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得益于二氧化硅氣凝膠眾多優(yōu)異特性，其已成功應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，如催化劑載體材料、隔音材料、保溫隔熱材料、有毒氣體吸附材料和宇宙塵埃收集材料等，展現(xiàn)了氣凝膠巨大的應(yīng)用前景。隨著新能源汽車，特別是鋰離子電池能量密度的不斷提升，電芯的隔熱防火日益成為最重要的話題之一。

 

Aspen表示，2021至2030 年，氣凝膠產(chǎn)品在電動汽車隔熱領(lǐng)域的市場空間將高達300億美元。

 

 

鋰離子電芯防火方案

 

本文著重介紹二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域應(yīng)用的研究進展，分析其在應(yīng)用過程中的共性技術(shù)難點和發(fā)展趨勢，以期拓展氣凝膠研究和應(yīng)用領(lǐng)域。

 

01 航空航天

 

高性能隔熱材料是航空航天飛行器熱防護的關(guān)鍵組件之一，對于高超聲速飛行器而言，在長時間承受氣動加熱條件下，機體表面會產(chǎn)生極高的溫度，為避免飛行器主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部儀器設(shè)備受熱侵蝕危害，選擇綜合性能優(yōu)異的隔熱材料至關(guān)重要。

 

一方面，隔熱材料需要有效阻隔外部熱量流向機體內(nèi)部，以免影響機體相關(guān)設(shè)備正常工作；另一方面該隔熱材料需要具備較好的熱穩(wěn)定性和輕質(zhì)特性，其對提高導(dǎo)彈、航天飛行器的有效載荷，增大飛行距離都具有重要意義。二氧化硅氣凝膠密度僅約0.08g/cm3，室溫?zé)釋?dǎo)率低至0.016W/(m·K)，能夠滿足航空航天對于輕質(zhì)高效隔熱材料的需求。

 

目前Aspen Systems公司制備的纖維增強二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料已應(yīng)用到美國航空航天局相關(guān)項目中，如通過將氣凝膠與陶瓷纖維、有機纖維等復(fù)合得到復(fù)合功能化材料，成功應(yīng)用于火星探測器的溫度敏感探頭外部保護及星云捕獲器上，同時二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料在高超聲速飛行器、超聲速巡航導(dǎo)彈的內(nèi)部熱防護方面均得到成功應(yīng)用。

 

美國航空航天局開發(fā)的陶瓷纖維基-二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料已成功用作航天器端面以及燃料箱隔熱材料，其不僅可以隔熱，也可防止深冷燃料箱在發(fā)射前凍結(jié)。該材料的隔熱性能比現(xiàn)有航天器隔熱瓦高10~100倍，同時具有耐溫高的顯著優(yōu)勢。陶瓷纖維-SiO2氣凝膠復(fù)合材料還被應(yīng)用在飛機黑匣子上以及英國美洲豹戰(zhàn)斗機的機艙隔熱層。

 

 

 英國“美洲豹”戰(zhàn)斗機的駕駛艙機艙采用氣凝膠隔熱材料

 

二氧化硅氣凝膠輕質(zhì)、低導(dǎo)熱系數(shù)的特性使其成為航空航天隔熱材料中最受關(guān)注的材料之一，但二氧化硅氣凝膠在航空航天應(yīng)用中還存在如下兩個問題：①氣凝膠自身的力學(xué)強度低，因此在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中通常需要將氣凝膠與纖維材料復(fù)合。②二氧化硅氣凝膠的極限工作溫度通常＜600℃，無法適用于現(xiàn)在日益快速發(fā)展的超音速或超高音速飛行器端面隔熱，未來還需要考慮通過多相態(tài)融合和微結(jié)構(gòu)設(shè)計，將二氧化硅氣凝膠的應(yīng)用溫區(qū)向更高溫度拓展。

 

02 軍工領(lǐng)域

 

軍工領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芗夹g(shù)產(chǎn)品的需求比民用領(lǐng)域更為強烈，二氧化硅氣凝膠作為新型高性能保溫隔熱材料的重要一員得到了軍工領(lǐng)域的青睞。

 

美國Aspen公司較早開展了二氧化硅氣凝膠在新型驅(qū)逐艦結(jié)構(gòu)防火墻隔熱系統(tǒng)、運載火箭燃料低溫貯箱以及閥門管件保溫系統(tǒng)等應(yīng)用研究。印度海軍“INSArihant”戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇的腔體采用氣凝膠進行保溫隔熱，從而減少傳統(tǒng)保溫隔熱材料排放的NOX。

 

 

印度“INS Arihant”戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇的腔體采用氣凝膠保溫隔熱材料

 

此外，美國NASA Ames研究中心以硅酸鋁纖維為支撐骨架，用二氧化硅氣凝膠填充耐火纖維骨架中孔隙從而制備得到硅酸鋁纖維增強的SiO2氣凝膠隔熱瓦，已運用到核潛艇、蒸汽動力導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的核反應(yīng)堆。該材料要比普通的耐火纖維材料熱導(dǎo)率更低，可有效降低保溫隔熱材料的用量并增大艙內(nèi)的使用空間，同時可以維持艙內(nèi)溫度，改善艙內(nèi)工作環(huán)境。該隔熱瓦還應(yīng)用在武器動力裝置上，阻隔熱輻射，有利于武器裝備的反紅外偵察；此外，氣凝膠在軍用熱電池上也有應(yīng)用，能夠提高軍用熱電池的熱壽命。

 

賦予二氧化硅氣凝膠更多功能是其在軍工領(lǐng)域應(yīng)用研發(fā)的主要方向之一，例如軍用防護服除需具備保溫隔熱功能，還要求具備紅外屏蔽功能(隱身)，從而更好適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭需求。因此，如何實現(xiàn)二氧化硅氣凝膠的多功能化設(shè)計是其在軍工領(lǐng)域應(yīng)用中需要思考的重要問題。

 

03 工業(yè)儲罐及管道

 

目前市面上常見的暖通等生活管道的保溫材料主要是有機高分子類泡沫，例如聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、聚苯乙烯泡沫等，然而這些材料易燃，火災(zāi)危險性大。而二氧化硅氣凝膠安全、質(zhì)輕、隔熱性能好，綜合性能優(yōu)勢大。

 

研究表明將氣凝膠隔熱復(fù)合薄膜材料覆蓋在金屬管道表面，覆蓋后的材料導(dǎo)熱系數(shù)可降低至0.084W/(m·K)。此外，覆蓋氣凝膠復(fù)合薄膜后的管道材料的耐火極限時間可達到70min，有效提升了管道安全性。在化工管道保溫應(yīng)用中主要采用二氧化硅氣凝膠復(fù)合氈形式，無需特殊防水措施(疏水率≥99%)，在雨天或潮濕的環(huán)境下仍可施工。

 

 

氣凝膠氈墊在化工管道上應(yīng)用

 

此外，氣凝膠復(fù)合氈具有較好的抗震抗拉性，在使用過程中無顆粒堆積、沉降等現(xiàn)象，使用壽命長。在直埋蒸汽管道保溫隔熱層應(yīng)用中，在滿足最大允許熱損失量的前提下，采用二氧化硅氣凝膠復(fù)合氈所需的保溫層厚度比玻璃纖維氈可節(jié)省40％~54％，從而減少管道直埋占用空間。二氧化硅氣凝膠氈具有優(yōu)異的保溫性能，在蒸汽溫度高且現(xiàn)場空間狹小苛刻的條件下有更好的發(fā)揮空間。

 

除此之外，二氧化硅氣凝膠氈墊還成功應(yīng)用到了輸油管道保溫和中海油海南 LNG 輸送管線上，管線長時間穩(wěn)定運行驗證了其優(yōu)良的保溫隔熱和安全穩(wěn)定性能。

 

04 鍋爐

 

注汽鍋爐正常運行時，其熱損失主要有三個方面：一是排煙熱損失，二是爐體散熱損失，三是未完全燃燒熱損失。當(dāng)鍋爐長時間運行后，爐內(nèi)保溫層老化，保溫效果差，熱損失加大，鍋爐保溫性能下降。爐體外表面溫度升高，不僅增大了熱損失，而且還存在一定的安全隱患。

 

利用氣凝膠優(yōu)異的保溫隔熱性能，將其應(yīng)用于鍋爐表面保溫隔熱可以大幅降低鍋爐表面溫度和鍋爐熱損失。在實際使用中，往往將纖維基體和二氧化硅氣凝膠復(fù)合形成氣凝膠氈墊，再應(yīng)用到鍋爐爐體上。鍋爐使用氣凝膠復(fù)合材料后，爐體表面溫度可降低約39℃，熱效率從79.7%提升到81.9%，節(jié)能2.2%。

 

KLAY EnerSol公司研發(fā)的氣凝膠復(fù)合材料成功應(yīng)用于鍋爐爐體、蒸汽管道、接口等區(qū)域，有效減少熱能損耗。

 

 

氣凝膠復(fù)合材料在鍋爐系統(tǒng)中應(yīng)用

 

鍋爐溫度一般較高，因此二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料中的纖維需具備耐高溫性能，使用耐高溫的多晶莫來石纖維與二氧化硅氣凝膠復(fù)合是較為優(yōu)選的方案。

 

二氧化硅氣凝膠目前在鍋爐應(yīng)用較少，主要與其制造成本有關(guān)。另一方面，工業(yè)用鍋爐的溫度都較高，氣凝膠長時間工作耐溫極限一般低于600℃，提高二氧化硅氣凝膠耐高溫性能是未來發(fā)展趨勢。

 

05 建筑保溫與家居生活

 

在碳中和的戰(zhàn)略背景下，建筑保溫隔熱材料也向節(jié)能、環(huán)保以及高效等方向發(fā)展。當(dāng)前市場上主要的建筑保溫材料，如巖棉、玻棉等無機纖維棉，存在纖維結(jié)構(gòu)疏松，易吸濕等問題，使用周期中保溫性能會大幅下降。聚苯乙烯(PS)和聚氨酯(PU)泡沫等有機保溫材料存在火災(zāi)風(fēng)險。

 

二氧化硅氣凝膠輕質(zhì)、導(dǎo)熱低、壽命長且疏水性能好，可以滿足建筑領(lǐng)域的保溫隔熱防火隔音防水等需求。目前，二氧化硅氣凝膠的應(yīng)用形式主要有氣凝膠節(jié)能玻璃、氣凝膠涂料、氣凝膠氈墊、氣凝膠板材、氣凝膠混凝土和砂漿以及屋頂太陽能集熱器等。

 

5.1 二氧化硅氣凝膠節(jié)能玻璃

 

透明圍護結(jié)構(gòu)是建筑節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，其中玻璃作為透明圍護結(jié)構(gòu)的主要材料，其節(jié)能性能至關(guān)重要。二氧化硅氣凝膠良好的透光、絕熱和降噪能力使其在建筑領(lǐng)域尤其是建筑玻璃的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢。

 

 

氣凝膠玻璃在民用建筑中的應(yīng)用

 

將氣凝膠應(yīng)用到玻璃中，不僅可減少玻璃的散熱，還能滿足采光需求。在保證外觀和采光的基礎(chǔ)上，二氧化硅氣凝膠玻璃耐熱性更好，抗輻射能力更強，同時還可調(diào)色和吸聲，具有顯著應(yīng)用優(yōu)勢。目前二氧化硅材料在建筑玻璃的應(yīng)用上主要包括氣凝膠涂膜玻璃、塊狀氣凝膠玻璃和顆粒氣凝膠填充玻璃三種。

 

不同 SiO2 氣凝膠玻璃制備工藝流程及特點

 

 

氣凝膠玻璃仍處于工業(yè)研發(fā)階段，相關(guān)技術(shù)壁壘高，在實際中只有少量的工程應(yīng)用。目前已有的生產(chǎn)顆粒氣凝膠填充玻璃的廠家也主要集中于歐美發(fā)達國家，國內(nèi)2015年首次在長沙實現(xiàn)量產(chǎn)，但氣凝膠玻璃仍處于起步階段，離實際應(yīng)用仍任重道遠。

 

5.2 二氧化硅氣凝膠涂料

 

氣凝膠保溫隔熱涂料是二氧化硅氣凝膠應(yīng)用的一個重要分支。制備氣凝膠保溫隔熱涂料包括如下步驟：①二氧化硅氣凝膠顆粒、穩(wěn)定劑(或消泡劑)和水混合研磨形成均勻氣凝膠漿料；②然后再加入樹脂和分散劑進一步攪拌分散；③依據(jù)實際需要再混入各類助劑(如二氧化鈦、遠紅外陶瓷粉和空心玻璃珠等)和染色劑，得到二氧化硅氣凝膠涂料。

 

二氧化硅氣凝膠隔熱涂料制備流程圖

 

國外關(guān)于氣凝膠保溫隔熱涂料研究起步較早，1998年Schmidt等通過將二氧化硅氣凝膠添加到聚氨酯成膜劑中制備得到了氣凝膠保溫隔熱涂料，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.015W/(m·K)，具有優(yōu)異的保溫隔熱性能。

 

氣凝膠涂料導(dǎo)熱系數(shù)低、施工簡單，有較大的應(yīng)用潛力，但目前仍沒有較好的方法解決二氧化硅氣凝膠在漿料中分散性差、容易團聚等問題導(dǎo)致涂層導(dǎo)熱系數(shù)高的難題。

 

5.3 二氧化硅氣凝膠氈

 

二氧化硅氣凝膠氈是指將二氧化硅氣凝膠在溶膠階段與纖維增強體復(fù)合，隨后通過凝膠、老化、干燥等過程制備得到的保溫隔熱氈墊，典型生產(chǎn)工藝如圖所示。

 

 

 二氧化硅氣凝膠氈墊工業(yè)化生產(chǎn)流程圖

 

一方面，二氧化硅氣凝膠氈墊較好地保留了氣凝膠優(yōu)異保溫隔熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)可以低至0.0142W/(m·K)。另一方面氣凝膠氈墊有效解決了二氧化硅氣凝膠機械強度低導(dǎo)致的難以應(yīng)用問題。

 

目前，氣凝膠氈墊的纖維基體主要有無機纖維和有機纖維兩大類。無機纖維基體主要包含玻璃纖維、氧化鋁纖維和石英纖維等。無機纖維具有高熱穩(wěn)定性和低熱膨脹系數(shù)，但其柔性較差且與氣凝膠的結(jié)合力弱，容易造成“掉粉”。而有機纖維，如聚丙烯纖維、聚酯纖維、芳綸纖維、纖維素纖維等可以賦予氣凝膠氈墊更好的柔性和氣凝膠結(jié)合強度，然而有機纖維的熱穩(wěn)定較差，并不適用于實際保溫隔熱應(yīng)用。

 

目前市場上氣凝膠氈墊的纖維增強體部分主要采用的是玻璃纖維針刺氈，使用溫度一般可以達到550℃，這類產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用到了石油管道、城市熱力管網(wǎng)中。

 

5.4 二氧化硅氣凝膠混凝土砂漿

 

水泥、混凝土是最常見的建筑工程材料，將二氧化硅氣凝膠與混凝土砂漿復(fù)配，可提高混凝土砂漿孔隙率并優(yōu)化內(nèi)部傳熱路徑，從而改善混凝土砂漿的保溫隔熱性能。

 

 

 含40%氣凝膠(左)的混凝土砂漿樣品的SEM圖像以及混凝土力學(xué)強度隨氣凝膠摻雜含量的變化

 

挪威科技大學(xué)Tao等將二氧化硅氣凝膠粉末摻入混凝土中，成功制備了一種二氧化硅氣凝膠混凝土砂漿，當(dāng)氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為60%時，所得氣凝膠混凝土的密度為1g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)從1.86W/(m·K)降低到0.26W/(m·K)，該方法得到的混凝土砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)大幅下降，但同時也會降低其抗壓強度。如圖10所示，當(dāng)氣凝膠含量達到60%，混凝土的抗壓強度從150MPa降低到20MPa，下降了86.7%。

 

5.4  二氧化硅氣凝膠用于太陽能集熱器

 

氣凝膠可應(yīng)用在熱水器的集熱板、儲水箱、管道和集熱器保溫系統(tǒng)中，從而提高現(xiàn)有太陽能熱水器的集熱效率并降低其熱損失。

 

國外研究表明，配有厚度20mm氣凝膠的太陽能集熱器具有優(yōu)異的絕熱性能。與傳統(tǒng)接收器相比，當(dāng)入口熱流溫度在583~823K范圍內(nèi)，垂直輻照度在400~1000W·m范圍內(nèi)時，氣凝膠可以減少集熱器7.3%~10.1%熱損失，集熱器效率可提高0.01%~2.92%。

 

 

氣凝膠在太陽能集熱器中的應(yīng)用示意圖

 

06 冷藏集裝箱

 

冷藏集裝箱需要具有良好的隔熱性能，可維持低溫環(huán)境，用于各類易腐物品的運輸。傳統(tǒng)的冷藏集裝箱的隔熱材料一般采用玻璃纖維、石棉、巖棉、聚笨乙烯泡沫塊、發(fā)泡聚氨酯等材料，有機材料的隔熱效果較優(yōu)異但不環(huán)保，傳統(tǒng)無機材料雖然無毒無害但保溫性能較一般。

 

采用二氧化硅氣凝膠取代傳統(tǒng)材料作為冷藏集裝箱等低溫系統(tǒng)的隔熱材料，可以兼顧環(huán)保和保溫性能的需求。德國赫徹斯特公司和美國卡伯特公司在SiO2氣凝膠復(fù)合材料方面開展了大量研究工作，其研發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用到了冷藏箱隔熱系統(tǒng)中。

 

廣州大學(xué)羅嘉聯(lián)等通過將玻璃纖維和水洗棉與二氧化硅氣凝膠復(fù)合得到了冷藏柜的保冷板，并比較了氣凝膠復(fù)合保冷板與傳統(tǒng)聚氨酯發(fā)泡板的導(dǎo)熱系數(shù)、力學(xué)性能和疏水性能，發(fā)現(xiàn)氣凝膠復(fù)合保冷板的保冷效果比傳統(tǒng)聚氨酯發(fā)泡板提高了36%，在冷藏箱領(lǐng)域展現(xiàn)了較好的應(yīng)用潛力。

 

07 新能源汽車

 

隨著能源結(jié)構(gòu)改革，純電動汽車、太陽能汽車、混合動力汽車等新能源汽車進入商業(yè)化的階段，鋰離子電池作為新能源汽車最主要的儲能部件發(fā)展迅猛，但鋰離子電池?zé)岚踩珕栴}不容忽視。高溫、過充、內(nèi)短路以及機械破壞都可能引發(fā)新能源汽車內(nèi)鋰離子電池組發(fā)生熱失控，引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸，嚴(yán)重威脅駕乘人員的生命安全。

 

2020年5月，由工信部發(fā)布的《電動汽車用動力蓄電池安全要求》明確提出電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸，為乘員安全逃生提供時間。電池廠或者主機廠一般在電芯之間以及模組、PACK的上蓋采用防火保溫材料，從而延緩或者阻止電池組熱擴散以及火焰的蔓延，給乘客留足時間撤離事故現(xiàn)場。

 

目前常用的保溫隔熱材料有玻璃纖維棉、硅酸鋁棉、復(fù)合隔熱板等，然而以上保溫隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)高、厚度較大占用空間、防火防水性能一般、保溫性能衰減快，因此亟需尋找一種能耐高溫、保溫性能好、壽命長的防火保溫隔熱材料。

 

二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱性能方面具有顯著優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)保溫材料，只需1/5~1/3的厚度即可達到相同的保溫效果，為動力電池節(jié)省更多空間，目前已在寧德時代、國軒高科等大型鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)測試和局部試應(yīng)用。

 

 

氣凝膠氈在鋰離子電池組充當(dāng)防火隔熱層

 

二氧化硅氣凝膠保溫隔熱復(fù)合材料在新能源汽車方面的應(yīng)用還需要關(guān)注以下問題：

 

①現(xiàn)有二氧化硅氣凝膠耐熱溫度≤550℃，但鋰離子電池?zé)崾Э胤逯禍囟瘸^600℃，因此發(fā)展耐熱溫度更高的氣凝膠材料是研究趨勢之一；

 

②采用超臨界干燥工藝制備氣凝膠復(fù)合材料，成本高，因此發(fā)展成本相對較低的常壓干燥工藝是未來規(guī)模化應(yīng)用的重要方向；

 

③如何平衡氣凝膠保溫隔熱和高負(fù)荷下電池放熱的矛盾是需要研究的熱點難題。

 

在未來，二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用可重點關(guān)注以下幾個方面：

 

(1)二氧化硅氣凝膠使用溫度有限，無法適應(yīng)日益增長的高溫區(qū)隔熱需求，研究提升氣凝膠高溫下的熱穩(wěn)定性是重要內(nèi)容。

 

(2)二氧化硅氣凝膠主要以復(fù)合氈墊形式應(yīng)用，存在“掉粉”問題，因此需要探究利用表面改性、纖維排列優(yōu)化等方法增強氣凝膠顆粒與纖維的結(jié)合力。

 

(3)氣凝膠粉體在保溫涂料、復(fù)合板材等體系中摻雜時，其容易出現(xiàn)相分層并導(dǎo)致保溫隔熱材料性能下降，研究提高氣凝膠粉體在復(fù)材中的分散均勻性和穩(wěn)定性是其應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題之一。

 

(4)現(xiàn)有二氧化硅氣凝膠采用成本較高的超臨界干燥工藝，限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用，研究利用常壓干燥工藝等低成本制備方法降低其生產(chǎn)成本是未來的發(fā)展趨勢之一。