氣凝膠產(chǎn)業(yè)深度研究報(bào)告：崛起氣凝膠-助力碳中和

1、氣凝膠產(chǎn)業(yè)深度研究報(bào)告：崛起氣凝膠_助力碳中和1 氣凝膠：15 項(xiàng)世界之最齊身的材料1931 年氣凝膠被發(fā)明出來(lái)，由于各類性質(zhì)非常極致，在過(guò)去的近百年里一直吸 引了眾多的目光。氣凝膠憑借極低的密度、極小的孔徑、極低的隔熱系數(shù)、極低的 聲音傳播速度等創(chuàng)下 15 項(xiàng)世界之最。同時(shí)，氣凝膠作為一類材料的統(tǒng)稱，隨著科 研人員研究的深入，陸續(xù)制備了多種氣凝膠。同時(shí)，氣凝膠方便加工，制品形態(tài)多 樣。綜上，氣凝膠的應(yīng)用場(chǎng)景眾多，從航天、軍工等要求嚴(yán)苛的高科技領(lǐng)域到工 業(yè)、交通、日用等領(lǐng)域，都有氣凝膠發(fā)揮性能的地方。1.1 氣凝膠是改變世界的神奇材料氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，也是世界上密度最小的固體，被稱為“

2、凝固的煙”、 “藍(lán)煙”。曾被科學(xué)雜志譽(yù)為“可以改變世界的神奇材料”。氣凝膠之所以“神奇”，是因?yàn)樽陨砭哂泻芏鄻O致的性質(zhì)。氣凝膠曾經(jīng)因性質(zhì)優(yōu) 異創(chuàng)下 15 項(xiàng)“吉尼斯世界紀(jì)錄”。氣凝膠超級(jí)輕，是目前已知最輕的固體材料。在一些對(duì)重量要求苛刻同時(shí)對(duì)絕 熱要求極高的場(chǎng)景，氣凝膠是唯一選擇。在“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器中，“祝融號(hào)”火星車表面鋪設(shè)了大面積的氣 凝膠板。超輕的特性極大地減小了火星車的負(fù)擔(dān)，讓它跑得更快，跑得更遠(yuǎn)。同時(shí)， 在“天問(wèn)一號(hào)”著陸階段，周圍的溫度超過(guò) 1000，而 10mm 左右的氣凝膠材料就能 夠使溫度處于可接受的范圍，在火星車巡視階段，氣凝膠能夠確?；鹦擒囋?130 的環(huán)境正常工作

3、。二氧化硅氣凝膠是迄今為止保溫性能最好的材料。熱的傳遞有三種方式：熱對(duì) 流、熱傳導(dǎo)、熱輻射。最好的保溫絕熱材料需要是木桶型的。盡管空氣的熱導(dǎo)率很 低，但是我們能在一定距離內(nèi)感受到空調(diào)、火爐的溫度，是因?yàn)榭諝鉄醾鲗?dǎo)和熱輻 射的存在。而氣凝膠憑借極低的體積密度及納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的彎曲路徑阻止了氣態(tài)和 固態(tài)熱傳導(dǎo)的同時(shí)，由于其孔徑尺寸低于常壓下空氣分子平均自由程，氣凝膠空隙 中的空氣分子近似靜止，從而空氣的對(duì)流傳熱得到限制，趨于“無(wú)窮多”的空隙壁使 熱輻射降至最低。氣凝膠完美對(duì)抗了三種熱的傳遞方式，導(dǎo)熱系數(shù)甚至達(dá)到 0.013 W/m.K 以下，比常溫下靜態(tài)空氣 0.025 W/m.K 還低，因此是迄今

4、為止最完美的隔熱材 料。在管道包裹保溫方面，達(dá)到相同的隔熱效果，氣凝膠氈的厚度僅為巖棉的三分 之一厚，膨脹珍珠巖的五分之一。氣凝膠多孔的 3D 互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得離子、分子能夠容易地進(jìn)入內(nèi)部，而分層多 孔結(jié)構(gòu)提供了高比表面積和高反應(yīng)活性接觸面，這些結(jié)構(gòu)特性使碳?xì)饽z作為超級(jí) 電容器和電池中的非均相催化劑載體、吸附劑和電極材料有很好的應(yīng)用前景。除此 之外，氣凝膠還有憎水率高、使用壽命長(zhǎng)等性質(zhì)特點(diǎn)。1.2 氣凝膠族譜豐富，二氧化硅氣凝膠最成熟氣凝膠是通過(guò)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(jí)多孔固態(tài)材料。目前主流的氣凝膠制備過(guò)程就是溶膠-凝膠法與超臨界 干燥相結(jié)合。不

5、同的化合物通過(guò)氣凝膠的制備過(guò)程形成了各種各樣的氣凝膠，豐富了氣凝膠 的品種、完善了氣凝膠性能、讓氣凝膠能在更多應(yīng)用中。目前最常見(jiàn)也是發(fā)展最為成熟的氣凝膠是二氧化硅氣凝膠，二氧化硅氣凝膠屬 于氧化物氣凝膠，除此之外，還有碳化物氣凝膠、氮化物氣凝膠、有機(jī)氣凝膠、碳?xì)?凝膠、生物質(zhì)氣凝膠、復(fù)合氣凝膠及其他氣凝膠。各個(gè)分類中中已經(jīng)合成了多種化 合物氣凝膠，結(jié)構(gòu)性質(zhì)各異。1.3 氣凝膠形態(tài)多樣，應(yīng)用廣闊氣凝膠的形態(tài)多樣，包括氈、板、顆粒和涂料等。多樣化的產(chǎn)品形式使得氣凝膠 的應(yīng)用更加靈活廣泛，下游市場(chǎng)需求空間巨大。氣凝膠性質(zhì)優(yōu)異，應(yīng)用已經(jīng)遍布于石化、軍工、航天、電池、環(huán)保、建筑、交通 等各個(gè)領(lǐng)域。氣凝膠

6、對(duì)這些領(lǐng)域中的原始材料有明顯優(yōu)勢(shì)，因此替代空間巨大。在石化領(lǐng)域，氣凝膠憑借極佳的隔熱保溫性能可以作為外保溫材料，如蒸餾塔、 反應(yīng)管道、儲(chǔ)罐、泵、閥門、天然氣和 LNG 液化氣管道、深海管道等等。在高溫蒸 汽、導(dǎo)熱油或流體介質(zhì)管線外包裹氣凝膠，一方面減少了管道暴露損失熱量，另一 方面這些區(qū)域往往受到重量、空間的限制，需要保溫材料輕量又輕薄，氣凝膠是唯 一完美契合的材料。同時(shí)，在海上漏油事故處理中，氣凝膠質(zhì)量輕、吸附能力極強(qiáng)， 也得到認(rèn)可。在環(huán)保領(lǐng)域，纖維素氣凝膠可作為吸附劑從水中吸附油和其他有毒有機(jī)物，被 廣泛地應(yīng)用于吸附脫除染料廢水。此外，生物質(zhì)碳?xì)饽z可以去除水中的多種重金 屬離子，如 Co

7、(II)、Cd(II)、Pb(II)和 Sr(II)。在建筑領(lǐng)域，房屋門窗、墻壁的隔熱保溫正越來(lái)越被重視。現(xiàn)有的保溫材料或隔 熱能力不夠理想，或達(dá)到理想效果厚度太厚、太重，也有一些隔熱能力較好的材料 但阻燃能力不佳，容易引發(fā)房屋火災(zāi)。而氣凝膠既可以作為現(xiàn)有保溫材料的升級(jí)替 代，同時(shí)兼顧防火、隔聲等功能，有望顛覆建筑保溫材料現(xiàn)有格局。在軍工領(lǐng)域，氣凝膠的性能得到了充分驗(yàn)證。在軍車上覆蓋 6 毫米的防彈型 氣凝膠就能夠承受炸藥帶來(lái)的破壞力。東風(fēng)-17 以氣凝膠隔熱材料作為外衣，使得東 風(fēng)-17 在極快加速度的同時(shí)不被空氣摩擦所產(chǎn)生的高溫給破壞，而且氣凝膠材料良 好的透波性能不會(huì)阻擋東風(fēng)-17 內(nèi)部

8、的制導(dǎo)裝置。另外，氣凝膠可以作為飛機(jī)、艦船/艇、坦克、導(dǎo)彈等的外層材料,起到防輻射、吸收紅外線和漫反射波實(shí)現(xiàn)隱形 功能，屏蔽自身電子信號(hào)實(shí)現(xiàn)反偵察的功能。在水下探測(cè)中氣凝膠的低聲速和高 孔隙超輕質(zhì)特性使之成為比較理想的超聲探測(cè)器的聲阻耦合材料和最佳水聲反聲材 料。當(dāng)然，氣凝膠也用于軍用保溫帳篷等領(lǐng)域。在航天領(lǐng)域，對(duì)材料的絕熱、輕量、抗壓能力要求最為嚴(yán)苛。俄羅斯“和平”號(hào) 空間站、美國(guó)“火星探路者”探測(cè)器和“火星漫步者”探測(cè)車、我國(guó)“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn) 載火箭和“祝融號(hào)”火星車都曾使用氣凝膠材料進(jìn)行絕熱保溫材料，“星辰號(hào)”飛船 用來(lái)收集彗星塵也使用了氣凝膠做的采集“手套”。2016 年 8 月，中國(guó)航

9、天科工三院 306 所聯(lián)手華星美科新材料科技（江蘇）有限公司舉行簽約儀式，共同組建成立氣凝 膠技術(shù)國(guó)際研發(fā)中心，力圖打造國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的氣凝膠技術(shù)研發(fā)基地。在電池領(lǐng)域，目前鋰離子動(dòng)力電池組熱失控事故時(shí)有發(fā)生，阻止熱失控電芯向 電池其他系統(tǒng)傳熱是主要解決思路。氣凝膠氈具有防火、隔熱、阻燃的特性，而且質(zhì)感柔軟、易于加工，是非常理想的預(yù)防材料；另外在熱電池應(yīng)用領(lǐng)域，氣凝膠作為熱 電池保溫筒的隔熱材料能夠解決多領(lǐng)域?qū)犭姵氐母咝阅堋㈤L(zhǎng)壽命的要求。目前新 開(kāi)發(fā)的氣凝膠玻纖氈能夠?qū)㈦姵匕邷啬褪苣芰μ岣咧?800以上，大大提高電池 的耐熱性。在交通領(lǐng)域，氣凝膠材料主要應(yīng)用在汽車防火隔熱保溫降噪層，

10、大容量電池組 防火防水保溫盒，危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車、液化天然氣運(yùn)輸船等特種運(yùn)輸工具的保溫防 火層，高鐵和地鐵車體保溫隔熱降噪防火層等。在交通事故引發(fā)的火災(zāi)中，著火點(diǎn) 一般集中在發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)位置。在發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)和駕駛艙之間加一層氣凝膠防火隔離墻，可 以阻隔火勢(shì)蔓延到駕駛艙中。在日常生活中，凡是需要保溫的地方，氣凝膠都具有應(yīng)用的可能性。 氣凝膠滑雪服：超薄的保溫厚度和良好的柔韌性，A 級(jí)防火性能和荷葉般的疏水 性能，使氣凝膠防寒服相比傳統(tǒng)羽絨服更薄一些，而且保溫性能極好?？肆_值是評(píng)定衣服保暖效果的重要指標(biāo)。研究者們總結(jié)出了一個(gè)服裝熱阻計(jì)算 公式： Iclo=6.45（tS-tA）/-0.8 在這一公式中，tS

11、 為人體溫度，通常取 33.3；tA 為環(huán)境溫度；為單位面積 的單層服裝在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量，一般取M的75%，M為人的基礎(chǔ)代謝熱量58W/m； Iclo 為人體身上穿的所有衣服克羅值（clo）的總和，檢測(cè)表明，0.2cm 厚的氣凝膠 復(fù)合棉纖氈的克羅值為 1.73。理論上，人體單穿一件內(nèi)襯 0.6cm 厚氣凝膠復(fù)合棉纖 氈的衣服，即可在-8的環(huán)境溫度下保證溫暖。氣凝膠復(fù)合棉纖氈的熱導(dǎo)率為 3.77 W/（m 2K），羽絨的熱導(dǎo)率為 5.93 W/（m 2K）， 僅 0.2cm 厚的氣凝膠復(fù)合棉纖氈（保溫率 74.03%），即可相當(dāng)于 4cm 厚的羽絨纖維 （保溫率 78.12%）的保溫效果

12、。氣凝膠網(wǎng)球拍：以氣凝膠為填充材料制成的網(wǎng)球拍或羽毛球拍，利用氣凝膠的 納米多孔結(jié)構(gòu)，可以更好地吸能、減震，大大降低了患上“網(wǎng)球肘”的風(fēng)險(xiǎn)。另外， 這種球拍的擊球能力更強(qiáng)大。氣凝膠登山靴：氣凝膠材料可以應(yīng)用在鞋墊、鞋面、鞋跟和踝部包裹等部位。通 常的使用方法是在兩層面料中間夾一層氣凝膠材料。而使用約 2mm 厚的氣凝膠材料 即可以滿足鞋子的保溫性能需求。2 產(chǎn)業(yè)鏈或加速脫瓶頸氣凝膠自 20 世紀(jì) 30 年代發(fā)明以來(lái)一直是研究人員的寵兒，但在應(yīng)用端卻并沒(méi) 有得到普及。究其原因是氣凝膠的技術(shù)不夠成熟、成本過(guò)高。目前我們看到國(guó)內(nèi)在 氣凝膠原料成本和工藝技術(shù)上或有巨大突破，因此看好氣凝膠這一次的完全崛

13、起。2.1 原料成本有望下降目前產(chǎn)業(yè)化程度最高的氣凝膠為硅基氣凝膠，其生產(chǎn)成本主要集中在原料硅源、 干燥設(shè)備折舊和能耗三塊，換言之氣凝膠的成本下降需要在這三方面發(fā)力。二氧化硅氣凝膠的制備過(guò)程首先要得到二氧化硅凝膠，再通過(guò)干燥手段使氣體 取代凝膠中的液相從而形成氣凝膠。目前，生產(chǎn)原料有兩種。一種是無(wú)機(jī)硅源，包括 水玻璃（硅酸鈉）和四氯化硅，另一種是有機(jī)硅源，包括正硅酸甲酯（TMOS，又稱四 甲氧基硅烷）和正硅酸乙酯（TEOS，又稱四乙氧基硅烷）等功能性硅烷。其中，有機(jī)硅源純度高，工藝適應(yīng)性好，可以適配超臨界干燥以及常壓干燥工 藝，但有機(jī)硅元作為原料的缺陷是價(jià)格高，目前國(guó)內(nèi)外采用超臨界干燥工藝的企

14、業(yè) 基本上都是采用有機(jī)硅源。無(wú)機(jī)硅源相對(duì)更加廉價(jià)，但長(zhǎng)期以來(lái)應(yīng)用較少。一方面 是由于無(wú)機(jī)硅源只能應(yīng)用于常壓干燥技術(shù)，常壓法發(fā)展還較不成熟；另一方面，以 水玻璃為硅源的氣凝膠制備過(guò)程中需要大量水洗凝膠中的鈉鹽，而鈉鹽的水溶液難 分離，造成大量的廢水難以處理，處理不當(dāng)可能會(huì)造成大面積的土地鹽堿化。 因此，目前最主流產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)路線是正硅酸酯為原料結(jié)合超臨界干燥工藝的生 產(chǎn)過(guò)程。正硅酸甲酯、正硅酸乙酯均屬于功能性硅烷。通常將主鏈為 Si-O-C 結(jié)構(gòu)的有機(jī) 硅小分子統(tǒng)稱為功能性硅烷。功能性硅烷按用途分類可以分為硅烷偶聯(lián)劑和硅烷交 聯(lián)劑。硅烷交聯(lián)劑可以分為脫酸型、脫酮肟型和脫醇型三種。制作氣凝膠的正硅酸

15、 甲酯、正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷等屬于脫醇型交聯(lián)劑。全球功能性硅烷市場(chǎng)規(guī)模從 2015 年的 13.3 億美 元增至 2020 年的 17 億美元，CAGR 為 5%。其中亞太地區(qū)硅烷需求強(qiáng)勁，是推動(dòng)全球 硅烷市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要因素。中國(guó)作為世界主要硅烷消費(fèi)國(guó)，將引領(lǐng)亞太地區(qū)硅烷市 場(chǎng)的發(fā)展。2019 年全球功能性硅烷產(chǎn)能約為 62.1 萬(wàn)噸/年，產(chǎn)量約為 43.9 萬(wàn)噸。功 能性硅烷主要用于橡膠加工、粘合劑、復(fù)合材料等領(lǐng)域。我國(guó)是世界最大的功能性硅烷生產(chǎn)、出口與消費(fèi)國(guó)。盡管中國(guó)功能性硅烷 2019 年產(chǎn)能占全球功能性硅烷產(chǎn)能的 69.1%，位居第一，也是最大的出口國(guó)以及主要硅烷 消費(fèi)國(guó)。但我

16、國(guó)硅烷以含硫硅烷為主。交聯(lián)劑主要依賴進(jìn)口，因此導(dǎo)致有機(jī)硅源成本高 昂。隨著中國(guó)未來(lái)硅烷交聯(lián)劑產(chǎn)能的大幅提升，自給率將會(huì)逐漸提升，從而降低氣 凝膠的生產(chǎn)成本。2019 年，我國(guó)出口的硅烷品種主要為含硫硅烷，主要出口去向?yàn)槊绹?guó)、印度、 韓國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)家或地區(qū)。同時(shí)，我國(guó)進(jìn)口的硅烷品種主要為環(huán)氧基硅烷及交 聯(lián)劑，主要來(lái)自美國(guó)、日本和德國(guó)。未來(lái)，在安全和環(huán)保要求持續(xù)收緊、供給側(cè)改革持續(xù)推進(jìn)的背景下，硅烷企業(yè)將 朝著大型化、一體化和區(qū)域化的趨勢(shì)發(fā)展。隨著新能源汽車、復(fù)合材料和表面處理 等新興市場(chǎng)需求的壯大成熟，預(yù)計(jì)到 2023 年，我國(guó)硅烷總產(chǎn)量將達(dá)到 39 萬(wàn)噸，與 2019 年相比，年均復(fù)合增

17、長(zhǎng)率為 9.6%。另外國(guó)內(nèi)常壓干燥技術(shù)也在進(jìn)步，未來(lái)不再是制約無(wú)機(jī)硅源的瓶頸。四氯化硅 大部分為多晶硅副產(chǎn)物。據(jù)頭豹研究院數(shù)據(jù)顯示，每生產(chǎn) 1 千克多晶硅將產(chǎn)生 10-15 千克四氯化硅。而四氯化硅隨著多晶硅產(chǎn)能的陸續(xù)投放，原料供給充足。中國(guó)多晶硅產(chǎn)量連續(xù)七年位居全球首位。2020 年中國(guó)多晶硅產(chǎn)量為 39.2 萬(wàn)噸， 同比增長(zhǎng) 14.6%，約占全球產(chǎn)量的 73%。由于下游光伏產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，硅料長(zhǎng)期處于 供不應(yīng)求的局面，自 2017 年起多家硅料企業(yè)均開(kāi)啟多晶硅產(chǎn)能擴(kuò)張，2015-2020 年 中國(guó)多晶硅年產(chǎn)量從 16.5 萬(wàn)噸增長(zhǎng)至 39.2 萬(wàn)噸，復(fù)合增速 18.9%，同時(shí)中國(guó)多晶硅產(chǎn) 量

18、占全球比例連年上升。預(yù)計(jì)在 2021-2025 年間，多晶硅料產(chǎn)量仍將處于高速增長(zhǎng)期。按照復(fù)合增長(zhǎng)率 20%,預(yù)計(jì)到 2025 年我國(guó)多晶硅年產(chǎn)量將達(dá)近 100 萬(wàn)噸，副產(chǎn)的四氯化硅就將達(dá) 1000 萬(wàn)1500 萬(wàn)噸。原材料充足以及產(chǎn)業(yè)鏈一體化的形成將有效降低氣凝膠材料成本中樞， 在市場(chǎng)上的替代效應(yīng)更為明顯。2.2 干燥工藝取得進(jìn)步氣凝膠的生產(chǎn)首先是溶膠-凝膠反應(yīng)過(guò)程，然后是利用干燥工藝去除孔內(nèi)液體。 為了去除溶劑而不會(huì)使孔隙塌陷，干燥工藝對(duì)于氣凝膠的合成至關(guān)重要，而干燥工 藝在氣凝膠成本中也占有絕對(duì)分量。干燥工藝可分為超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥以及常壓干燥。目前超臨界 干燥工藝和常壓干

19、燥工藝是主流干燥工藝。超臨界干燥技術(shù)率先實(shí)現(xiàn)批量制備氣凝 膠技術(shù),目前已經(jīng)較為成熟。超臨界干燥是通過(guò)對(duì)壓力和溫度的控制使溶劑在干燥過(guò) 程中達(dá)到其本身的臨界點(diǎn)，形成一種超臨界流體，處于超臨界狀態(tài)的溶劑無(wú)明顯表 面張力，從而可以實(shí)現(xiàn)凝膠在干燥過(guò)程中保持完好骨架結(jié)構(gòu)。由于超臨界干燥工藝技術(shù)成熟、生產(chǎn)產(chǎn)品純度高，因此被廣泛應(yīng)用于軍工、航天 等領(lǐng)域，但超臨界設(shè)備屬于特種設(shè)備，制造有門檻、投入高，使得成本承壓。而常壓 干燥工藝的設(shè)備投入較低，對(duì)廉價(jià)硅源接納能力強(qiáng)，但由于常壓干燥工藝對(duì)配方設(shè) 計(jì)和流程組合優(yōu)化要求高，目前工藝不夠成熟。超臨界干燥包括高溫超臨界干燥、二氧化碳超臨界干燥。1984 年，瑞典隆德集

20、 團(tuán)以正硅酸甲酯為硅料、采用高溫超臨界干燥生產(chǎn)二氧化硅氣凝膠的工程中，因高 壓釜泄漏甲醇蒸汽發(fā)生爆炸。美國(guó) Arlon Hunt 發(fā)明了以正硅酸乙酯為硅源，搭配超 臨界二氧化碳干燥技術(shù)（以二氧化碳作為干燥介質(zhì)），一方面正硅酸乙酯毒性較正硅 酸甲酯更低，更一方面由于二氧化碳的臨界點(diǎn)溫度和壓力更低，使得干燥過(guò)程的盡管目前超臨界干燥工藝日益成熟、產(chǎn)品質(zhì)量滿足產(chǎn)業(yè)化要求，但是超臨界干 燥設(shè)備制造具有一定門檻，且原料有機(jī)硅源價(jià)格較高。而根據(jù) NASA 數(shù)據(jù)顯示，常壓 干燥的制造成本是超臨界工藝的 1/20。因此，常壓干燥工藝仍然一直被生產(chǎn)廠家、 研究機(jī)構(gòu)所關(guān)注的。常壓干燥原理是采用疏水基團(tuán)對(duì)凝膠骨架進(jìn)行

21、改性，避免凝膠孔洞表面的硅羥 基相互結(jié)合并提高彈性，同時(shí)采用低表面張力液體置換凝膠原來(lái)高比表面積的水或 乙醇從而可以在常壓下直接干燥獲得性能優(yōu)異的氣凝膠材料。但常壓干燥對(duì)前期處 理要求很高，且在干燥過(guò)程中由于孔隙中固液界面的表面張力非常大，易發(fā)生收縮 和開(kāi)裂。因此只有對(duì)常壓工藝成熟的生產(chǎn)企業(yè)才具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，否則成本優(yōu)勢(shì)并不 突出。此外，研究員也在研究其他創(chuàng)新性方法生產(chǎn)氣凝膠。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，當(dāng)蜻蜓從幼蟲中脫殼而出時(shí)，翅膀像果凍一樣，但在很短的 時(shí)間內(nèi)會(huì)膨脹變硬并變得完全干燥，變成類似于氣凝膠的多孔分層結(jié)構(gòu)。原因是蜻 蜓身體會(huì)產(chǎn)生碳酸氫鹽分子，釋放二氧化碳?xì)怏w，調(diào)節(jié)身體壓力并同時(shí)干燥翅膀， 這

22、會(huì)”吹出“水分，讓它們的翅膀變得干燥，穩(wěn)定，輕盈且結(jié)實(shí)。實(shí)驗(yàn)人員受此啟發(fā)， 通過(guò)在硅膠中加入碳酸氫鹽溶劑，并采用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳從內(nèi)向外干燥凝膠， 同時(shí)，二氧化碳被鎖在孔質(zhì)結(jié)構(gòu)中，防止了氣凝膠的塌陷。研究人員宣稱，這項(xiàng)技術(shù)將使生產(chǎn)成本降低 96，從每公斤 100 美元左右降至 4 美元。2.3 市場(chǎng)需求增長(zhǎng)突出過(guò)去七年，我國(guó)氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步高速增長(zhǎng)。我國(guó)氣凝膠市場(chǎng)主要分氣凝膠 制品和氣凝膠材料兩部分。氣凝膠制品的市場(chǎng)規(guī)模從 2014 年 2.07 億元增長(zhǎng)到 2020 年的 14.1 億元，復(fù)合 增長(zhǎng)率達(dá)到 37.7%；氣凝膠材料的市場(chǎng)規(guī)模從 2014 年 1.83 億元增長(zhǎng)到 2020

23、 年的 15.9 億元，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 43.4%。從全球市場(chǎng)看，與隔熱材料整體市場(chǎng)比較，氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模雖然目前占比不是 很大，但增長(zhǎng)尤為迅速。目前氣凝膠下游需求結(jié)構(gòu)有 56%來(lái)自油氣項(xiàng)目，18%用于工 業(yè)隔熱，9%用于建筑建造，8%用于交通。而在 2026 年，將有 14%用于建筑，而交通 領(lǐng)域的需求將增至 13%。目前眾多研究機(jī)構(gòu)報(bào)告都表明，未來(lái)全球范圍內(nèi)的新能源汽車高速增長(zhǎng)幾乎已 經(jīng)成為共識(shí)，對(duì)于新能源汽車來(lái)說(shuō)續(xù)航里程的提升需要高能量密度的動(dòng)力電池支持， 但高能量密度電池的安全性是目前需要解決的難題。氣凝膠作為電池?zé)峁芾淼年P(guān)鍵材料將扮演重要角色。根據(jù)我們?nèi)A安團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)，2025 年我國(guó)汽車

24、與工業(yè)管道領(lǐng)域氣凝膠的市場(chǎng)規(guī)模將 達(dá)到 64-77 億元，2030 年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 183-234 億元。如考慮在建筑建材、航天 軍工、日常生活等其他領(lǐng)域氣凝膠需求增長(zhǎng)，以及碳中和加速帶來(lái)爆發(fā)性增長(zhǎng)，市 場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)空間會(huì)更大。2.4 新增供給有利市場(chǎng)目前國(guó)際上關(guān)于氣凝膠的研究主要集中在德、美、法、日等國(guó)，而在國(guó)內(nèi)，氣凝 膠也已經(jīng)有超過(guò)二十年的研究歷史，主要研究單位以國(guó)家納米中心、中科院、國(guó)防 科大、同濟(jì)大學(xué)等為代表?？梢哉f(shuō)，氣凝膠是我國(guó)少數(shù)從工藝到產(chǎn)業(yè)化都能與國(guó)際 水平相提并論的頂級(jí)新材料，未來(lái)氣凝膠產(chǎn)業(yè)有望成為我國(guó)的王牌產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)全球 發(fā)展。目前我國(guó)氣凝膠產(chǎn)業(yè)代表性的生產(chǎn)企業(yè)有數(shù)十家，技術(shù)

25、路線主要以成熟的二氧 化碳超臨界萃取工藝為主，而超臨界萃取工藝的壁壘之一是干燥設(shè)備。其中，貴州 航天烏江機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司是國(guó)內(nèi)唯一集超臨界萃取裝備設(shè)計(jì)、制造為一體的 生產(chǎn)廠家，具有較強(qiáng)的超臨界萃取成套裝備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和超臨界流體技術(shù)應(yīng)用研究能 力，與國(guó)內(nèi)外設(shè)備相比更加節(jié)能。近年也有企業(yè)新建產(chǎn)能采用常壓干燥工藝、減壓干燥工藝。納諾科技現(xiàn)有 1 萬(wàn)方氣凝膠超級(jí)絕熱材料中 5000 方是常壓法，5000 方是超臨 界，新建 12000 方也將采用常壓法。根據(jù)弘大科技官網(wǎng)介紹，弘大科技自主設(shè)計(jì)研 發(fā)的低成本減壓干燥技術(shù)能夠使年產(chǎn) 100 立方米氣凝膠的生產(chǎn)設(shè)備投資由 5000 萬(wàn)元 降到 200 萬(wàn)元

26、。隨著以華陸新材為代表等在建產(chǎn)能陸續(xù)投產(chǎn)，此外還有宏柏新材等公司準(zhǔn)備量 產(chǎn)，我們認(rèn)為供給端的擴(kuò)大將有利于氣凝膠的市場(chǎng)滲透率的提升和成本下降。3 崛起重點(diǎn)在于存量替代和增量拓展長(zhǎng)期以來(lái)，氣凝膠的技術(shù)成果層出不窮，但我們認(rèn)為，在繼續(xù)探索新技術(shù)、低成 本技術(shù)手段生產(chǎn)氣凝膠的同時(shí)，后續(xù)更應(yīng)注重氣凝膠的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。簡(jiǎn)言之，對(duì)于具 有極致性質(zhì)的氣凝膠材料，尋找性價(jià)比契合的市場(chǎng)領(lǐng)域比做好氣凝膠更重要。3.1 技術(shù)升級(jí)和應(yīng)用拓展成就氣凝膠氣凝膠的發(fā)展歷史就是一個(gè)技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用拓展互相促進(jìn)的過(guò)程。自 1931 年氣 凝膠誕生以來(lái)，氣凝膠歷經(jīng)四次產(chǎn)業(yè)化。第一次產(chǎn)業(yè)化是美國(guó)孟山都公司主導(dǎo)，但 由于成本過(guò)高、應(yīng)用開(kāi)發(fā)滯

27、后而失??；第二次產(chǎn)業(yè)化在 20 世紀(jì) 80 年代，因高溫超 臨界爆炸以及新技術(shù)經(jīng)營(yíng)不善而告終；第三次產(chǎn)業(yè)化中美國(guó) Aspen Aerogel 成功將 氣凝膠商業(yè)化，將其應(yīng)用于航天軍工、石化領(lǐng)域，受到市場(chǎng)青睞；目前氣凝膠處于我 國(guó)主導(dǎo)的第四次產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，新增眾多產(chǎn)能的同時(shí)進(jìn)一步將氣凝膠的應(yīng)用拓展到 了電池、交通等民用領(lǐng)域?；仡櫄饽z的產(chǎn)業(yè)化歷程，數(shù)次受挫都與市場(chǎng)需求開(kāi)發(fā)不足和價(jià)格過(guò)高有關(guān)。 作為絕熱材料，氣凝膠必須直面其他廉價(jià)材料的競(jìng)爭(zhēng)。而技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)能擴(kuò)大、市場(chǎng) 認(rèn)識(shí)的提高、需求升級(jí)將有助于這一市場(chǎng)的發(fā)展。因此，氣凝膠的必經(jīng)之路是普及 應(yīng)用的過(guò)程。近年來(lái)，我國(guó)陸續(xù)推出有關(guān)氣凝膠的政策文件，對(duì)

28、氣凝膠的產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行指導(dǎo) 和促進(jìn)。3.2 氣凝膠替代傳統(tǒng)材料是“降維打擊”在純粹追求性能的前提下，氣凝膠對(duì)同類材料相比是“降維打擊”。目前除了在一些領(lǐng)域氣凝膠不夠經(jīng)濟(jì)，在隔熱、防水、防火、耐壓、透氣等多個(gè) 維度，氣凝膠都很能打。在耐久性方面，硅基氣凝膠本身是很脆，但通過(guò)與增強(qiáng)纖維 等材料的復(fù)合制備，硅基氣凝膠材料耐用性已經(jīng)足夠，理論使用年限約為 20 年（與 一般建筑物的壽命相當(dāng)）,最低使用年限 15 年。在工業(yè)管道領(lǐng)域替代硅酸鹽氈等傳統(tǒng)保溫材料。為在油氣開(kāi)采中需盡可能做好注 汽管道的保溫、盡可能縮小注汽鍋爐與井口間的蒸汽溫降，在電力行業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)中 做好管道保溫方可提高熱電聯(lián)產(chǎn)的輻射范圍。長(zhǎng)期

29、以來(lái)，工業(yè)管道采用硅酸鹽氈等 做保溫材料，其使用壽命短、結(jié)構(gòu)松散，而且吸水導(dǎo)致管道表面腐蝕嚴(yán)重。替代品氣 凝膠氈具有柔韌度高，導(dǎo)熱系數(shù)低，疏水性能好，經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在工業(yè)管道 既可有效降低能源損耗，又可延長(zhǎng)管道使用壽命。根據(jù)實(shí)際案例分析，管道外徑為 88.9mm，蒸汽溫度 350C，1000m 長(zhǎng)，氣凝膠 與傳統(tǒng)保溫材料的使用厚度、保溫效果對(duì)比如下：方案一：氣凝膠氈作為保溫材料，內(nèi)層用鋁箔降低熱輻射，保溫層外用彩鋼板防 護(hù)；方案二：氣凝膠氈作為主體保溫材料，復(fù)合硅酸鹽氈輔助保溫，內(nèi)層用鋁箔降低 熱輻射，保溫層外用彩鋼板防護(hù)；方案三：復(fù)合硅酸鹽氈作為保溫材料，內(nèi)層用鋁箔降低熱輻射，保溫層外

30、用彩鋼板防護(hù)。3.3 汽車領(lǐng)域是氣凝膠最具確定性的增量領(lǐng)域在汽車領(lǐng)域，氣凝膠材料既可以用于整車制造，又可以用于新能源汽車電池。 整車方面，氣凝膠材料可以起到防火、隔熱、保溫、降噪等作用，在駕駛倉(cāng)和發(fā) 動(dòng)倉(cāng)間加一層氣凝膠防火隔離墻，汽車著火點(diǎn)一般集中在發(fā)動(dòng)機(jī)，汽車內(nèi)飾多是織 物等易燃物，氣凝膠防火隔離墻可阻止火勢(shì)進(jìn)入駕駛倉(cāng)，為司機(jī)和乘客的撤逃留有 更多寶貴時(shí)間。電池方面，目前新能源汽車的動(dòng)力源主要來(lái)自于以鋰離子電池為主的動(dòng)力電池 系統(tǒng)。應(yīng)消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車?yán)锍痰男枨螅瑒?dòng)力電池的能量密度在不斷提高。根據(jù)中 國(guó)制造 2025關(guān)于動(dòng)力電池的發(fā)展規(guī)劃：2020 年，單個(gè)電芯級(jí)別的能量密度達(dá)到 300Wh/

31、kg；2025 年，達(dá)到 400Wh/kg；2030 年，達(dá)到 500Wh/kg。在能量密度不斷提高的同時(shí)，動(dòng)力電池的安全性成為新的瓶頸。近年來(lái)，屢有新能源車起火新聞見(jiàn)之報(bào)端。其中電池自燃占起火原因的比例高達(dá) 38%。鋰離子動(dòng)力電池在發(fā)生熱失控是一個(gè)連鎖放熱過(guò)程，不是瞬間完成的。隨著溫 度不斷升高依次是：高溫容量衰減SEI 膜分解負(fù)極電解液反應(yīng)隔 膜熔化過(guò)程正極分解反應(yīng)電解質(zhì)溶液分解反應(yīng)負(fù)極與粘接劑反應(yīng) 電解液燃燒等。這為我們解決動(dòng)力電池?zé)崾Э靥峁┝怂悸?。通過(guò)在電池組內(nèi)增加隔 熱層，阻斷熱失控從失控單體向周圍傳播，從而可以降低電池組的損害以及附帶的 破壞作用。2020 年 5 月 12 日，G

32、B 38031-2020電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求發(fā)布。 這是我國(guó)電動(dòng)汽車領(lǐng)域首批強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之一，于 2021 年 1 月 1 日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn) 在優(yōu)化電池單體模組安全要求的同時(shí)，重點(diǎn)強(qiáng)化了電池系統(tǒng)熱安全、機(jī)械安全、電 氣安全以及功能安全要求，試驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋系統(tǒng)熱擴(kuò)散、外部火燒、機(jī)械沖擊、模擬碰 撞、濕熱循環(huán)、振動(dòng)、泡水、外部短路、過(guò)溫、過(guò)充等。特別要求電池單體在熱失控 后，電池系統(tǒng)在 5 分鐘內(nèi)不起火不爆炸，為成員安全預(yù)留逃生時(shí)間。做好電池組熱管理至關(guān)重要，寧德時(shí)代、上汽通用、宇通客車等公司的解決方案 是在電芯之間放置氣凝膠。氣凝膠材料導(dǎo)熱系數(shù)低，防火、防水性能優(yōu)異，占用空間 小，壽命長(zhǎng)，

33、且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是最佳的汽車電池隔熱材料。同時(shí)，動(dòng)力電車的性能 受溫度影響較大，溫度過(guò)低會(huì)影響到再生制動(dòng)系統(tǒng)的性能，充電速度過(guò)慢而且充不 滿電，氣凝膠也能保障電池溫度不會(huì)過(guò)低。根據(jù)上汽通用公司介紹，公司在純電動(dòng) MAV 別克微藍(lán)的電芯之間加入了納米級(jí) 氣凝膠，為別克微藍(lán) 410KM 版 140Wh/kg 的高電池能量密度和 13.1kWh 的低能耗做 出了貢獻(xiàn)，強(qiáng)化了別克微藍(lán)電池組的安全性，為別克微藍(lán)的高壓系統(tǒng)能滿足系統(tǒng)安 全 ASIL D（汽車安全性等級(jí)最高等級(jí)）標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。4 重點(diǎn)企業(yè)分析4.1 中國(guó)化學(xué)中國(guó)化學(xué)是一家集勘察、設(shè)計(jì)、施工為一體，知識(shí)技術(shù)相對(duì)密集的工業(yè)工程公 司，是我國(guó)化

34、學(xué)工業(yè)工程領(lǐng)域內(nèi)資質(zhì)最為齊全、功能最為完備、業(yè)務(wù)鏈較為完整的 工業(yè)工程公司之一。公司開(kāi)展“三年五年規(guī)劃，十年三十年愿景目標(biāo)”中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn) 略，以人才技術(shù)優(yōu)勢(shì)為依托，實(shí)現(xiàn)研發(fā)和實(shí)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，使實(shí)業(yè)成為推動(dòng)企業(yè)發(fā)展 的重要板塊，其中氣凝膠項(xiàng)目的建設(shè)是一項(xiàng)重大突破。當(dāng)前公司氣凝膠產(chǎn)品的在建 項(xiàng)目位于重慶。中國(guó)化學(xué)氣凝膠項(xiàng)目建設(shè)單位是中化學(xué)華陸新材料有限公司，建成后中國(guó)化學(xué) 氣凝膠項(xiàng)目將成為中國(guó)領(lǐng)先、世界一流的集研發(fā)、生產(chǎn)、上下游供應(yīng)鏈為一體的氣 凝膠新材料產(chǎn)業(yè)基地。中化學(xué)華陸新材料有限公司（簡(jiǎn)稱“華陸新材”）于 2020 年 09 月 23 日成立， 由華陸工程科技有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱“華陸科技”）控

35、股。2018 年 12 月，華陸科技 投資參股中國(guó)航天科工集團(tuán)貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱“航天烏江”）。 航天烏江是國(guó)內(nèi)唯一集超臨界萃取裝備設(shè)計(jì)、制造為一體的生產(chǎn)廠家，具有較 強(qiáng)的超臨界萃取成套裝備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和超臨界流體技術(shù)應(yīng)用研究能力，與國(guó)內(nèi)外設(shè)備 相比更加節(jié)能。華陸科技對(duì)航天烏江原氣凝膠復(fù)合材料生產(chǎn)線進(jìn)行改造和技術(shù)升級(jí)，聯(lián)合航天 烏江進(jìn)行大規(guī)模、連續(xù)化生產(chǎn)氣凝膠復(fù)合材料全過(guò)程工藝流程開(kāi)發(fā)，新增了溶劑高 效回收系統(tǒng)、智能行車機(jī)器人與超臨界干燥設(shè)備快開(kāi)裝置協(xié)同控制系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn) 軍用技術(shù)轉(zhuǎn)民用。在此之前，中國(guó)化學(xué)也曾助力陽(yáng)煤集團(tuán)建成投產(chǎn)亞洲最大氣凝膠項(xiàng)目。2018 年， 陽(yáng)煤集團(tuán)與深

36、圳中凝科技有限公司達(dá)成戰(zhàn)略合作，合資成立了陽(yáng)中新材氣凝膠生產(chǎn) 企業(yè)。擬建設(shè)項(xiàng)目為 30 萬(wàn)立方米/年氣凝膠絕熱氈、2 萬(wàn)噸/年氣凝膠粉體、5 萬(wàn)噸/ 年功能性聚酯纖維。項(xiàng)目分三期建設(shè)，一期項(xiàng)目建設(shè)產(chǎn)能為2萬(wàn)立方米/年氣凝膠氈、 1000 噸/年氣凝膠粉體。中國(guó)化學(xué)旗下賽鼎公司作為一期項(xiàng)目的總承包單位，實(shí)現(xiàn)了 當(dāng)年開(kāi)工、當(dāng)年建成、當(dāng)年投產(chǎn)的“氣凝膠速度”，幫助陽(yáng)煤集團(tuán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展。4.2 泛亞微透公司通過(guò)對(duì) ePTFE（膨脹聚四氟乙烯）膜的改性及與基礎(chǔ)吸音棉、高性能干燥劑、 SiO2氣凝膠等材料復(fù)合，不斷開(kāi)發(fā)具有特殊聲、電、磁、熱、防水透氣、氣體管理、 耐候耐化學(xué)等特性的組件產(chǎn)品。公司生產(chǎn)的氣凝

37、膠產(chǎn)品應(yīng)用于航天、集中供熱、集 中供冷、石油、天然氣、化工、建筑、交通、冶金、電子、環(huán)保等領(lǐng)域，氣凝膠材料 在高鐵列車保溫隔聲、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)保溫、冷庫(kù)、冷藏車保冷、太陽(yáng)能集熱器、帳篷、 鞋墊、羽絨服、登山鞋等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。2019 年公司開(kāi)建年產(chǎn) 1604 立方米 SiO2氣凝膠與 24 萬(wàn)平方米 ePTFE 膜復(fù)合材料 產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，產(chǎn)品為常壓法 SiO2氣凝膠 1520m3 /a、超臨界法 SiO2氣凝膠 84m3 /a、常 壓法 SiO2氣凝膠與 ePTFE 膜復(fù)合材料 20 萬(wàn) m 3 /a、超臨界法 SiO2氣凝膠與 ePTFE 膜 復(fù)合材料4萬(wàn) m 3 /a。其中氣凝膠生產(chǎn)項(xiàng)目為公

38、司與浙江大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目， 此前已經(jīng)通過(guò)了小試及中試。2021 年公司以 1.56 億元收購(gòu)上海大音希聲新型材料有限公司 60%的股權(quán)。大音 希聲生產(chǎn)的無(wú)機(jī)固態(tài)氣體超效絕緣材料（氣凝膠）通過(guò)遠(yuǎn)東防火試驗(yàn)中心“A-60”級(jí) 艙壁及甲板耐火試驗(yàn)、取得中國(guó)船級(jí)社工廠認(rèn)可及型式認(rèn)可證書。同時(shí)大音希聲認(rèn) 真貫徹武器裝備質(zhì)量管理體系，公司生產(chǎn)的無(wú)機(jī)固態(tài)氣體超效絕熱材料（氣凝膠） 通過(guò)了海裝鑒定、裝艦201211 號(hào)和海裝艦201875 號(hào)，經(jīng)過(guò)軍方嚴(yán)格審核后獲得 了中央軍委裝備發(fā)展部頒發(fā)的裝備承制單位注冊(cè)證書。 公司收購(gòu)大音希聲使得公司具有實(shí)現(xiàn)氣凝膠產(chǎn)業(yè)在軍用、民用高端領(lǐng)域的快速 增長(zhǎng)的能力，進(jìn)一

39、步提高了公司的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。2020 年 11 月，泛亞微透在互動(dòng)平臺(tái)上稱，公司募投項(xiàng)目產(chǎn)品 SiO2 氣凝膠玻纖 氈復(fù)合材料主要應(yīng)用于三元鋰電池包電芯間隔斷，與寧德時(shí)代在洽談合作。4.3 華昌化工公司目前已經(jīng)已經(jīng)形成了煤化工、鹽化工、石油化工等多產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)格局。2021 年 3 月 4 日，公司公告增資參股愛(ài)彼愛(ài)和新材料有限公司（簡(jiǎn)稱“愛(ài)彼愛(ài)和”）7.04%。愛(ài)彼愛(ài)和是國(guó)內(nèi)一家氣凝膠材料生產(chǎn)企業(yè)，在河北滄州、河南許昌建立了兩個(gè) 生產(chǎn)基地。滄州基地主要生產(chǎn)氣凝膠粉和氣凝膠復(fù)合氈系列產(chǎn)品，主要為石油煉化、 火力發(fā)電、原油開(kāi)采、化工等領(lǐng)域企業(yè)提供高效節(jié)能產(chǎn)品，并為許昌基地提供氣凝 膠主材；許昌基地主要負(fù)責(zé)氣凝膠材料深加工，產(chǎn)品包括車用氣凝膠防火毯系列、 電池用氣凝膠隔離片系列，氣凝膠防火毯提供給宇通客車（根據(jù)公司介紹，2018 年 成為成為宇通客車氣凝膠最大供應(yīng)商）、吉利汽車、申龍客車等知名客車企業(yè)，氣凝 膠隔離片則主要供給寧德時(shí)代（根據(jù)公司介紹，2019 年成為寧德時(shí)代、鋒巢等動(dòng)力 電池的主要供應(yīng)商）、國(guó)軒高科、天津力神、中航鋰電等企業(yè)。愛(ài)彼愛(ài)和于 2019 年 10 月與北京