神奇的化工材料氣凝膠你知道多少用途

氣凝膠，號稱是“世界上最輕的固體”，因為質(zhì)量輕、隔熱強、承受力大，被廣泛應用于各行各業(yè)，現(xiàn)階段我國氣凝膠產(chǎn)品下游主要集中在油、氣、工業(yè)管道保溫等領(lǐng)域，發(fā)展?jié)摿薮?，在尖端研究領(lǐng)域如航空航天、醫(yī)藥、汽車電池等方面已頗具成果。氣凝膠在世界范圍內(nèi)起步很早，可追溯到1931年，當時美國斯坦福大學提出要證明一種具有相同尺寸的連續(xù)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的固體“凝膠”，是從濕凝膠中驅(qū)除液體而不破壞固體形狀。按照通常的技術(shù)路線，很難做到這一點，一旦讓濕凝膠干燥，凝膠將會收縮，這種收縮經(jīng)常是伴隨著凝膠的嚴重破裂。Kistler采用乙醇超臨界干燥技術(shù)，制備出世界上第一塊氣凝膠——SiO2氣凝膠，他預言氣凝膠在催化、隔熱、玻璃和陶瓷等領(lǐng)域有極大的應用價值。氣凝膠的超強隔熱性能但在其后幾十年的發(fā)展里，氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化幾經(jīng)波折，已經(jīng)歷了三次產(chǎn)業(yè)化，目前正在第四次產(chǎn)業(yè)化的迅速發(fā)展中。在這期間，擴展了新的技術(shù)方向與應用市場，誕生了真正將氣凝膠商業(yè)化運作的著名公司。氣凝膠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展歷程國內(nèi)最早于1955年，由同濟大學波爾固體物理研究所對氣凝膠展開研究。隨后，清華大學、東華大學等高校也涉足過這個領(lǐng)域。中國技術(shù)工作者在常壓干燥領(lǐng)域投入精力較多，到2004年，國內(nèi)開始出現(xiàn)從事氣凝膠材料產(chǎn)業(yè)化研究的企業(yè)，逐步推動氣凝膠市場的成熟化、規(guī)?；?，擴展和開發(fā)新興應用領(lǐng)域，成為氣凝膠第四次產(chǎn)業(yè)化的主力軍。國家高度重視氣凝膠的推廣應用，將其列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，相關(guān)政策逐步完善。氣凝膠的應用極為廣泛，一般用于絕熱、隔熱材料，隔音材料，催化劑，吸附劑；在新能源方面，例如新型電池、儲氫材料也有所應用。據(jù)中國石油管道科技研究中心評估，以350℃蒸汽管道的保溫應用為例，相比于傳統(tǒng)保溫材料，氣凝膠的保溫厚度減少2/3，節(jié)約能耗40%以上，每公里管道每年可減少二氧化碳排放125噸。氣凝膠的應用

氣凝膠隔熱原理為：熱傳導、熱對流、熱輻射三個方面分別可達到“無窮長路徑”效應、“零對流”效應、“無窮多遮熱板”效應。

阻隔熱傳導：納米級顆粒間的接觸面積極小、傳熱面積??；熱量在納米顆粒間傳導路徑理論上無限長，熱傳導率低。限制熱對流：靜止空氣常溫熱運動平均自由程69納米，氣凝膠平均孔徑都小于60納米，空氣分子被鎖住而不能進行對流傳熱。降低熱輻射：氣凝膠納米材料配合紅外遮光劑，可以有效遮蔽并反射紅外熱輻射，避免以熱輻射形式散失熱量。氣凝膠優(yōu)秀特性為：具有極低的導熱率，隔熱，輕薄，優(yōu)秀的防火、疏水、抗拉抗壓性能序號性能特征具體指標1最低的密度的固體<1.5mg/mL2最小的孔徑1~100nm3最高的孔洞率>99.9%4最高的比表面積200-1000m2/g5最低的熱導率常溫常壓下可達0.013w/(k<unk>m)6極優(yōu)的防火性能防火等級A1級,煙霧等級AQ1級7超疏水性增水率>99%8最低的聲傳播速度<70m/s9最低的介電常數(shù)<1.00310最低的折射率<1.0003

廣泛應用于新能源汽車、國防軍工、城市熱力管網(wǎng)、建筑節(jié)能、石油化工、工業(yè)窯爐等各領(lǐng)域。

在新能源電池中使用的氣凝膠是以正硅酸乙酯為硅源、通過溶膠—凝膠法制備，讓溶膠小顆粒形成高分子的空間網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)，通過老化形成為納米多孔結(jié)構(gòu)、經(jīng)化學改性可做到全方位疏水，再用二氧化碳超臨界干燥將空間空間結(jié)構(gòu)內(nèi)的液體置換成氣體，這種容納空氣的多孔結(jié)構(gòu)就是無機的二氧化硅氣凝膠。氣凝膠絕熱制品的常溫導熱系數(shù)低于0.018W/(M·K)，有優(yōu)異的高溫絕熱性能。

目前主要的纖維基材是陶瓷纖維、玻璃纖維，預氧絲（黑色）

陶瓷纖維基材氣凝膠隔熱墊（耐溫1050℃）

以陶瓷纖維為基材的SiO2,氣凝膠復合材料通過嵌入硅膠框覆膜加工工藝而成。

預氧絲基材氣凝膠隔熱墊（耐溫450℃）

以預氧絲為基材的SiO2氣凝膠復合材料。通過嵌入硅膠框覆膜加工工藝而成。也可噴涂阻燃膠粘劑直接應用。

玻璃纖維基材氣凝膠隔熱墊（耐溫650℃）

以玻璃纖維為基材的SiO2,氣凝膠復合材料通過嵌入硅膠框覆膜加工工藝而成。氣凝膠隔熱墊工藝流程

（四）隔熱墊在電池包應用為抑制電池熱蔓延多以經(jīng)過加工封裝的氣凝膠氈制成氣凝膠墊安裝分布于電芯之間。當動力電池發(fā)生內(nèi)部或外部短路后，短時間內(nèi)電池釋放出大量熱量，溫度急劇升高，導致熱失控，通過熱擴散，單個熱失控電池通過熱傳導和火焰引發(fā)臨近的電池發(fā)生熱失控，導致整個電池模組/電池包發(fā)生熱失控，從而引發(fā)新能源汽車起火爆炸等安全事件。這就好比在茂密的森林之中，如果一顆樹木被引燃，會逐漸蔓延起來，形成大范圍的森林火災。

通過在電池組間加裝氣凝膠隔熱墊，在電芯出現(xiàn)熱失控的情況下可有效抑制熱擴散，延緩事故發(fā)生。另一方面，氣凝膠隔熱墊具有導熱系數(shù)低、保溫效果好、A級防火、質(zhì)量輕等特點，應用于電池包保溫，在保證電池低溫環(huán)境下的使用性能的同時，能為空間有限的電池包節(jié)省更多寶貴空間。

（五）應用案例創(chuàng)新電池結(jié)構(gòu)冷卻散熱排爆系統(tǒng)隔熱防火材料寧德時代麒麟電池口琴管內(nèi)外雙層冷卻板置于電芯雙面實現(xiàn)大面積冷卻,倒置排爆電芯間/