气凝胶材料研究及应用推广调研汇报

气凝胶材料研究及应用推广调研汇报目录TOC\o"1-9"\h\u14815一、气凝胶定义及结构形态 317584二、气凝胶分类 528079三、气凝胶材料研究进展及技术突破 7128101、制备工艺优化 850942、前沿研究方向 823228四、气凝胶材料应用领域 95482（一）、油气管道是气凝胶下游最主要应用领域 1031358（二）新能源车是气凝胶下游需求增速最快的领域 11987（三）气凝胶在建筑隔热领域的应用空间广阔 135675（四）航天军工:大展身手的“隔热王者 142932（五）服装领域:高端防寒市场有望实现突破 1516537（六）其他领域:催化、电化学、吸附等极具应用前景 1721786五、气凝胶产业支持政策 1825337六、气凝胶行业现状及竞争格局 1925004（一）产业现状 193409（二）国内企业积极扩产 2128948七、结论与建议 22气凝胶定义及结构形态气凝胶是用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料。气凝胶隔热性极佳，其热导率可低达0.012W/(m·K），一寸厚的气凝胶相当于20—30块普通玻璃的隔热功能；其孔隙率高达99.9%，是良好的吸附介质，也可开发做催化剂载体；同时气凝胶还具有良好的阻燃性、绝缘性和隔音性，并且绿色环保。优异的性能使其在热学、声学、光学、电学、力学领域均有所应用，也被期许为“改变世界的神奇材料”。图1演示气凝胶的隔热性表1气凝胶的优异性能纳米级多孔结构造就其优越的保温隔热性能，气凝胶的独特特性主要源于其微观结构和组成。气凝胶的高孔隙率是其最显著的特性之一，这种结构意味着材料的绝大部分体积是由气体构成，而非固体。这种多孔特性导致气凝胶的密度极低，通常仅为传统材料的几分之一，从而赋予其轻巧的特点。图2气凝胶的微观结构气凝胶的微观结构类似于三维网络，主要由硅氧键（Si-O）构成。这种网络结构提供了大面积的比表面积，通常可达几百至几千平方米每克，使得气凝胶在催化和吸附等应用中非常有效。同时，这种非晶态的结构缺乏长程有序性，导致其在热传导方面的性能显著降低。气凝胶的导热系数非常低，通常在0.01到0.03W/m·K之间，使其在隔热方面表现出色。气凝胶的化学组成也影响其性能。以二氧化硅为主的气凝胶在耐热性和化学稳定性方面具有优势，这使其在高温和恶劣环境中保持稳定。这些综合因素共同作用，使得气凝胶具备了优异的隔热性、轻质性和良好的化学稳定性。气凝胶分类气凝胶材料种类多样，按照组分不同可分为单组分和多组分气凝胶。其中，单组分气凝胶包括氧化物气凝胶、碳化物气凝胶、有机气凝胶、氮化物气凝胶、碳气凝胶和生物质气凝胶等，在隔热、吸附、催化、储能转化和生物医用等领域均有所突破。目前，SiO₂气凝胶研发、生产、应用最为成熟，根据《抢抓“碳达峰”历史机遇，加快气凝胶产业快速成长》，2019年占据全球69%的市场份额。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3气凝胶种类商用气凝胶通常为复合材料。纯气凝胶材料质脆、易碎，常与其他材料复合使用。气凝胶具有非常独特的高孔隙率结构特征，骨架承受的应力及孔间的毛细管压力差较大。因此，纯气凝胶材料呈现出质脆、易碎的特性，实用性较差，需要利用其他材料赋予它强度等性能才能达到实际的使用效果。气凝胶可针对不同的应用领域，与不同材料复合，形式多样，常见的有气凝胶毡、气凝胶隔热垫、气凝胶涂料、气凝胶保温板、气凝胶墙布等。图4气凝胶常见形态气凝胶材料研究进展及技术突破干燥技术是SiO2气凝胶制备的关键。湿凝胶干燥是制备SiO2气凝胶最重要的步骤。SiO2气凝胶的制备主要包括：1）溶胶-凝胶法制备湿凝胶；2）湿凝胶干燥制备气凝胶两部分。湿凝胶干燥要在保持其原有纳米网络结构不变的条件下，排除其中溶剂。超临界干燥法能够有效防止干燥过程中凝胶破裂，但设备昂贵且工艺复杂，目前，超临界二氧化碳干燥法为主流生产工艺。常压干燥法设备简单便宜，只要技术成熟即能进行连续性及规模化生产，但干燥周期长，干燥成品品质低，密度大且易开裂。正硅酸乙酯是较为常用的有机硅源。正硅酸乙酯是较为常用的有机硅源。气凝胶的前驱体包括无机硅源和有机硅源，无机硅源主要为水玻璃，其材料本身成本低且原料来源广泛，但是产品杂质含量高，后续需要较多的处理步骤，综合成本不低。有机硅源主要包括正硅酸甲酯和正硅酸乙酯，二者生产的产品性能更加优越，但是正硅酸甲酯水解生成甲醇对人体危害较大，因此，正硅酸乙酯是较为常用的有机硅源。当前气凝胶需要技术突破的两个方面：1.制备工艺优化干燥技术：

从早期的超临界干燥（成本高、危险）向常压干燥技术发展，是降低生产成本、实现产业化的关键。前驱体开发：

从昂贵的硅源（如正硅酸甲酯TMOS）向廉价硅源（如水玻璃、稻壳灰等生物质硅源）拓展。性能增强：

通过纤维增强、聚合物交联等手段，显著改善了气凝胶的脆性，制备出柔性、疏水、高强度的复合气凝胶材料。2.前沿研究方向多功能化：

开发兼具隔热、防火、吸附、催化等多种功能的气凝胶。智能化：

研究对外界刺激（如温度、湿度、应力）产生响应的智能气凝胶。绿色可持续：

利用生物质（如纤维素、壳聚糖）制备全生物基气凝胶，推动其环境友好化。上游材料占气凝胶成本较高。受制于硅源价格上涨，当前气凝胶的材料成本约占总成本的72%。由于供应紧缺，据生意社数据，气凝胶常用的有机硅源正硅酸乙酯已由2021年初1.3万元/吨左右大幅上涨，最高至2021年11月，达2.8万元/吨。参考纳诺科技的环评，正硅酸乙酯按含税价1.5万元计算，气凝胶的成本约8768元/立方米，折4.38万元/吨（每立方米200公斤折算）。图5气凝胶成本拆分气凝胶材料应用领域与传统保温材料相比，除了保温性能优越，气凝胶整体疏水对管道设备不会造成腐蚀，还能够达到A级防火，同时使用寿命更长，热损失更低，质量轻、体积小、适用范围更加广泛。因此，气凝胶在油气项目、工业隔热、建筑建造、交通等领域均有广泛应用，据前瞻产业研究院，2021年，各领域占比分别为56%、18%、9%、8%。图6气凝胶下游应用领域资料来源：埃力生官网、华陆新材官网、爱彼爱和官网、岩谷科技官网，银河证券（一）油气管道是气凝胶下游最主要应用领域气凝胶主要用于高温油气管线保温，如稠油开采的地面高温注汽管线保温，炼化装置、介质管线的保温等，一般温度在200℃~650℃之间。另外，为了防止输送油气的管道发生凝管或者冰堵事故，尤其在冬季或者气候寒冷的高纬度地区，管道运营公司亦需要对输送介质进行加热并对管道进行保温。气凝胶材料能够有效节能降本。气凝胶的主要劣势在于初始投资较高，但由于其优异的保温隔热性、耐老化性、疏水性等，在服役一段时间后，反而更具经济效益。总体说来，气候越寒冷、管输介质温度越高、加热时间越长、热价（能源费用）越高，则使用气凝胶材料保温的经济性越好。

案例一：中国石油管道科技研究中心对某输油站场管道的保温改造。使用气凝胶替代传统岩棉等保温材料，对于长度约100m的管道，假设冷热油管道长度各占50%，其中冷油20℃，热油50℃，若每年加热6个月，使用气凝胶材料后，仅热能费用每年可节约8264元，4.6年后可收回期初多投资的成本。气凝胶的使用寿命长达20年，而传统隔热材料3～5年就需更换，因此，气凝胶还可以在后续的10~15年间节省因更换隔热层而产生的材料费、人工费等，若考虑这部分费用，约3.6年即可回收初期多出的投资。

案例二：中石油克拉玛依石化公司对初始温度约435℃的蒸汽管线保温改造。采用气凝胶和防水涂料复合保温材料替代原始复合硅酸盐保温材料，新保温材料使用寿命可长达10年以上，改造后年节约蒸汽量1.85万吨，对应年节约成本175.75万元，初始投入材料费+施工费606.7万元，根据5%的年折旧率计算得出的年经济效益为127.72万元。投资回收期为4.5年。（二）新能源车是气凝胶下游需求增速最快的领域气凝胶可用于动力电池防护及整车防护。目前锂电池的工作温度范围为-20℃～60℃，若没有合适的散热方案，外部加热、过充、内短路等容易导致锂电池热失控，进而可能引发电动汽车起火、爆炸等事故。而温度过低又会导致电动车的续航里程降低，并有可能对电池产生损害。据2020年工信部组织制定的《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，在电池单体发生热失控后，电池系统需要在5分钟内不起火、不爆炸。气凝胶是A级不燃防火材料，主要用于电芯之间以及电池模组、PACK上盖的防火隔热，一方面，可以通过隔热防止电池升温，降低热失控的发生率；另一方面，能够在因热失控而产生火灾时，阻止火势蔓延，争取逃生时间。与传统锂电池隔热材料相比，气凝胶性能更优。目前常用的传统动力电池保温隔热材料有泡棉、塑料泡沫、超细玻璃棉、陶瓷化硅橡胶等，与传统隔热片相比，气凝胶隔热片兼具阻燃性能高、体积轻及用量少的特点，综合性能更优。目前，国内前十大电池厂商大都开始使用气凝胶隔热材料。锂电池安全性一直是新能源汽车行业关注的重点，2020年以来，气凝胶隔热片已逐步在动力电池领域获得广泛应用，宁德时代、弗迪电池、中创新航、国轩高科、欣旺达等头部电池厂商纷纷开始使用。除电池厂外，比亚迪、吉利、中国中车等汽车厂商也开始通过气凝胶来提升车辆的安全性能。图7气凝胶在锂电池防护领域的应用（三）气凝胶在建筑隔热领域的应用空间广阔气凝胶可用于建筑的墙体、屋顶、地板、玻璃等保温隔热。根据《2020年中国统计年鉴》，我国建筑业能源消耗占国内能源消耗总量超过25%。据热企数据，一个采暖季室温每提高1℃，每平方米供热面积就要多用1千克煤，假如用气凝胶绝热板保温，一个采暖季，每平方米将节省5kg煤，以每户120平方米核算，一个采暖季每户将节省600kg煤，能够带来十分可观的节能减排效益。我国建筑保温材料市场规模超1700亿元，气凝胶渗透率仍较低，未来应用空间广阔。据QYResearch，2021年，我国建筑保温材料市场规模达1718.7亿元，2017—2021年复合增长率达21%。但根据中科润资公众号数据，受社会认知度和价格等因素制约，2020年，气凝胶在建筑保温材料的渗透率仅为0.02%。随着气凝胶工艺成本的降低和产业规模的扩大，未来在建筑隔热领域的市场空间广阔。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，航空航天材料须具备低密度、高硬度、耐气凝胶等，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、玻璃纤维气凝胶被认为是理想的隔热材料。气凝胶在航天军工领域运用最早最成熟。气凝胶起始就是应用在航天军工领域，已被应用于飞船、卫星、火箭、导弹、战机、军车等重要零部件的隔热保温。我国首个火星探测器“天问一号”着陆发动机与探测车表面使用了气凝胶材料，应对极热和极寒两种严酷环境。“十四五”规划中提及要加快国防和军队现代化，实现富国和强军相统一。未来航天军工领域对新材料的需求将继续增加，气凝胶的渗透率也有望进一步提升。图8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，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%。高性能气凝胶复合材料逐步渗透服装领域。国产科技服装品牌素湃已推出S.KISTLER（蓝奇热）气凝胶防寒服系列。实验表明，该抗寒服中3mm厚度气凝胶材料可抵抗-196℃极寒。海外服装品牌Champion、OROS、MONGRE也已推出气凝胶系列服装产品。此外，气凝胶新材料企业中凝科技、岩拓等纷纷推出气凝胶纺织材料产品，如气凝胶夹层、气凝胶纤维、气凝胶布等。图9高端防寒市场有望实现突破，据艾普思咨询统计数据，消费者对现有羽绒服薄厚度和质量满意度低。以素湃。KISTLER（蓝奇热）气凝胶防寒服系列为例，其抗寒服中3mm气凝胶即可达到40mm鹅绒的保暖效果。气凝胶材质抗寒服厚度约1cm，明显低于常规羽绒服6cm的厚度，且重量约轻38%。另外，该气凝胶防寒服洗涤100次后，保温率和热传导率几乎未变。因此，气凝胶防寒服可极大地满足当前市场对防寒服厚度和质量的需求。据公开资料，我国是全球最大的羽绒服生产基地和消费市场。国产产品消费占有率达92.2%主要集中在中低端领域：而高端领域主要为进口产品，占7.8%。假设行业维持12.6%的年均复合增速，高端产品市场份额持稳，2025年国内高端羽绒服市场规模有望至196亿元。图10其他领域：催化、电化学、吸附等极具应用前景催化领域。气凝胶具有小粒径、高比表面积和低密度等特点，使得气凝胶催化剂的活性和选择性均远高于常规催化剂。同时，气凝胶还具有优良的热稳定性，可以有效减少副反应的发生。苏黎世联邦理工学院多功能材料实验室开发了TiO，气凝胶光催化剂，可促进高效制取氢。电化学领域。气凝胶具有低介电常数（1<e<2），且可通过改变其密度调节介电常数值。有机气凝胶和金属氧化物气凝胶，是非常优异的介电体，可用作高压绝缘材料、高速或超速集成电路的衬底材料、真空电极的隔离介质以及超级电容器。Polystor公司推出一种高性能的碳气凝胶电容器，其功率为4千瓦/千克，接近于电池的功率。吸附领域。气凝胶可运用于吸附净化领域。以疏水Si0，气凝胶为例，其可有效抑制水分子的竞争吸附，提高材料在潮湿环境下对目标有机气体的选择性。同时，疏水Si0，气凝胶对于苯、甲苯、四氯化碳等几种VOCs的吸附量均远大于传统吸附剂活性炭以及活性炭纤维，而对于水蒸气的吸附量（0.12g/100g）相比于亲水Si0，气凝胶（6g1100g）明显降低，被广泛运用于水体净化领域。气凝胶产业支持政策近年来，我国相继发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》《建材行业碳达峰实施方案》等一系列政策，均为气凝胶产品研发应用提供支持，持续为我国气凝胶行业发展注入动力。例如，2021年9月，由中共中央和国务院联合发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出，推动气凝胶等新型材料研发应用；2024年12月，由工业和信息化部、生态环境部等四部门联合发布的《标准提升引领原材料工业优化升级行动方案（2025—2027年）》提出，重点开展超高性能气凝胶隔热材料、金属有机氢化物、金属基单原子合金催化材料、量子点材料等前沿新材料标准制修订。表2中国气凝胶行业政策在国家对新材料日益重视和碳达峰对节能减碳日趋严格的大背景下，气凝胶作为一种新型环保材料，其下游产品应用范围日益拓展，叠加国家政策对产业发展支持力度日益增强，我国气凝胶行业迎来广阔发展机遇，产业规模呈现加速扩容态势。气凝胶行业现状及竞争格局产业现状2025年市场空间预计约122.6亿元，气凝胶作为性能优异的保温隔热材料，在节能减排的同时长期看兼具经济效益，在“双碳”背景下，其渗透率有望持续提升。据我们测算，预计2023和2025年，我国气凝胶市场规模预计分别达48.6、122.6亿元，2021至2025年复合增速达68.9%。IDTechEXResearch数据显示，我国气凝胶下游应用中占比最多的为油气项目，约占56%；其次是工业隔热占18%、建筑制造占9%、交通运输占8%。油气和工业隔热仍将是气凝胶应用的主战场，建筑建造、交通运输和新兴领域将成为未来增长较快的领域。尤其是建筑领域，在气凝胶产业发展更为成熟的美国及部分欧洲地区，建筑用气凝胶已经非常普遍。随着我国节能环保理念的深入，未来建筑领域将成为气凝胶的一大市场。预计到2026年，我国气凝胶下游市场中油气项目将减少至47%，建筑建造占比将提升至14%，交通运输占比将提升至13%。气凝胶从发现至今已经经历过三次产业化，目前正处在以我国企业为主导的第四次产业化浪潮中。1931年，Steven.