氣凝膠助力太赫茲技術(shù)應(yīng)用 氣凝膠行業(yè)未來發(fā)展趨勢及前景預(yù)測

• 黃文玉 2023年12月28日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 科技日報 279 10
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氣凝膠是指通過溶膠凝膠法，用一定的干燥方式使氣體取代凝膠中的液相而形成的一種納米級多孔固態(tài)材料。如明膠、阿拉伯膠、硅膠、毛發(fā)、指甲等。

近日，瑞典林雪平大學(xué)科學(xué)家在最新一期《先進(jìn)科學(xué)》雜志上發(fā)表研究，展示了一種由纖維素和導(dǎo)電聚合物制成的新型氣凝膠。這種氣凝膠可對通過其中的高頻太赫茲光進(jìn)行調(diào)節(jié)，為醫(yī)學(xué)成像、通信等領(lǐng)域帶來新的應(yīng)用可能性。研究結(jié)果表明，該氣凝膠可通過簡單的氧化還原反應(yīng)來調(diào)節(jié)太赫茲光的吸收。這一特性使得氣凝膠可作為太赫茲光的可調(diào)濾波器，根據(jù)需求開啟或關(guān)閉太赫茲信號的吸收。這對于接收來自太空的長程信號或雷達(dá)信號具有重要意義。

氣凝膠是指通過溶膠凝膠法，用一定的干燥方式使氣體取代凝膠中的液相而形成的一種納米級多孔固態(tài)材料。如明膠、阿拉伯膠、硅膠、毛發(fā)、指甲等。氣凝膠也具凝膠的性質(zhì)，即具膨脹作用、觸變作用、離漿作用。氣凝膠是世界上密度最小的固體，2022年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一。氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，世界上密度最小的固體。密度為3千克每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其最早由美國科學(xué)工作者Kistler在1931年因與其友打賭制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等等。

氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構(gòu)成。在溶膠凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應(yīng)條件，在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)的納米團(tuán)簇，團(tuán)簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態(tài)骨架周圍則充滿化學(xué)反應(yīng)后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的破壞，采用超臨界干燥工藝處理，把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內(nèi)的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體，氣液界面消失，表面張力不復(fù)存在，此時將這種超臨界流體從壓力容器中釋放，即可得到多孔、無序、具有納米量級連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度氣凝膠材料。

氣凝膠可以按主要成分分為硅系、碳系、硫系、金屬氧化物系和金屬系等，也可以分為單組分氣凝膠(如二氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠等)和多組分氣凝膠(二氧化硅/氧化肽氣凝膠、有機/無機復(fù)合氣凝膠等)。這些不同類型的氣凝膠具有各自特點，在不同領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。氣凝膠還可分為無機氣凝膠，如硅氣凝膠(強隔熱性能等)，有機氣凝膠，如以間苯二酚和甲醛為原料制備的RF氣凝膠，還有綜合了無機氣凝膠以及有機氣凝膠優(yōu)點的無機一有機復(fù)合氣凝膠。

氣凝膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及市場供需格局分析

氣凝膠獨特性能受到了眾多行業(yè)青睞，但整體高昂的原料成本和制造費用而使用受限。數(shù)據(jù)顯示，目前材料成本約占總成本的48%，制造成本約占44%。具體來看，氣凝膠的生產(chǎn)成本主要集中在硅源(原料)、設(shè)備折舊(干燥)及能耗(干燥)方面。硅源可分為有機硅源和無機硅源。其中，有機硅源包括正硅酸甲酯(TMOS)、正硅酸乙酯(TEOS)等功能性硅烷;無機硅源包括四氯化硅、硅酸鈉等。

多家行業(yè)龍頭企業(yè)開始入局氣凝膠行業(yè)，目前新進(jìn)的企業(yè)的背景包括工程裝備龍頭企業(yè)中國化學(xué)、硅烷龍頭企業(yè)晨光新材、含硫硅烷龍頭企業(yè)宏柏新材、ePTFE膜龍頭企業(yè)泛亞微透等。目前國內(nèi)氣凝膠企業(yè)分為材料和加工兩類型，除了納諾科技和愛彼愛和既可以生產(chǎn)又可以加工氣凝膠制品外，埃力生等企業(yè)則只提供氣凝膠材料給加工廠，通過加工企業(yè)進(jìn)一步加工成制品。

數(shù)據(jù)顯示，我國氣凝膠下游應(yīng)用中占比最多的為油氣項目，約占56%;其次是工業(yè)隔熱占18%、建筑制造占9%、交通運輸(鋰電)占8%。油氣和工業(yè)隔熱仍將是氣凝膠應(yīng)用的主戰(zhàn)場，建筑建造、交通運輸和新興領(lǐng)域?qū)⒊蔀槲磥碓鲩L較快的領(lǐng)域。氣凝膠下游需求持續(xù)增長，滲透率將有顯著提升。數(shù)據(jù)顯示，2020年我國氣凝膠需求約在15.8億元左右，隨著下游需求繼續(xù)滲透，我國氣凝膠將保持高速增長。

隨著氣凝膠作為保溫材料在新能源汽車電池中逐步使用，整體氣凝膠市場規(guī)?？焖僭鲩L，數(shù)據(jù)顯示，2022年我國氣凝膠材料和氣凝膠制品市場規(guī)模分別達(dá)27.3億元和30.4億元，細(xì)分區(qū)域市場來看，氣凝膠材料及制品消費主要集中在華東地區(qū)。

根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2024-2029年氣凝膠產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢分析報告》顯示：

氣凝膠逐步被下游市場接受以及其下游應(yīng)用市場持續(xù)擴大，將推動氣凝膠行業(yè)進(jìn)一步擴大，據(jù)統(tǒng)計，截至2020年我國氣凝膠制品產(chǎn)量為12.6萬噸，同比增長28.05%，2020年我國氣凝膠材料產(chǎn)量10萬噸，同比增長27.88%。數(shù)據(jù)顯示，2022年我國氣凝膠材料產(chǎn)量和需求量分別達(dá)21.57萬立方和21.85萬立方，氣凝膠制品產(chǎn)量和需求量分別為24.13萬噸和26.67萬噸。

在分形結(jié)構(gòu)研究方面。硅氣凝膠作為一種結(jié)構(gòu)可控的納米多孔材料，其表現(xiàn)密度明顯依賴于標(biāo)度尺寸，在一定尺度范圍內(nèi)，其密度往往具有標(biāo)度不變性，即密度隨尺度的增加而下降，而且具有自相似結(jié)構(gòu)，在氣凝膠分形結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究方面的結(jié)構(gòu)還表明，在不同尺度范圍內(nèi)，有三個色散關(guān)系明顯不同的激發(fā)區(qū)域，分別對應(yīng)于聲子、分形子和粒子模的激發(fā)。改變氣凝膠的制備條件，可使其關(guān)聯(lián)長度在兩個量級的范圍內(nèi)變化。因此硅氣凝膠已成為研究分形結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)行為的最佳材料。

目前隨著二氧化硅氣凝膠企業(yè)對于氣凝膠制備工藝的不斷改進(jìn)，二氧化硅氣凝膠的生產(chǎn)成本有所降低，在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的情況下，企業(yè)成本得到了進(jìn)一步的控制，整體氣凝膠價格有所下降，數(shù)據(jù)顯示，2022年我國氣凝膠材料均價和氣凝膠制品均價約1.25萬元/立方和1.14萬元/噸。

氣凝膠行業(yè)未來發(fā)展趨勢及前景預(yù)測

氣凝膠的應(yīng)用氣凝膠在熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、吸附催化等方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，這使其在航空航天、建筑節(jié)能、化工工業(yè)、電子電工、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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