点击右上角
微信好友
朋友圈
请使用浏览器分享功能进行分享
气凝胶：能改变世界的多功能材料******
展览会上展出的具有纳米多孔结构的新型材料气凝胶服装
中新社 任海霞摄
【走近超材料①】
编者按超材料具有常规材料不具备的超常物理性质，是国际上重点关注的战略前沿领域。我国也高度重视超材料技术的发展，国家自然科学基金、新材料重大专项等都对超材料研究予以立项支持。近年来，越来越多的科研人员对超材料产生兴趣，使超材料的设计开发进入了一个崭新的天地。据此，本版推出“走近超材料”系列报道，展示超材料技术创新发展与产业化应用情况。
气凝胶具有高比表面积、高空隙率等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、使用温度范围广、寿命长。近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶等多种新型气凝胶。
气凝胶是一种超材料，它非常轻，即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将其压弯。目前，各种各样的气凝胶被开发出来，它们或柔软或坚硬，或导电或绝缘，应用领域广泛。1月10日，中铁一局集团有限公司表示，河南省新乡蒸汽管网项目全面通过验收。蒸汽管网对防腐、保温要求极高，其管道选用了高温离心玻璃棉及纳米气凝胶复合保温材料。项目技术负责人汪惺说，纳米气凝胶隔热效果是传统隔热材料的2—5倍，可极大提高施工质量和施工效率，降低施工成本。
作为目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料，气凝胶可谓是材料领域的“隔热王者”，并已在航天、石化等领域应用。比如“天问一号”探测器发动机与火星车表面、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶。在我国提出“双碳”目标后，随着技术的不断创新，气凝胶的应用场景也在进一步扩大。
具有耐高温、高弹性、强吸附等特性
气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料，所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数，甚至可以达到99％以上，具有高比表面积、高空隙率、纳米级孔洞、低密度等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、高弹性、强吸附、防水效果好、使用温度范围广、寿命长。
“可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版。”气凝胶领域技术专家王贝尔说，其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米，大于气凝胶孔隙的直径，因此空气在气凝胶上流动效率极低，加上气凝胶本身比热容很高，热辐射传递能降到最低，因而具有很好的隔热性能。
气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中，无机气凝胶是以无机物为主体，包括单质气凝胶、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等。有机气凝胶则是以有机物为主体，主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势，实现气凝胶特殊的功能化。
《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一，并称其为“可以改变世界的多功能新材料”。王贝尔说，气凝胶是《科学》杂志评选出的十大新材料中，唯一一个已大规模落地于实际商业场景的材料。
气凝胶的制备工艺主要分为两步，即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶，再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。
有数据显示，在气凝胶行业的成本结构中，制造成本约占45%。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说，降低气凝胶成本是行业正在努力的一个方向，目前主要路径之一是自动化产线的落地，而成本降低将会打开更多的应用场景。
生物质基气凝胶成研究热点
据中国石油管道科技研究中心评估，以350摄氏度蒸汽管道的保温应用为例，相比于传统保温材料，气凝胶的保温层厚度可减少2/3，节约能耗40%以上，每公里管道每年可减少二氧化碳排放125吨。
数据显示，2021年油气领域对气凝胶的需求占总需求量的56%，另有18%用于工业隔热、9%用于建筑建造、8%用于交通运输。国家新材料产业发展战略咨询委员会在《2022气凝胶行业研究报告》中指出，在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料，可将电池包高温耐受能力提高至800摄氏度以上。随着新能源汽车产业等的发展，气凝胶在新能源汽车及储能行业应用场景广泛，需求量有望持续提升。
气凝胶发展迅速。国务院发展研究中心国际技术经济研究所分析员李维科说，近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶。值得一提的是，生物质原料来源广泛、成本低廉、碳源丰富，利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶是一种经济、可持续的生产方式，因此目前生物质基气凝胶也成为研究的热点。
比如中国科学技术大学俞书宏院士团队研发出超弹性纤维素气凝胶，该纤维素气凝胶从室温到零下196摄氏度，都表现出不随温度变化的超弹性、优异的抗疲劳性等，在恶劣环境中具有巨大的隔热潜力。且制备中所使用的材料均为生物质原料，有望解决能源密集型技术和石化材料造成的环境污染问题，是传统不可再生气凝胶的理想替代品。
中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质，将无机、有机气凝胶与木材骨架基体复合，首创了第三代木质纤维素气凝胶。通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控，将纤维素比表面积提高了7个数量级，对油污吸附能力高达自身质量的75—300倍，体积用量缩减50%—75%，可降解、可再生。
气凝胶发展驶入“快车道”
气凝胶的发展得到国家政策的持续支持。2014年和2015年，国家发改委连续两年将气凝胶列入《国家重点节能低碳技术推广目录》，开始对气凝胶进行初步推广应用；2018年6月气凝胶被列入建材新兴产业；同年9月，第一个气凝胶方面的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》发布；2020年，《气凝胶保温隔热涂料系统技术标准》启用；2021年，《中共中央、国务院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。
随着气凝胶应用技术不断成熟，气凝胶发展进入“快车道”。不过，李维科说，目前气凝胶研究仍存在一些问题，比如气凝胶在高温条件下热导率增长较快，与纤维等增强基体材料的黏结性较差；生产过程中会用到许多有机溶剂，容易造成环境污染；气凝胶难以回收利用，不利于可持续发展等。
此外，气凝胶生产成本高昂，产品价格昂贵。《2022气凝胶行业研究报告》指出，气凝胶的生产成本主要集中在原材料硅源、设备折旧及能耗方面。有效降低成本既依赖于制备工艺的突破，也需要通过低成本原材料的大规模产业化来实现。
气凝胶是罕见的可以同时满足防火、防水、隔热、隔音等多种需求的材料。李维科说，气凝胶的发展和应用仍然处于不断探索的过程，未来的研究方向主要集中在开发纤维素气凝胶、石墨烯气凝胶、钙钛矿结构气凝胶、非金属单质气凝胶等新型气凝胶上。（记者 李 禾）
干货！5G如何与行业融合发展？******
5G与行业融合的“绽放”之路
我国5G应用蓬勃发展，进入规模化探索新阶段。目前，国民经济20个门类中有15个行业，97个大类中有39个行业均已应用5G。5G与行业融合过程中，受行业自身发展规律、5G技术及产业发展规律和宏观发展环境等多重因素影响，呈现梯次性导入、渐进式发展趋势。由于不同行业5G发展呈现明显的阶段性，应分类施策推动5G与行业融合发展。
5G应用蓬勃发展，进入规模化探索新阶段
随着工业4.0时代的到来，数字化转型已成为各行业发展的必然趋势。作为新基建的重要组成部分，以5G为代表的新一代信息技术逐步与行业基础设施相融合，形成新型行业信息化基础设施。我国在国家政策、应用探索、产业融合等多方面积极推动5G与行业融合发展。
在政策方面，2020年3月，中共中央政治局常务委员会会议强调“加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度”；“十四五”规划和2035年远景目标纲要明确提出“构建基于5G的应用场景和产业生态”。
为落实党中央、国务院的决策部署，多项鼓励5G发展与应用的政策或通知陆续出台。2021年7月，工业和信息化部等十部门印发《5G应用“扬帆”行动计划(2021-2023年)》(以下简称《行动计划》)。该《行动计划》提出8大专项行动及32个具体任务，明确了我国未来三年重点行业的5G应用发展方向，并系统性地部署相关推进工作。各地方政府也将5G应用作为地方经济的重要支柱型产业，纷纷出台相关产业支持政策。截至2021年8月底，全国省、市、区共出台5G政策569个，其中省级67个、市级259个、区县级243个。
在产业探索方面，从2019年我国5G网络正式开始商用，5G与行业融合试点项目的范围和规模逐步扩大，以三大运营商为代表的ICT(信息和通信技术)产业界加速与各垂直行业开展5G应用探索。据统计，工业和信息化部举办的“绽放杯”5G应用征集大赛项目数量从2018年的330个增长到2021年的超过1.2万个，涉及工业互联网、医疗健康、智慧交通、智慧金融、文体娱乐等20多个行业领域，近7000家政府机构、企业、科研院所、行业协会等单位参与，覆盖我国31个省(自治区、直辖市)及香港特别行政区。
从5G应用项目成熟度和商业落地情况来看，我国5G应用已实现从“0”到“1”的突破。2021年第四届“绽放杯”5G应用征集大赛近半数项目实现落地，15%以上的项目实现“解决方案可复制”，我国5G应用已进入“1”到“N”的发展阶段。下一步的探索方向是如何在不同行业实现规模化应用。
5G与行业融合梯次性导入，呈渐进式发展趋势
5G与行业融合发展进程遵循着客观发展规律，这个规律受到行业自身发展规律、5G技术及产业发展规律和宏观发展环境三方面的影响。
从行业来看，目前处于数字化转型的关键期，其对数字化技术的接受度在快速提升，原有的生产系统、产业体系、经营管理模式、商业模式等也在发生急剧变革，这为5G快速融入提供了良好条件。但是，由于不同行业有不同的产业发展周期、发展节奏，也会导致5G与不同行业融入的深度、广度和速度存在差异性。
从需求侧来看，首先需要明确行业场景需求，解决“为什么”用5G的问题，还要考虑行业原有数字化基础，解决“如何用”5G的问题。目前我国的第一、二、三产业数字化基础发展差异性较大，基础设施数字化率整体占比不高，影响了5G融入行业的速度。同时，企业对新技术的接受度、应用效果的显性度、探索的积极性等都影响5G在行业的发展进程。从供给侧来看，移动通信系统从5G开始才真正为垂直行业服务，3G、4G等都是面向消费者市场，发展周期和发展驱动力受消费者影响。消费者用户是统计型需求且消费是冲动型，因此在技术和产业发展节奏、网络更新速度等方面，ICT企业的话语权较高。但行业客户不同，行业客户具有局部聚焦、决策理性等特征，内部具有选择和决策机制，这就要求5G网络进入行业时，要能经受住行业选择流程的考验，如应用效果带来的经济价值测算、对未来转型发展影响等。原有5G技术和产业发展节奏要及时适应不同行业诉求，原来“需求发现-技术研究-国际标准化-国内标准化-产业化”的5G技术和产业迭代周期一般在两年及以上，再考虑应用场景适配、应用推广等时间，这些都将导致5G在行业的应用会是渐进式的。目前5G网络是基于R15版本的，主要满足大带宽需求，在超低时延、超高可靠保障上尚无法满足，这使得5G应用主要是在生产辅助环节、管理环节和非硬实时(10ms以上)控制场景；在R16版本对5G传输时延、可靠性进行增强后，5G会逐步渗透到生产核心控制环节；在R17阶段，随着精简化5G芯片商业化，5G终端及模组成本直线式下降，将极大推动5G行业应用规模化推广。
从发展环境来看，产业政策、商业模式、产业融合环境、宣传力度等，都会对5G应用发展起到助推作用，目前我国已经形成从国家到地方的系统性政策体系。
总体来看，受到三大因素的影响，5G与行业融合应用呈现渐进性和梯次导入发展规律，不同行业不同领域发展节奏存在一定差异性。
分类施策推进5G与各行业融合
5G与行业融合整体遵循预热、起步、成长和规模发展四个阶段。在预热阶段，ICT和行业初步接触，共同探索一些应用场景；起步阶段是双方真正开始一些小规模场景验证；成长阶段是明确场景及需求，逐步进入商业探索阶段；规模发展阶段是从大型企业向全行业企业复制推广阶段。
由于不同行业数字化基础、行业需求及探索热情不同，其发展进度和发展节奏也不相同。
总体来看，行业变革和创新意愿较强、数字化基础较好、经济条件较强的行业，其5G应用已经明确了应用场景、消除了需求不确定性，发展速度较快，进入成长期，这些行业属于先导行业，他们主要进行5G与行业系统融合和适配，承载越来越多的应用，如采矿业、工业、电力、医疗、港口等行业；对于数字化水平一般，但行业探索、创新意识和行业转型诉求较强的行业，其正在积极探索5G应用场景，挖掘5G带来的更多价值，属于潜力行业，如文旅、智慧城市、智慧物流、交通运输等行业；对于数字化水平较低，对5G应用需求不清晰，5G对其行业发展价值和作用尚不明确的行业，属于待培育行业，他们主要进行应用场景的探索，处于5G融合起步阶段，如智慧教育、智慧农业、智能油气等行业；对于数字化水平较高、有很好的数字化基础，但行业对5G需求不明确、对5G诉求也不强烈，尚未消除5G技术的不确定性，在5G应用场景、5G价值等方面尚需进一步深入挖掘，如金融、水利等行业。
5G与行业融合的价值和作用已经被越来越多的行业所认可，但受限于数字化基础条件、产业发展节奏及行业变革周期等客观发展规律，5G与行业融合不会一蹴而就。要对5G应用既给予探索热情，又保持足够耐心，这样5G融合应用才能越做越好。
作者：杜加懂 中国信息通信研究院5G应用创新中心副主任
来源：《中国网信》2022年第5期
（文图：赵筱尘 巫邓炎） [责编：天天中] 阅读剩余全文（）  视觉焦点
永旺快投彩票平台地图 |
)