1931年氣凝膠正式問世，它是一種具有納米孔隙結構的輕質材料，是由納米尺度的固體骨架構成的一個三維立體網絡，網絡結構間包含著豐富的納米孔隙，孔隙率可以高達99.8%；是目前已知導熱系數最低、密度最低的固體材料，因輕若薄霧顏色泛藍，又被稱為“藍煙”；具有超長的使用壽命、超強的隔熱性能、超高的耐火性能等，被譽為 “改變世界的神奇材料”。

氣凝膠有兩個比較顯著的特點。一是重量特別輕，在比較輕柔的花朵、羽毛上都可以放置一大片氣凝膠。因為氣凝膠的孔隙率特別高，基本由空氣填充，所以賦予了其特別輕質的性能。二是壁表面積特別大，把10克氣凝膠材料完全鋪展開，它擁有的表面就可以覆蓋一個標準足球場。用氣凝膠制成真空隔熱板，搭載在貨運飛船的低溫冰柜上，相當于一個隔熱性能和保冷性能特別好的“超級冰箱”。對了，咱們中國首輛火星車"祝融號"攜帶的黑科技里面就有它。這玩意很輕，但是隔熱性能很好。并且用在太陽能面板上，還可以讓火星車不容易粘灰。

01 氣凝膠的發明

說起氣凝膠的發明歷史，是美國人基斯特勒在1931年受果凍的啟發而發明出來的。

果凍大家肯定都不會陌生，但是估計很少人會思考一個問題：哎，既然果凍的成分都是水，那么它里面的水怎么不會流出來？

其實果凍是一種水凝膠，所謂凝膠就是指溶膠失去流動性后，變成的一種富含液體的半固態物質。

它的原理是這樣的：

果凍網格內的水分子是由表面張力拉住的，并且這種表面張力的大小，正好讓水既無法掙脫又可以晃動，這樣就會得到最終的成品果凍。

那如果把里面的液體抽出來，然后換成氣體，會發生什么呢？

美國人基斯特勒就按照這個思路，經過無數次實驗最終選擇硅膠作為實驗對象，利用超臨界干燥法，去除了硅膠中的液體成分。

這個實驗的高明之處在于，他先用酒精去替換水，再把酒精在超臨界狀態下轉換成氣體，然后再緩慢把酒精氣體釋放掉。此時由于沒有液體引起的毛細管力作用，使得網格得以保持原來的結構。

從而成功地制成了世界上第一個真正意義上的氣凝膠-二氧化硅氣凝膠。

不得不說，這個方法確實巧妙！

02 氣凝膠的優異性能

1.氣凝膠是由納米孔洞與納米骨架組成的三維連續多孔材料，獨特的結構賦予其超強隔熱性能。

氣凝膠的阻熱原理是其獨立的結構帶來的無對流效應、無窮多遮擋板效應、無窮長路徑效應。氣凝膠的導熱系數在 0.012~0.024W/(m·K)，比傳統的隔熱材料低 2~3 個數量級，其隔熱的原理在于均勻致密的納米孔及多級分形孔道微結構可以有效阻止空氣對流，降低熱輻射和熱傳導：1）無對流效應：氣凝膠氣孔為納米級，內部空氣失去自由流動能力；2）無窮多遮擋板效應：納米級氣孔，氣孔壁無窮多，輻射傳熱降至最低；3）無窮長路徑效應：熱傳導沿著氣孔壁進行，而納米級氣孔壁無限長。

相比其他保溫材料，氣凝膠導熱系數最低、質量最輕，耐熱溫度更高。

實現相同保溫效果，氣凝膠厚度不足其余材料1/3；厚度更薄，散熱面積更小，管線溫降更低，熱效率更高，同時最大限度節約空間；若地下管道保溫，則大幅減少開挖量。

2.氣凝膠除質輕、隔熱性能優異外，還擁有眾多其他優勢：良好的防火性、疏水性、隔音性、吸附性、綠色環保性等。

1) 防火疏水：可達到國家建筑材料A1級不燃標準，憎水率N98%；

2) 持有耐候：氣凝膠保溫材料整體疏水，不易吸水解體，使用壽命可達10年以上，相比傳統保溫材料壽命提高3-5倍；

3) 隔音抗震：氣凝膠的三維多孔網絡結構可起到吸聲降噪、緩沖抗震的作用；

4) 健康環保：產品已通過RoHS、REACH、ELV檢測，不含對人體有害的物質；非常理想的吸附材料。

03 氣凝膠的種類

氣凝膠已經從最初的SiO2氣凝膠發展成為龐大的氣凝膠家族。

根據氣凝膠的外觀，可分為塊體、粉末和薄膜；根據氣凝膠的制備方法，可分為氣凝膠、干凝膠、凍凝膠；根據不同微觀結構，可分為微孔（<2nm）、中孔（2~50nm）和混合多

孔氣凝膠；根據基體，可分為無機、有機、混合和復合氣凝膠；最常用的氣凝膠分類方法是通過組分來區分，可分為單組分和多組分氣凝膠。

單組分氣凝膠包括氧化物氣凝膠、碳化物氣凝膠、氮化物氣凝膠、石墨烯氣凝膠、量子點氣凝膠、金屬氣凝膠、聚合物基有機氣凝膠、生物質基有機及碳氣凝膠、硫化物氣凝膠等。

多組分氣凝膠（復合氣凝膠）是指由兩種及以上單組分氣凝膠構成或者由纖維、晶須、納米管等增強體與氣凝膠基體相結合的氣凝膠復合材料。如，有機纖維-SiO2復合氣凝膠等。組成、結構不同的氣凝膠，展現出獨特的性質，適用于特定的應用場景。

圖：氣凝膠的分類與應用圖譜

04 氣凝膠的制備流程

目前大規模產業化的是SiO2氣凝膠，以此為例介紹氣凝膠的制備流程。

氣凝膠的制備通常包含溶膠-凝膠和干燥兩個主要過程：第一步是通過溶膠凝膠過程制備濕凝膠；第二步是利用一定的干燥方法將凝膠內的液態物質替換為氣態，從而制得氣凝膠。

在溶膠凝膠過程中引入纖維強化，或者利用交聯劑進行交聯，可改進氣凝膠的力學性能，是常見的改性方法。

圖：SiO2氣凝膠制備流程示意圖

硅源是氣凝膠的上游主要原材料，包括無機硅源和有機硅源。

溶劑包括水、乙醇等，乙醇作為共溶劑促進混合均勻。

反應初期，硅源通過水解得到活性單體硅酸，然后硅酸之間縮聚后生成了以硅氧（－Si－O－Si－）為主體的聚合物（溶膠），進而相互交聯形成具有三維網絡結構的凝膠骨架。

凝膠骨架之間存在著大量的孔隙，填充著乙醇、水等溶劑分子。

圖：SiO2氣凝膠溶膠-凝膠過程圖

制得濕凝膠并經老化后，需要通過干燥過程將凝膠內的液態溶劑替換為氣態物質，從而制得氣凝膠，該過程是決定產品質量最關鍵的一步。干燥方法包括常壓干燥、超臨界干燥、高溫干燥、冷凍干燥和微波干燥等。

目前工業主要采用的方法是超臨界干燥和常壓干燥。前者是氣凝膠發明之初至今的最主流干燥手段，條件苛刻，設備要求高；常壓干燥對設備要求低，但是干燥時間長，過程繁瑣。冷凍干燥、高溫干燥與微波干燥是近年提出的新方法，各有所長，是未來氣凝膠大規模生產的新路徑探索。

表：各干燥工藝特點對比

05 市場需求空間廣闊，五大產業支撐上億市場

綜合多家機構預測，全球氣凝膠市場將保持10%左右的復合增速。Markets And Markets 數據顯示，全球氣凝膠市場將從2020年6.38億美元增長到2025年10.45億美元，年均復合增長10.4%；IDTechEX預計，到2031年全球氣凝膠市場規模將超過一倍以上增長，年均復合增長8.8%以上；增長主要來自中國生產商的不斷擴產、下游需求的多樣化發展，以及新型氣凝膠材料（如聚合物氣凝膠）的商業影響開始顯現。

1、油氣領域：氣凝膠下游最大應用市場

相比傳統保溫材料，氣凝膠絕熱氈具有使用溫度范圍更廣、隔熱更優、厚度更薄（傳統材料的 1/3-1/5）、更抗腐蝕、憎水率高、使用壽命長達15年（傳統材料3-5年，大修時修修補補）、更防火等優點，是“雙碳”目標下石化、LNG管線等實現節能降碳的優選材料。

2、建筑建造：氣凝膠潛在發展市場

保溫材料按照化學性質可分為無機和有機兩類。無機材料包括巖棉、玻璃棉、發泡水泥、真空絕熱板（VIP）、氣凝膠等，具有不易燃特性；有機材料包括EPS、XPS、聚氨酯等，具有更優良的保溫性能，但具有易燃性，燃燒后產生有害氣體，需添加阻燃劑。

3、交通運輸：電動汽車或將成為未來重要增長級

氣凝膠可為動力電池隔熱提供安全保障，除用于動力電池電芯之間，還可用于模組與殼體之間、電池箱外部。2020年5月，工信部發布《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，增加電池系統熱擴散試驗，要求電池單體發生熱失控后，電池系統在5分鐘內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間。

4、航天軍工：大展身手的“隔熱王者”

氣凝膠是航天軍工領域的絕佳材料。受飛行環境影響，航空航天材料需具備低密度、高硬度、耐高溫、低導熱的特性。航空航天領域常用的幾類隔熱材料包括酚醛樹脂、玻璃纖維、氣凝膠等， 而氣凝膠被認為是理想的隔熱材料。

5、服裝領域：高端防寒市場有望實現突破

我國羽絨服市場規模增速可觀且穩定。目前防寒服裝主要以羽絨服為主，其主要填充料為鴨絨、鵝絨等，通過羽絨細絲交織在一起降低空氣流速，阻止空氣對流對熱量的散失。據中國服裝協會數據顯示，2015年我國羽絨服市場規模為767億元，2021年增長至1562億元，2015-2021年年均復合增速達到12.6%。

06 產業發展亂象待破局

站在國家“雙碳”和“十四五”高質量發展的賽道上，氣凝膠行業一定是大有可為的，但是行業自身的發展問題也必須引起重視。目前，我國氣凝膠行業面臨的主要是體量不大、技術與投資門檻高、盲目跟風投資、用戶認知有待提升等問題，市場也存在不健康的地方。

首先，我國氣凝膠材料每年產銷量近4萬立方米，營業額4億至5億元，占絕熱材料行業份額不到5‰，在工業高溫管道和設備上的應用占比也不到1%。在“雙碳”目標和工業節能的要求下，氣凝膠行業還有巨大的市場空間，亟需更大的產能支撐。

但該領域技術和投資門檻高，不是隨便做絕熱材料和耐火材料企業就能投資進入的。氣凝膠材料生產技術是配合航天和軍工的需要誕生的，可以借鑒的成熟生產線不多，幾乎沒有肯轉讓成套工藝包的。成規模化年產能1萬立方米的氣凝膠生產線的投資接近3億元，自動化水平高的要更高投資，投資回收期長，技術與資金都限制了行業快速擴張。

氣凝膠產業一方面市場大、有需求，一面門檻高、擴張慢。行業內有多類蹭熱度、炒概念、跟風進入的氣凝膠項目。這些項目不少都是零技術起步，不做產品也沒有生產能力，包裝成高科技公司只為融資。這不但造成了巨大的資金浪費，也造成了氣凝膠產業混亂的局面。

在市場方面，客戶對氣凝膠這種新材料認知的局限使氣凝膠的推廣很困難。有些客戶對絕熱節能的重要性不夠了解，沒有意識到絕熱節能是提升能源利用率的最有效手段；有些客戶的保溫材料是勞務公司采購的，認為反正絕熱材料是耗材，能用的情況下盡可能選便宜的。企業受限于造價，無法更多關注能耗，使得氣凝膠不被普遍認可。而且，業主即使了解氣凝膠材料，在采購部門低價中標的規則下，優質達標的氣凝膠也敵不過“非標品”。

針對市場現狀，中國絕熱節能材料協會氣凝膠分會在2020年召開的第一屆產業大會上，確立“技術創新發展、市場健康發展、產投融合發展”的目標。為落實節能減排，實現“碳中和、碳達峰”，需要加大氣凝膠絕熱材料的推廣應用，將氣凝膠產業做大做強。主要建議如下：

一是在熱電、化工、鋼鐵和水泥等用熱體量大、熱量損失嚴重的行業，率先推廣應用氣凝膠等高性能絕熱材料，并逐步大面積推廣。

二是更新節能和絕熱工程設計和驗收標準，提出更高的節能標準來帶動新材料和新技術的推廣應用。

三是在節能和絕熱工程中采用綜合評標法等評標方法，不能簡單沿用“低價中標”規則，適時調整項目絕熱工程的造價體系。

四是匹配專項資金補貼和財稅政策鼓勵引導氣凝膠絕熱節能。借鑒新能源汽車產業補貼政策，將節能獎勵直接補貼到氣凝膠材料的應用端。氣凝膠材料的應用能夠產生長期且巨大節能收益，建議將氣凝膠材料的投資用來抵稅。

五是結合工業互聯網和大數據平臺，做好絕熱工程的節能量計量和監測，真實客觀評價工程效果，為后續應用推廣做好數據支撐。

六是加強氣凝膠行業市場監管和認證，杜絕不符合標準的“非標品”，避免在氣凝膠市場增長后“李鬼”戰勝“李逵”，“劣幣”驅逐“良幣”。

七是配套一定的資金杠桿，試點使用氣凝膠絕熱節能材料的合同能源管理服務。依靠我國剛開放的碳交易市場，使氣凝膠絕熱節能產業做到靠節能量能養活自己，能長期周轉，最終實現行業做大做強。