神奇的化工材料气凝胶，你知道多少用途？

本网编辑 2023-04-10

气凝胶，号称是“世界上最轻的固体”，因为质量轻、隔热强、承受力大，被广泛应用于各行各业，现阶段我国气凝胶产品下游主要集中在油、气、工业管道保温等领域，发展潜力巨大，在尖端研究领域如航空航天、医药、汽车电池等方面已颇具成果。

气凝胶在世界范围内起步很早，可追溯到1931年，当时美国斯坦福大学的Samuel Stephens.Kistler提出要证明一种具有相同尺寸的连续网络结构的固体“凝胶”，是从湿凝胶中驱除液体而不破坏固体形状。按照通常的技术路线，很难做到这一点，一旦让湿凝胶干燥，凝胶将会收缩，这种收缩经常是伴随着凝胶的严重破裂。Kistler采用乙醇超临界干燥技术，制备出世界上第一块气凝胶——SiO2气凝胶，他预言气凝胶在催化、隔热、玻璃和陶瓷等领域有极大的应用价值。

气凝胶的超强隔热性能

但在其后几十年的发展里，气凝胶的产业化几经波折，已经历了三次产业化，目前正在第四次产业化的迅速发展中。在这期间，扩展了新的技术方向与应用市场，诞生了真正将气凝胶商业化运作的著名公司。

气凝胶产业化发展历程

国内最早于1955年，由同济大学波尔固体物理研究所对气凝胶展开研究。随后，清华大学、东华大学等高校也涉足过这个领域。中国技术工作者在常压干燥领域投入精力较多，到2004年，国内开始出现从事气凝胶材料产业化研究的企业，逐步推动气凝胶市场的成熟化、规模化，扩展和开发新兴应用领域，成为气凝胶第四次产业化的主力军。

国家高度重视气凝胶的推广应用，将其列入战略性新兴产业，相关政策逐步完善。气凝胶的应用极为广泛，一般用于绝热、隔热材料，隔音材料，催化剂，吸附剂；在新能源方面，例如新型电池、储氢材料也有所应用。

据中国石油管道科技研究中心评估，以350℃蒸汽管道的保温应用为例，相比于传统保温材料，气凝胶的保温厚度减少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。

气凝胶的应用

气凝胶隔热原理为：热传导、热对流、热辐射三个方面分别可达到“无穷长路径”效应、“零对流”效应、“无穷多遮热板” 效应。

阻隔热传导：

纳米级颗粒间的接触面积极小、传热面积小；

热量在纳米颗粒间传导路径理论上无限长，热传导率低。

限制热对流：

静止空气常温热运动平均自由程69纳米，气凝胶平均孔径都小于60纳米，空气分子被锁住而不能进行对流传热。

降低热辐射：

气凝胶纳米材料配合红外遮光剂，可以有效遮蔽并反射红外热辐射，避免以热辐射形式散失热量。

气凝胶优秀特性为：具有极低的导热率，隔热，轻薄，优秀的防火、疏水、抗拉抗压性能

序号	性能特征	具体指标
1	最低的密度的固体	<1.5mg/mL
2	最小的孔径	1~100nm
3	最高的孔洞率	>99.9%
4	最高的比表面积	200-1000 m2/g
5	最低的热导率	常温常压下可达0.013 w/(k<unk>m)
6	极优的防火性能	防火等级A1级,烟雾等级AQ1级
7	超疏水性	增水率>99%
8	最低的声传播速度	<70m/s
9	最低的介电常数	<1.003
10	最低的折射率	<1.0003

广泛应用于新能源汽车、国防军工、城市热力管网、建筑节能、石油化工、工业窑炉等各领域。

在新能源电池中使用的气凝胶是以正硅酸乙酯为硅源、通过溶胶—凝胶法制备，让溶胶小颗粒形成高分子的空间网络状结构，通过老化形成为纳米多孔结构、经化学改性可做到全方位疏水，再用二氧化碳超临界干燥将空间空间结构内的液体置换成气体，这种容纳空气的多孔结构就是无机的二氧化硅气凝胶。气凝胶绝热制品的常温导热系数低于 0.018 W/(M·K)，有优异的高温绝热性能。

目前主要的纤维基材是陶瓷纤维、玻璃纤维，预氧丝（黑色）

陶瓷纤维基材气凝胶隔热垫（耐温1050℃）

以陶瓷纤维为基材的SiO2,气凝胶复合材料通过嵌入硅胶框覆膜加工工艺而成。

预氧丝基材气凝胶隔热垫（耐温450℃）

以预氧丝为基材的SiO2气凝胶复合材料。通过嵌入硅胶框覆膜加工工艺而成。也可喷涂阻燃胶粘剂直接应用。

玻璃纤维基材气凝胶隔热垫（耐温650℃）

以玻璃纤维为基材的SiO2,气凝胶复合材料通过嵌入硅胶框覆膜加工工艺而成。

气凝胶隔热垫工艺流程

（四）隔热垫在电池包应用

为抑制电池热蔓延多以经过加工封装的气凝胶毡制成气凝胶垫安装分布于电芯之间。当动力电池发生内部或外部短路后，短时间内电池释放出大量热量，温度急剧升高，导致热失控，通过热扩散，单个热失控电池通过热传导和火焰引发临近的电池发生热失控，导致整个电池模组/电池包发生热失控，从而引发新能源汽车起火爆炸等安全事件。这就好比在茂密的森林之中，如果一颗树木被引燃，会逐渐蔓延起来，形成大范围的森林火灾。

通过在电池组间加装气凝胶隔热垫，在电芯出现热失控的情况下可有效抑制热扩散，延缓事故发生。另一方面，气凝胶隔热垫具有导热系数低、保温效果好、A级防火、质量轻等特点，应用于电池包保温，在保证电池低温环境下的使用性能的同时，能为空间有限的电池包节省更多宝贵空间。

（五）应用案例

创新电池结构	冷却散热排爆系统	隔热防火材料
宁德时代麒麟电池	口琴管内外双层冷却板置于电芯双面实现大面积冷却,倒置排爆	电芯间/水冷板+气凝胶
岚图云母电池	底部大片水冷板	三维隔热墙/云母+气凝胶
比亚迪刀片电池	无模组设计,导热更快,电池扁长化,散热面积大,水冷板置顶	气凝胶、陶瓷化硅橡胶
广汽弹匣电池	三维降温冷却系统	网状纳米孔隔热材料（据推测是气凝胶）

文章内容整合自公开信息，责任编辑：胡静，审核人：李峥

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