張鼎昊 孫曄 姜佩 吳娜 陳建偉 劉鵬

本文以中國知網(wǎng)（CNKI）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)目前氣凝膠[1-4]產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)行了分析，為企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品和開展產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)指明了方向。

1 我國氣凝膠研究文獻(xiàn)概況

根據(jù)CNKI 2003年至2021年3月13日數(shù)據(jù)顯示，涉及氣凝膠新材料研究方向的學(xué)術(shù)論文達(dá)1.96萬篇，學(xué)位論文2762篇，會(huì)議論文663篇，報(bào)紙文刊20篇，相關(guān)圖書著作12部，建立標(biāo)準(zhǔn)1件，知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果110件。具體情況見圖1。

從圖1可知，2003年以來，中國累計(jì)發(fā)表氣凝膠研究文獻(xiàn)23 025篇。這個(gè)數(shù)據(jù)顯示氣凝膠新材料吸引了眾多的科研工作者關(guān)注并進(jìn)行了比較深入的研究。這個(gè)數(shù)據(jù)僅是總量的數(shù)據(jù)，可能體現(xiàn)不出氣凝膠被科研界重視和關(guān)注程度，那么通過搜索另一個(gè)數(shù)據(jù)來說明氣凝膠材料受關(guān)注程度，即年度相關(guān)氣凝膠發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量進(jìn)行對(duì)比（如圖2）。

圖2顯示，氣凝膠研究的文獻(xiàn)數(shù)量從2003年開始逐年增加，尤其從2015年開始文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量顯著增加，這說明從2015年以后氣凝膠材料開始具有了社會(huì)認(rèn)可的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和材料的先進(jìn)性認(rèn)可，引起了科研界的關(guān)注。數(shù)據(jù)顯示未來將有更多的科研工作者參與到氣凝膠材料的研究工作中。

2 氣凝膠功能性研究

CNKI文獻(xiàn)現(xiàn)有研究顯示，氣凝膠材料的特殊功能[5-8]包含但不局限于熱效應(yīng)、光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、介電效應(yīng)、磁效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)、高化學(xué)性和表面活性等[9-11]。雖然氣凝膠材料具有較多功能性，但目前研究主要集中在熱效應(yīng)應(yīng)用方面以及充分利用其絕熱性、表面活性和高化學(xué)性的催化領(lǐng)域應(yīng)用方面（如圖3）。

圖3顯示，目前氣凝膠的研究[12-15]，主要集中在氣凝膠材料催化、絕熱、生物醫(yī)藥3個(gè)方面。同時(shí)，數(shù)據(jù)顯示在絕熱研究方向已經(jīng)建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說明氣凝膠材料在絕熱研究方面已經(jīng)趨于工業(yè)化。另外，在生物醫(yī)藥方面文獻(xiàn)數(shù)量，顯示了氣凝膠材料在生物醫(yī)藥方面存在巨大的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)。另外，科研工作者正逐步開發(fā)氣凝膠材料的其他特性應(yīng)用。

如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授課題組以殼聚糖作三維軟模板[16]，研發(fā)了一種酚醛樹脂（PFR）與二氧化硅（SiO2）共聚和納米尺度相分離的合成新策略，成功研制了具有雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PFR/SiO2復(fù)合氣凝膠材料（如圖4）。該復(fù)合氣凝膠纖維的尺寸在20nm以內(nèi)，具有雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的樹枝狀的微觀結(jié)構(gòu)，且2種組分各自都成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)、無機(jī)組分在納米尺度上的均勻分散，并且2組分間具有很強(qiáng)的界面相互作用。研究人員通過調(diào)控硅源的添加量，調(diào)控復(fù)合氣凝膠的密度、無機(jī)含量、力學(xué)強(qiáng)度等物理參數(shù)。

經(jīng)研究，這種復(fù)合氣凝膠材料可以承受60%的壓縮而不破裂，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和可加工性。該復(fù)合氣凝膠具有良好的隔熱效果，最低熱導(dǎo)率可達(dá)24mW/（m·K），在相對(duì)低溫和低濕度的環(huán)境下，其熱導(dǎo)率維持在28mW/（m·K），性能優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)泡聚苯乙烯等材料。同時(shí)，這種材料在防火方面展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，可以避免在發(fā)生火災(zāi)時(shí)建筑物承力結(jié)構(gòu)的失效，為人員撤離爭(zhēng)取了時(shí)間。

3 氣凝膠材料細(xì)分領(lǐng)域的研究

氣凝膠材料按照有機(jī)無機(jī)分類可分為有機(jī)氣凝膠和無機(jī)氣凝膠，按照材料中的主要成分又有SiO2氣凝膠、石墨烯氣凝膠等。對(duì)于細(xì)分領(lǐng)域的研究狀況，本文僅抽取了關(guān)注度較高的SiO2氣凝膠、石墨烯氣凝膠和有機(jī)氣凝膠（大類）進(jìn)行分析（如圖5）。

圖5數(shù)據(jù)顯示，除目前已開始逐步工業(yè)化的SiO2氣凝膠材料研究比較火熱外，石墨烯氣凝膠材料的研究也異?；鸨?。無論在學(xué)術(shù)期刊還是在學(xué)位專業(yè)選修方面都引起科學(xué)工作者的高度關(guān)注，并投入了大量精力。石墨烯氣凝膠材料引起科學(xué)工作者高度關(guān)注的主要原因是，石墨烯本身是一種關(guān)注度極高的新材料，而氣凝膠新材料又被譽(yù)為21世紀(jì)超級(jí)新材，強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合必然會(huì)提升石墨烯氣凝膠材料所特有性能及其未來應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。雖然目前還沒有石墨烯氣凝膠材料工業(yè)化生產(chǎn)案例，但預(yù)計(jì)未來可能會(huì)占據(jù)主導(dǎo)市場(chǎng)。

通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)分析，石墨烯氣凝與不同新材料復(fù)合，開發(fā)并優(yōu)化材料特性的思路，開拓了氣凝膠材料研究的新篇章。

李曉明[17]等制備銅@石墨烯氣凝膠（Cu@GA）作為相變儲(chǔ)能骨架材料。在這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，石墨烯氣凝膠中的石墨烯片層上均勻地鍍上了銅層，且不同片層之間被銅鍍層所連接。這種銅鍍層不但增強(qiáng)石墨烯氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并賦予復(fù)合材料良好的導(dǎo)熱性和骨架穩(wěn)定性，有利于增強(qiáng)相變換熱和抑制相變過程中的泄漏。此外，通過真空浸漬法將十八胺（ODA）封裝在Cu@GA骨架中，獲得了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、泄漏率低的復(fù)合相變材料（Cu@GA/ODA），保證了ODA在Cu@GA骨架材料中的均勻分散和填充。圖6展示了復(fù)合相變材料（Cu@ GA/ODA）的制備過程及應(yīng)用研究。

此外，其他科學(xué)工作者也對(duì)石墨烯氣凝膠進(jìn)行了大量的研究，在導(dǎo)電、電化學(xué)、催化、新能源等方面都取得很大進(jìn)展。

目前，有機(jī)氣凝膠方面的研究數(shù)量雖然較少，但有機(jī)材料充斥人們的生活，有機(jī)氣凝膠的材料的研究必然賦予有機(jī)材料更多功能，有機(jī)氣凝膠材料也將會(huì)成為材料細(xì)分領(lǐng)域工業(yè)化最多的產(chǎn)品形式之一。

4 氣凝膠工業(yè)化產(chǎn)品研究

目前，工業(yè)化氣凝膠產(chǎn)品形式主要有：氣凝膠氈、氣凝膠纖維、氣凝膠粉體、氣凝膠板、陶瓷氣凝膠、氣凝膠芯材等。

圖7顯示目前工業(yè)化方面，氣凝膠纖維研究相對(duì)較多，其次是涂料類，氣凝膠氈和板材等相對(duì)較小。說明纖維類的工業(yè)產(chǎn)品及涂料類氣凝膠產(chǎn)品具有非常好的市場(chǎng)前景及應(yīng)用前景。

5 氣凝膠產(chǎn)品市場(chǎng)狀況

國內(nèi)國外目前氣凝膠產(chǎn)品市場(chǎng)占比較大的依然是較成熟的SiO2氣凝膠氈。2020年，氣凝膠氈國外市場(chǎng)達(dá)到近20億美元，國內(nèi)市場(chǎng)達(dá)到近40億元（如圖8、9所示）。數(shù)據(jù)顯示僅氣凝膠氈市場(chǎng)就是個(gè)巨大的蛋糕，并且從2013年開始?xì)饽z氈的市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)線性上升趨勢(shì)。

通過氣凝膠氈市場(chǎng)價(jià)值分析，可以預(yù)計(jì)未來整體氣凝膠產(chǎn)品市場(chǎng)將是一個(gè)巨大的經(jīng)濟(jì)藍(lán)海市場(chǎng)。

6 結(jié)語

通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，氣凝膠材料的優(yōu)異特性不僅引起科研工作者的高度重視，并在今后的研究中持續(xù)高密度開發(fā)。

目前氣凝膠的研究，主要集中在氣凝膠材料催化、絕熱、生物醫(yī)藥3個(gè)方面。其中氣凝膠材料在絕熱研究方面已趨于工業(yè)化。另外，在生物醫(yī)藥和催化方面也取得了很大進(jìn)展。

氣凝膠材料細(xì)分行業(yè)中，SiO2氣凝膠、石墨烯氣凝膠材料、蘊(yùn)含巨大的市場(chǎng)價(jià)值。其中石墨烯氣凝膠與不同新材料復(fù)合，開發(fā)并優(yōu)化材料特性的思路，開拓了氣凝膠材料研究的新篇章。

最后，以SiO2氣凝膠氈材的市場(chǎng)價(jià)值為依據(jù)，預(yù)測(cè)整體氣凝膠材料市場(chǎng)將是一個(gè)巨大的藍(lán)海經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)。未來，將有更多的科學(xué)工作者和企業(yè)參與到氣凝膠材料產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用中。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.015

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