡沫鋁，氣凝膠具有很明顯的優(yōu)勢，氣凝膠中的黏性耗散效應(yīng)導(dǎo)致沖擊波在氣凝膠中的傳播出現(xiàn)衰減和彌散的現(xiàn)象，沖擊波的傳播速度在氣凝膠中低于在泡沫鋁中使得沖擊波在氣凝膠中傳播時的追趕卸載效應(yīng)要強，氣凝膠內(nèi)部特殊的納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致沖擊波在氣凝膠中衰減比在泡沫鋁中衰減更快更明顯。據(jù)英國《泰晤士報》報道，厚度為6mm氣凝膠可以經(jīng)受住1kg炸藥爆炸時產(chǎn)生的沖擊波的威力。

利用該特性，我們可以把氣凝膠應(yīng)用于坦克、裝甲、飛機、倉儲、動力設(shè)施等需要隔爆的環(huán)境中。事實上，近幾年來，外軍已經(jīng)開始逐漸將氣凝膠應(yīng)用在坦克、裝甲車等重型機車中。

美國宇航局正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進行測試。根據(jù)試驗室的試驗情況來看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那么，就算被炸藥直接炸中，對金屬片也分毫無傷。

吸附作用

由于氣凝膠由納米顆粒骨架構(gòu)成，具有高通透性的三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有很高的比表面積(600～1200 m2?g-1) 和孔隙率(高達90 %以上)，且孔洞又與外界相通，因此它具有非常良好的吸附特性，對比疏水SiO2氣凝膠、活性炭纖維以及活性炭顆粒對吸附介質(zhì)為苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附性能測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SiO2氣凝膠的吸附性能較活性炭纖維(ACF)和活性炭顆粒(GAC)更為優(yōu)越。而且通過改性制備出的疏水SiO2氣凝膠，可以避免親水型活性炭在潮濕環(huán)境下吸附性能大幅降低這種缺陷。同時若將SiO2氣凝膠進行第一次吸附脫附后，再次進行吸附研究，SiO2氣凝膠可方便地經(jīng)由熱氣流脫附，再吸附容量基本不變，這就為循環(huán)利用創(chuàng)造了有利的條件。通過技術(shù)調(diào)整，氣凝膠的吸附作用可體現(xiàn)為吸收、排斥、凈化等形式。

以防毒面具為例，防毒面具作為一種個人特種勞動保護用品，也是單兵防護用品，其過濾元件內(nèi)除了有一層針對空氣顆粒物的濾煙層，還裝有專門對付毒氣蒸汽的防毒炭，防毒炭不僅要有非常發(fā)達的微孔結(jié)構(gòu)，還要借助催化劑進行物化反應(yīng)，除去氣體中的毒害物質(zhì)。我們將氣凝膠和防毒炭結(jié)合，利用氣凝膠的納米介孔結(jié)構(gòu)使得結(jié)合后的防毒炭吸附作用大大提高，同時氣凝膠穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)使得其在作為催化劑載體非常有優(yōu)勢，各種性質(zhì)的催化劑都可以使用，這樣我們也可根據(jù)需求制作多種用途的防毒面具。

氣凝膠自由調(diào)整親水疏水性，可海上石油泄漏油收集；其結(jié)構(gòu)具有孔隙均勻的特點，可以用于油基水基保溫涂料添加劑、核泄漏吸附、核電四廢吸附等，甚至作為飛機、汽車的儲油裝置。

利用氣凝膠的吸附作用，1999年，NASA為“星塵”號太空探測器配備了一個充滿氣凝膠的塵埃搜集裝置，用于捕獲彗星尾巴中的塵埃。

防腐蝕

氣凝膠熱穩(wěn)定性非常好，且經(jīng)過表面處理的氣凝膠疏水后，使其在極端高溫及惡劣腐蝕環(huán)境下仍具有良好的穩(wěn)定性能，有效抵抗各種腐蝕。

催化

氣凝膠是一種由納米粒子組成的固體材料，這種材料具有小粒徑、高比表面積和低密度等特點，這些特點使氣凝膠催化劑的活性和選擇性均遠遠高于常規(guī)催化劑，而且活性組分可以非常均勻地分散于載體中，同時它還具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，可以有效的減少副反應(yīng)發(fā)生。

隔音

氣凝膠內(nèi)部充滿了兩端開放并與表面相通的納米孔，其高達400--1000m2/g的比表面積說明了其中包含孔的數(shù)量之多，因此聲音在其中傳播時，聲能將被其大量存在的孔壁大大消耗，這使得氣凝膠具有比普通多孔材料高數(shù)十倍的吸聲效果，是一種理想的聲學(xué)延遲或高溫隔音材料。二氧化硅氣凝膠的聲阻抗可變范圍較大(103—107 kg/m2·s)，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料和隱形材料。

如果應(yīng)用于軍工領(lǐng)域，可實現(xiàn)飛機、艦船（艇）、坦克等的隔音降噪，尤其是潛艇的隔音降噪；移動、固定指揮所等軍用設(shè)施的隔音降噪；還可以制造隱形涂料，用于隱形戰(zhàn)機、飛行器等。

透光

純凈的SiO2氣凝膠是透明無色的，它的折射率（1.006～1.06）非常接近于空氣的折射率，這意味著SiO2氣凝膠對入射光幾乎沒有反射損失，能有效地透過太陽光。具體可應(yīng)用到軍用太陽能設(shè)備集熱器的制造和軍用太陽能武器的透光零部件的生產(chǎn)中。

低介電常數(shù)

氣凝膠具有低介電常數(shù)（1<e<2），而且可通過改變其密度調(diào)節(jié)介電常數(shù)值。一般而言，所用襯底材料的介電常數(shù)越低，則運算速度越快?，F(xiàn)在集成電路所用的襯底材料為Al2O3，其介電常數(shù)為10，目前的趨勢是使用聚酰亞胺（e~3）或其它高聚物介電材料替代Al2O3，然而，高聚物的熱膨脹系數(shù)較高，容易引起應(yīng)力以及變形。氣凝膠具有一些更優(yōu)越的特性，其介電常數(shù)值很低且可以調(diào)節(jié)，其熱膨脹系數(shù)與硅材料相近因此應(yīng)力很小，而且相對聚酰亞胺它有良好的高溫穩(wěn)定性。因此如將集成電路所用的襯底材料改成氣凝膠薄膜，其運算速度可提高3倍。

可以用于超級計算機、衛(wèi)星探測系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等零部件的制造；延長鉛酸電池（用于飛機、艦船（艇）、坦克等）的使用壽命。

三、在航天和軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊

新型材料氣凝膠與傳統(tǒng)隔熱材料相比，可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達到更好的隔熱效果，它的吸附特性能夠有效抵抗沖擊，捕獲太空粒子，這些特點在航天應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢。具體可以應(yīng)用于：

1、航天器艙體建筑材料，可以達到隔熱、保溫、防沖擊、防輻射、防靜電、防腐蝕的效果，還可以有效減少航天器自身重量；返回艙的外層涂料，實現(xiàn)返回大氣層時隔熱效果。

2、宇航服的制作，實現(xiàn)保溫、防沖擊、防輻射等效果。

3、星球探測車制造材料，外星探測設(shè)備精密部件保護（防輻射）。

4、吸附、捕獲太空粒子。

氣凝膠外層涂料可以實現(xiàn)飛機隱身效果

同樣的特性在軍工領(lǐng)域，則可以應(yīng)用于：

1、飛機、艦船（艇）、坦克、導(dǎo)彈等的外層涂料（防輻射、吸收紅外線和漫反射波，躲避探測實現(xiàn)隱形功能；屏蔽自身電子信號，實現(xiàn)反偵察。）、內(nèi)部零件（防靜電處理、絕熱保溫系統(tǒng)）、外部設(shè)備（控制艙玻璃、履帶、輪胎等的防爆處理。）

2、氣凝膠復(fù)合珍珠巖保溫房屋、戰(zhàn)機防彈機窩、復(fù)合纖維保溫帳篷。

3、氣凝膠復(fù)合防彈衣、防紅外線服裝面料（隱形衣）、防毒面具。

甚至在不遠的未來，氣凝膠將在太陽能武器、太空粒子武器、氣凝膠機器人的研發(fā)；激光武器的研發(fā)和防護中發(fā)揮重要的作用。