1931年气凝胶正式问世，它是一种具有纳米孔隙结构的轻质材料，是由纳米尺度的固体骨架构成的一个三维立体网络，网络结构间包含着丰富的纳米孔隙，孔隙率可以高达99.8%；是目前已知导热系数最低、密度最低的固体材料，因轻若薄雾颜色泛蓝，又被称为“蓝烟”；具有超长的使用寿命、超强的隔热性能、超高的耐火性能等，被誉为 “改变世界的神奇材料”。

气凝胶有两个比较显著的特点。一是重量特别轻，在比较轻柔的花朵、羽毛上都可以放置一大片气凝胶。因为气凝胶的孔隙率特别高，基本由空气填充，所以赋予了其特别轻质的性能。二是壁表面积特别大，把10克气凝胶材料完全铺展开，它拥有的表面就可以覆盖一个标准足球场。用气凝胶制成真空隔热板，搭载在货运飞船的低温冰柜上，相当于一个隔热性能和保冷性能特别好的“超级冰箱”。对了，咱们中国首辆火星车"祝融号"携带的黑科技里面就有它。这玩意很轻，但是隔热性能很好。并且用在太阳能面板上，还可以让火星车不容易粘灰。

01 气凝胶的发明

说起气凝胶的发明历史，是美国人基斯特勒在1931年受果冻的启发而发明出来的。

果冻大家肯定都不会陌生，但是估计很少人会思考一个问题：哎，既然果冻的成分都是水，那么它里面的水怎么不会流出来？

其实果冻是一种水凝胶，所谓凝胶就是指溶胶失去流动性后，变成的一种富含液体的半固态物质。

它的原理是这样的：

果冻网格内的水分子是由表面张力拉住的，并且这种表面张力的大小，正好让水既无法挣脱又可以晃动，这样就会得到最终的成品果冻。

那如果把里面的液体抽出来，然后换成气体，会发生什么呢？

美国人基斯特勒就按照这个思路，经过无数次实验最终选择硅胶作为实验对象，利用超临界干燥法，去除了硅胶中的液体成分。

这个实验的高明之处在于，他先用酒精去替换水，再把酒精在超临界状态下转换成气体，然后再缓慢把酒精气体释放掉。此时由于没有液体引起的毛细管力作用，使得网格得以保持原来的结构。

从而成功地制成了世界上第一个真正意义上的气凝胶-二氧化硅气凝胶。

不得不说，这个方法确实巧妙！

02 气凝胶的优异性能

1.气凝胶是由纳米孔洞与纳米骨架组成的三维连续多孔材料，独特的结构赋予其超强隔热性能。

气凝胶的阻热原理是其独立的结构带来的无对流效应、无穷多遮挡板效应、无穷长路径效应。气凝胶的导热系数在 0.012~0.024W/(m·K)，比传统的隔热材料低 2~3 个数量级，其隔热的原理在于均匀致密的纳米孔及多级分形孔道微结构可以有效阻止空气对流，降低热辐射和热传导：1）无对流效应：气凝胶气孔为纳米级，内部空气失去自由流动能力；2）无穷多遮挡板效应：纳米级气孔，气孔壁无穷多，辐射传热降至最低；3）无穷长路径效应：热传导沿着气孔壁进行，而纳米级气孔壁无限长。

相比其他保温材料，气凝胶导热系数最低、质量最轻，耐热温度更高。

实现相同保温效果，气凝胶厚度不足其余材料1/3；厚度更薄，散热面积更小，管线温降更低，热效率更高，同时最大限度节约空间；若地下管道保温，则大幅减少开挖量。

2.气凝胶除质轻、隔热性能优异外，还拥有众多其他优势：良好的防火性、疏水性、隔音性、吸附性、绿色环保性等。

1) 防火疏水：可达到国家建筑材料A1级不燃标准，憎水率N98%；

2) 持有耐候：气凝胶保温材料整体疏水，不易吸水解体，使用寿命可达10年以上，相比传统保温材料寿命提高3-5倍；

3) 隔音抗震：气凝胶的三维多孔网络结构可起到吸声降噪、缓冲抗震的作用；

4) 健康环保：产品已通过RoHS、REACH、ELV检测，不含对人体有害的物质；非常理想的吸附材料。

03 气凝胶的种类

气凝胶已经从最初的SiO2气凝胶发展成为庞大的气凝胶家族。

根据气凝胶的外观，可分为块体、粉末和薄膜；根据气凝胶的制备方法，可分为气凝胶、干凝胶、冻凝胶；根据不同微观结构，可分为微孔（<2nm）、中孔（2~50nm）和混合多

孔气凝胶；根据基体，可分为无机、有机、混合和复合气凝胶；最常用的气凝胶分类方法是通过组分来区分，可分为单组分和多组分气凝胶。

单组分气凝胶包括氧化物气凝胶、碳化物气凝胶、氮化物气凝胶、石墨烯气凝胶、量子点气凝胶、金属气凝胶、聚合物基有机气凝胶、生物质基有机及碳气凝胶、硫化物气凝胶等。

多组分气凝胶（复合气凝胶）是指由两种及以上单组分气凝胶构成或者由纤维、晶须、纳米管等增强体与气凝胶基体相结合的气凝胶复合材料。如，有机纤维-SiO2复合气凝胶等。组成、结构不同的气凝胶，展现出独特的性质，适用于特定的应用场景。

图：气凝胶的分类与应用图谱

04 气凝胶的制备流程

目前大规模产业化的是SiO2气凝胶，以此为例介绍气凝胶的制备流程。

气凝胶的制备通常包含溶胶-凝胶和干燥两个主要过程：第一步是通过溶胶凝胶过程制备湿凝胶；第二步是利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。

在溶胶凝胶过程中引入纤维强化，或者利用交联剂进行交联，可改进气凝胶的力学性能，是常见的改性方法。

图：SiO2气凝胶制备流程示意图

硅源是气凝胶的上游主要原材料，包括无机硅源和有机硅源。

溶剂包括水、乙醇等，乙醇作为共溶剂促进混合均匀。

反应初期，硅源通过水解得到活性单体硅酸，然后硅酸之间缩聚后生成了以硅氧（－Si－O－Si－）为主体的聚合物（溶胶），进而相互交联形成具有三维网络结构的凝胶骨架。

凝胶骨架之间存在着大量的孔隙，填充着乙醇、水等溶剂分子。

图：SiO2气凝胶溶胶-凝胶过程图

制得湿凝胶并经老化后，需要通过干燥过程将凝胶内的液态溶剂替换为气态物质，从而制得气凝胶，该过程是决定产品质量最关键的一步。干燥方法包括常压干燥、超临界干燥、高温干燥、冷冻干燥和微波干燥等。

目前工业主要采用的方法是超临界干燥和常压干燥。前者是气凝胶发明之初至今的最主流干燥手段，条件苛刻，设备要求高；常压干燥对设备要求低，但是干燥时间长，过程繁琐。冷冻干燥、高温干燥与微波干燥是近年提出的新方法，各有所长，是未来气凝胶大规模生产的新路径探索。

表：各干燥工艺特点对比

05 市场需求空间广阔，五大产业支撑上亿市场

综合多家机构预测，全球气凝胶市场将保持10%左右的复合增速。Markets And Markets 数据显示，全球气凝胶市场将从2020年6.38亿美元增长到2025年10.45亿美元，年均复合增长10.4%；IDTechEX预计，到2031年全球气凝胶市场规模将超过一倍以上增长，年均复合增长8.8%以上；增长主要来自中国生产商的不断扩产、下游需求的多样化发展，以及新型气凝胶材料（如聚合物气凝胶）的商业影响开始显现。

1、油气领域：气凝胶下游最大应用市场

相比传统保温材料，气凝胶绝热毡具有使用温度范围更广、隔热更优、厚度更薄（传统材料的 1/3-1/5）、更抗腐蚀、憎水率高、使用寿命长达15年（传统材料3-5年，大修时修修补补）、更防火等优点，是“双碳”目标下石化、LNG管线等实现节能降碳的优选材料。

2、建筑建造：气凝胶潜在发展市场

保温材料按照化学性质可分为无机和有机两类。无机材料包括岩棉、玻璃棉、发泡水泥、真空绝热板（VIP）、气凝胶等，具有不易燃特性；有机材料包括EPS、XPS、聚氨酯等，具有更优良的保温性能，但具有易燃性，燃烧后产生有害气体，需添加阻燃剂。

3、交通运输：电动汽车或将成为未来重要增长级

气凝胶可为动力电池隔热提供安全保障，除用于动力电池电芯之间，还可用于模组与壳体之间、电池箱外部。2020年5月，工信部发布《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，增加电池系统热扩散试验，要求电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。

4、航天军工：大展身手的“隔热王者”

气凝胶是航天军工领域的绝佳材料。受飞行环境影响，航空航天材料需具备低密度、高硬度、耐高温、低导热的特性。航空航天领域常用的几类隔热材料包括酚醛树脂、玻璃纤维、气凝胶等， 而气凝胶被认为是理想的隔热材料。

5、服装领域：高端防寒市场有望实现突破

我国羽绒服市场规模增速可观且稳定。目前防寒服装主要以羽绒服为主，其主要填充料为鸭绒、鹅绒等，通过羽绒细丝交织在一起降低空气流速，阻止空气对流对热量的散失。据中国服装协会数据显示，2015年我国羽绒服市场规模为767亿元，2021年增长至1562亿元，2015-2021年年均复合增速达到12.6%。

06 产业发展乱象待破局

站在国家“双碳”和“十四五”高质量发展的赛道上，气凝胶行业一定是大有可为的，但是行业自身的发展问题也必须引起重视。目前，我国气凝胶行业面临的主要是体量不大、技术与投资门槛高、盲目跟风投资、用户认知有待提升等问题，市场也存在不健康的地方。

首先，我国气凝胶材料每年产销量近4万立方米，营业额4亿至5亿元，占绝热材料行业份额不到5‰，在工业高温管道和设备上的应用占比也不到1%。在“双碳”目标和工业节能的要求下，气凝胶行业还有巨大的市场空间，亟需更大的产能支撑。

但该领域技术和投资门槛高，不是随便做绝热材料和耐火材料企业就能投资进入的。气凝胶材料生产技术是配合航天和军工的需要诞生的，可以借鉴的成熟生产线不多，几乎没有肯转让成套工艺包的。成规模化年产能1万立方米的气凝胶生产线的投资接近3亿元，自动化水平高的要更高投资，投资回收期长，技术与资金都限制了行业快速扩张。

气凝胶产业一方面市场大、有需求，一面门槛高、扩张慢。行业内有多类蹭热度、炒概念、跟风进入的气凝胶项目。这些项目不少都是零技术起步，不做产品也没有生产能力，包装成高科技公司只为融资。这不但造成了巨大的资金浪费，也造成了气凝胶产业混乱的局面。

在市场方面，客户对气凝胶这种新材料认知的局限使气凝胶的推广很困难。有些客户对绝热节能的重要性不够了解，没有意识到绝热节能是提升能源利用率的最有效手段；有些客户的保温材料是劳务公司采购的，认为反正绝热材料是耗材，能用的情况下尽可能选便宜的。企业受限于造价，无法更多关注能耗，使得气凝胶不被普遍认可。而且，业主即使了解气凝胶材料，在采购部门低价中标的规则下，优质达标的气凝胶也敌不过“非标品”。

针对市场现状，中国绝热节能材料协会气凝胶分会在2020年召开的第一届产业大会上，确立“技术创新发展、市场健康发展、产投融合发展”的目标。为落实节能减排，实现“碳中和、碳达峰”，需要加大气凝胶绝热材料的推广应用，将气凝胶产业做大做强。主要建议如下：

一是在热电、化工、钢铁和水泥等用热体量大、热量损失严重的行业，率先推广应用气凝胶等高性能绝热材料，并逐步大面积推广。

二是更新节能和绝热工程设计和验收标准，提出更高的节能标准来带动新材料和新技术的推广应用。

三是在节能和绝热工程中采用综合评标法等评标方法，不能简单沿用“低价中标”规则，适时调整项目绝热工程的造价体系。

四是匹配专项资金补贴和财税政策鼓励引导气凝胶绝热节能。借鉴新能源汽车产业补贴政策，将节能奖励直接补贴到气凝胶材料的应用端。气凝胶材料的应用能够产生长期且巨大节能收益，建议将气凝胶材料的投资用来抵税。

五是结合工业互联网和大数据平台，做好绝热工程的节能量计量和监测，真实客观评价工程效果，为后续应用推广做好数据支撑。

六是加强气凝胶行业市场监管和认证，杜绝不符合标准的“非标品”，避免在气凝胶市场增长后“李鬼”战胜“李逵”，“劣币”驱逐“良币”。

七是配套一定的资金杠杆，试点使用气凝胶绝热节能材料的合同能源管理服务。依靠我国刚开放的碳交易市场，使气凝胶绝热节能产业做到靠节能量能养活自己，能长期周转，最终实现行业做大做强。