搶抓“碳達(dá)峰”歷史機(jī)遇 加快氣凝膠產(chǎn)業(yè)快速成長(zhǎng)

王本力

新材料產(chǎn)業(yè)是制造強(qiáng)國(guó)的基礎(chǔ)，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo)。作為新材料之一的氣凝膠，空隙率可達(dá)到90%以上，多孔結(jié)構(gòu)衍生出優(yōu)異的絕熱、吸聲、吸附性能，同時(shí)不同骨架組分賦予了氣凝膠在納米尺度下出色的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和生物學(xué)性能，可廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、航空航天、石油和天然氣、化工、熱能工程、熱工設(shè)備、交通運(yùn)輸、家用電器、高鐵、新能源汽車、艦船、建筑等諸多領(lǐng)域，是未來這些領(lǐng)域?qū)嵕G色低碳發(fā)展和產(chǎn)品品質(zhì)升級(jí)的關(guān)鍵材料，曾被《科學(xué)》雜志列為未來10大潛力新材料之一，是“一個(gè)可以改變世界的材料”。在國(guó)家政策支持和市場(chǎng)引導(dǎo)下，近十年我國(guó)氣凝膠產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，氣凝膠被列入國(guó)家重點(diǎn)新材料產(chǎn)品目錄，研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化與發(fā)達(dá)國(guó)家開始“并跑”，部分產(chǎn)品指標(biāo)高于美國(guó)產(chǎn)品，產(chǎn)能位居世界第1，應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展，廣東、浙江、貴州、重慶等省市因地制宜，開創(chuàng)了具有地方特色的氣凝膠產(chǎn)業(yè)。在國(guó)家對(duì)新材料日益重視和碳達(dá)峰對(duì)節(jié)能減碳日趨嚴(yán)格的大背景下，氣凝膠如何搶占先機(jī)，成為關(guān)注的熱點(diǎn)。

1 產(chǎn)業(yè)整體處于成長(zhǎng)期前期

當(dāng)前，氣凝膠應(yīng)用場(chǎng)景不斷增加，產(chǎn)品應(yīng)用不斷擴(kuò)寬，技術(shù)研發(fā)速度加快，專利申請(qǐng)量與專利申請(qǐng)人數(shù)量急劇上升，產(chǎn)品價(jià)格不斷降低，行業(yè)進(jìn)入企業(yè)不斷增多，但是尚沒有一家企業(yè)形成穩(wěn)固的龍頭地位。總體判斷，氣凝膠產(chǎn)業(yè)整體處于成長(zhǎng)期的前期。

1.1 產(chǎn)業(yè)規(guī)?？傮w不大，市場(chǎng)應(yīng)用迅猛增速

發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)綠色發(fā)展日益重視，成為推動(dòng)全球氣凝膠市場(chǎng)增長(zhǎng)的關(guān)鍵。2019年底，歐盟制訂了《歐洲氣候法》草案，以立法形式明確到2050年實(shí)現(xiàn)“碳中和”，并發(fā)布了《可持續(xù)歐洲投資計(jì)劃》《歐洲新工業(yè)戰(zhàn)略》，明確了歐盟未來工業(yè)綠色發(fā)展的重點(diǎn)。此外，隨著氣凝膠材料的進(jìn)步和創(chuàng)新、產(chǎn)品生態(tài)效益意識(shí)的提高、氣凝膠新應(yīng)用的不斷拓展，以及亞太市場(chǎng)的發(fā)展，特別是我國(guó)氣凝膠產(chǎn)業(yè)的壯大，氣凝膠行業(yè)發(fā)展顯著加快，詳見圖1所示。Allied Market Research研究報(bào)告顯示，2013—2020年全球氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模從2.2億美元增加到近20億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá) 36.4%。2015—2020年，我國(guó)氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模從3.3億元增加到37.16億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到61.1%，市場(chǎng)增速遠(yuǎn)超國(guó)際平均水平。

1.2 規(guī)?；a(chǎn)以二氧化硅（SiO2）氣凝膠為主，新型氣凝膠逐漸開始應(yīng)用

氣凝膠超高的孔隙率使其在力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等方面均表現(xiàn)出獨(dú)特的性能，具有一般固態(tài)材料所不具有的低折射率、低熱導(dǎo)率、低聲阻抗等物理特性，在眾多領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。表1列舉了氣凝膠在幾大重要領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。目前，SiO2氣凝膠研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用最為成熟，成功應(yīng)用于石油天然氣、工業(yè)、建筑隔熱、汽車、航空航天、電子等領(lǐng)域，2019年占據(jù)全球69%的市場(chǎng)份額。隨著有機(jī)氣凝膠、碳?xì)饽z在電子、半導(dǎo)體、超級(jí)電容器、油吸附等領(lǐng)域的應(yīng)用，新型氣凝膠市場(chǎng)份額將逐步增大。Allied Market Research研究顯示，2025年全球氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模有望超過200億美元，年均復(fù)合增速達(dá)到60%，在絕熱保溫材料市場(chǎng)占比由2020年的3%增加到2025年的21%。

1.3 進(jìn)入企業(yè)不斷增多，美歐中3地“并跑”

美歐日對(duì)氣凝膠的研究和應(yīng)用起步較早，在材料研發(fā)、規(guī)?；a(chǎn)、多領(lǐng)域應(yīng)用以及市場(chǎng)開拓方面均處于全球領(lǐng)先，其主要研究機(jī)構(gòu)有：美國(guó)LLNL實(shí)驗(yàn)室、JPL實(shí)驗(yàn)室、SNL實(shí)驗(yàn)室、加州理工學(xué)院、阿斯彭（Aspen）公司，德國(guó)的維爾茨堡大學(xué)、巴斯夫（Basf）公司、Desy公司，法國(guó)蒙特派利爾材料研究中心，瑞典Lund公司，日本高能物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，韓國(guó)延世大學(xué)等。重點(diǎn)企業(yè)有Aspen公司、Cabot公司等，Aspen公司是全球最大的氣凝膠生產(chǎn)企業(yè)，Cabot公司是第一家在室溫下生產(chǎn)氣凝膠并使之商業(yè)化的公司。我國(guó)在氣凝膠研發(fā)、生產(chǎn)方面與國(guó)際先進(jìn)水平同步，某些指標(biāo)高于美國(guó)產(chǎn)品，應(yīng)用市場(chǎng)也不少于美國(guó)，主要研究機(jī)構(gòu)有：南京工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、廈門大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及中科院，已形成廣東埃力生高新科技有限公司（Alison）、浙江納諾科技有限公司（NanoHightech）、貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司（Wujiang electromech equip）等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)。全球主要?dú)饽z企業(yè)見圖2。

1.4 市場(chǎng)逐漸向亞太轉(zhuǎn)移，我國(guó)市場(chǎng)全球增速最快

近年來，亞洲和其他地區(qū)氣凝膠市場(chǎng)占比逐步增加，北美和歐洲氣凝膠市場(chǎng)占比減少。2012—2017年，北美氣凝膠市場(chǎng)在全球占比由55%下降到49%，歐洲氣凝膠市場(chǎng)的全球占比由24%下降到17%，而亞洲氣凝膠市場(chǎng)的全球占比由13%上升到23%。Global Industry Analysts數(shù)據(jù)顯示，2020—2027年，中國(guó)、加拿大、德國(guó)、日本氣凝膠市場(chǎng)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率分別為22.3%、16%、14.8%和13.4%。

2 將迎來快速成長(zhǎng)的歷史機(jī)遇

2.1 需要新材料核心技術(shù)全面突破時(shí)代已經(jīng)到來

材料是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)進(jìn)步和國(guó)防安全的物質(zhì)基礎(chǔ)，是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)和制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的前提，是催生戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)先導(dǎo)。新材料已成為決定國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵領(lǐng)域和核心技術(shù)。從國(guó)內(nèi)看，面對(duì)高質(zhì)量發(fā)展下產(chǎn)業(yè)升級(jí)和消費(fèi)升級(jí)加快的需求，材料基礎(chǔ)支撐作用不足日益顯現(xiàn)。從國(guó)際看，面對(duì)復(fù)雜嚴(yán)峻的國(guó)際環(huán)境，關(guān)鍵核心技術(shù)“要不來、買不來、討不來”成為共識(shí)。加快發(fā)展新材料將成為今后一段時(shí)期我國(guó)補(bǔ)齊發(fā)展短板，提升產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平的重要著力點(diǎn)，高端新材料核心技術(shù)全面突破時(shí)代已經(jīng)到來。

2.2 政策支持力度不斷加大推動(dòng)氣凝膠逐步走向成熟

“十二五”期間，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)（簡(jiǎn)稱“國(guó)家發(fā)改委”）在《當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南（2011）》中將納米多孔氣凝膠材料列為優(yōu)先發(fā)展的新材料產(chǎn)業(yè)，工業(yè)和信息化部將SiO2氣凝膠列入《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”重點(diǎn)產(chǎn)品目錄》，國(guó)家發(fā)改委2014年將氣凝膠相關(guān)產(chǎn)品列入《國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》，開始了對(duì)氣凝膠的初步推廣應(yīng)用。

“十三五”期間，氣凝膠先后被列入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)、“國(guó)家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與利用”重點(diǎn)專項(xiàng)——優(yōu)勢(shì)特色領(lǐng)域重要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研究以及《加快建材新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)產(chǎn)品導(dǎo)向目錄（2016年版）》《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類（2018）》《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2019年版）》。《建材工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》將“高性能、低成本的氣凝膠、無機(jī)真空絕熱板等制備和應(yīng)用技術(shù)”列為重點(diǎn)培育技術(shù)。2018年9月1日，我國(guó)首個(gè)國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》正式實(shí)施。同年，工業(yè)和信息化部將納米孔SiO2氣凝膠巖棉復(fù)合保溫板列入《軍用技術(shù)轉(zhuǎn)民用推廣目錄》。2017年和2018年，南京工業(yè)大學(xué)牽頭成立中國(guó)絕熱節(jié)能材料協(xié)會(huì)氣凝膠分會(huì)，建成國(guó)內(nèi)首個(gè)“建筑材料行業(yè)氣凝膠材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。

2020年施行的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年版）》中，氣凝膠節(jié)能材料被列入鼓勵(lì)類。最新版的《工業(yè)企業(yè)技術(shù)改造升級(jí)投資指南》提出，重點(diǎn)推進(jìn)高性能熱防護(hù)材料技術(shù)向工業(yè)和建筑節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)化，如低成本納米孔高效隔熱保溫材料及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)原材料、制備工藝、專用設(shè)備等方面的系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)納米孔隔熱材料低成本化，并在工業(yè)和建筑節(jié)能領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

2.3 全面綠色低碳發(fā)展為氣凝膠產(chǎn)業(yè)提供了前所未有的機(jī)遇

在全球積極應(yīng)對(duì)氣候變化背景下，2020年9月22日，中國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上的講話中宣布：“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。黨的十九屆五中全會(huì)《建議》和2021年政府工作報(bào)告提出：扎實(shí)做好碳達(dá)峰、碳中和各項(xiàng)工作，制定2030年前碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案，“十四五”單位GDP能耗和CO2排放分別降低13.5%、18%。工業(yè)、交通、建筑、能源等領(lǐng)域成為節(jié)能減碳的關(guān)鍵。在加快推動(dòng)綠色產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)下，未來5年中國(guó)將加快發(fā)展以科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少為目標(biāo)的綠色制造。中國(guó)綠色發(fā)展?jié)摿?、碳達(dá)峰需求和氣凝膠新技術(shù)、新產(chǎn)品供給的深度融合，有望產(chǎn)生更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用需求。氣凝膠作為超級(jí)絕熱材料，發(fā)展機(jī)遇前所未有。

3 實(shí)施產(chǎn)品品質(zhì)提升和應(yīng)用領(lǐng)域拓展“雙輪驅(qū)動(dòng)”

從2001年美國(guó)Aspen公司開始SiO2氣凝膠產(chǎn)業(yè)化至今，20年來全球氣凝膠產(chǎn)業(yè)已走過了研發(fā)期、導(dǎo)入期，正逐步走向快速發(fā)展的新階段。但氣凝膠產(chǎn)品價(jià)格高、產(chǎn)量低、質(zhì)量參差不齊，仍是制約大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。未來，通過全產(chǎn)業(yè)鏈融合創(chuàng)新，進(jìn)一步降低SiO2氣凝膠成本、豐富產(chǎn)品種類，同時(shí)開發(fā)新型氣凝膠，實(shí)現(xiàn)氣凝膠的大規(guī)模、高品質(zhì)量產(chǎn)，為下游應(yīng)用提供材料保障成為行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)。整合行業(yè)資源、聯(lián)合上下游龍頭企業(yè)，加強(qiáng)上下游協(xié)同，加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)突破，充分發(fā)揮氣凝膠優(yōu)異特性，使全社會(huì)認(rèn)識(shí)氣凝膠、認(rèn)可氣凝膠，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，成為行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。

3.1 大力提升SiO2氣凝膠品質(zhì)，夯實(shí)主流產(chǎn)品供給

聚焦主流SiO2氣凝膠產(chǎn)品，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化干燥工藝，強(qiáng)化力學(xué)性能和功能化改性，提升施工性能，推動(dòng)SiO2氣凝膠研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)應(yīng)用、檢測(cè)認(rèn)證全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。重點(diǎn)開發(fā)耐高溫型、低溫型、復(fù)合型SiO2氣凝膠產(chǎn)品，豐富密度、尺寸、厚度、導(dǎo)熱系數(shù)等產(chǎn)品規(guī)格，開發(fā)高端裝備及防輻射、吸油、儲(chǔ)能等特殊用途型氣凝膠產(chǎn)品，增加可直接應(yīng)用的定制化氣凝膠、復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)。配套發(fā)展改性劑、高性能纖維等原輔料產(chǎn)品，以及成型復(fù)合設(shè)備及配套工裝。

3.2 加快新型氣凝膠研發(fā)，滿足新興應(yīng)用領(lǐng)域需求

針對(duì)超高溫絕熱，含油、染料、重金屬離子等廢水吸附治理、大氣污染物過濾，電極材料、催化、生物醫(yī)用、熱管理等新應(yīng)用領(lǐng)域，突破選擇性設(shè)計(jì)、改性修飾、規(guī)模化量產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)研發(fā)氧化鋁（Al2O3）、二氧化鈦（TiO2）、氧化鋯（ZrO2）新型氧化物氣凝膠，聚丙烯纖維氣凝膠、聚酰亞胺氣凝膠等有機(jī)氣凝膠，碳?xì)饽z和石墨烯氣凝膠、過渡金屬氧化物氣凝膠、生物質(zhì)氣凝膠以及復(fù)合型氣凝膠。

3.3 做好設(shè)計(jì)和應(yīng)用銜接，有序開拓下游應(yīng)用市場(chǎng)

在工業(yè)絕熱保溫應(yīng)用領(lǐng)域，氣凝膠絕熱復(fù)合材料具有提高保溫效果顯著、減少施工空間明顯、安全防火性高等特性，并且已經(jīng)得到用戶的認(rèn)可和應(yīng)用，應(yīng)優(yōu)先推動(dòng)氣凝膠絕熱復(fù)合材料在工業(yè)絕熱保溫領(lǐng)域的大規(guī)模推廣。當(dāng)前氣凝膠絕熱復(fù)合材料在建筑保溫的領(lǐng)域還處于初步探索階段，產(chǎn)品價(jià)格仍然較高，且相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)及配套的施工工藝仍然缺乏，但未來建筑節(jié)能市場(chǎng)需求潛力大，應(yīng)加快推動(dòng)氣凝膠絕熱復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。受“碳達(dá)峰”倒逼，綠色產(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展的歷史機(jī)遇，氣凝膠產(chǎn)品將逐步進(jìn)入節(jié)能環(huán)保、裝備制造、電子等領(lǐng)域，未來市場(chǎng)不可估量，應(yīng)重點(diǎn)培育氣凝膠在高端領(lǐng)域的新應(yīng)用，搶占未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)，加快氣凝膠產(chǎn)品隔聲、吸附等“非熱”特性的應(yīng)用示范。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.005