基于網絡大數據的氣凝膠材料研究方向及潛在市場價值

張鼎昊 孫曄 姜佩 吳娜 陳建偉 劉鵬

本文以中國知網（CNKI）網絡數據為依據，對目前氣凝膠[1-4]產品的研發及應用進行了分析，為企業研發新產品和開展產業化生產指明了方向。

1 我國氣凝膠研究文獻概況

根據CNKI 2003年至2021年3月13日數據顯示，涉及氣凝膠新材料研究方向的學術論文達1.96萬篇，學位論文2762篇，會議論文663篇，報紙文刊20篇，相關圖書著作12部，建立標準1件，知識產權成果110件。具體情況見圖1。

從圖1可知，2003年以來，中國累計發表氣凝膠研究文獻23 025篇。這個數據顯示氣凝膠新材料吸引了眾多的科研工作者關注并進行了比較深入的研究。這個數據僅是總量的數據，可能體現不出氣凝膠被科研界重視和關注程度，那么通過搜索另一個數據來說明氣凝膠材料受關注程度，即年度相關氣凝膠發表文獻數量進行對比（如圖2）。

圖2顯示，氣凝膠研究的文獻數量從2003年開始逐年增加，尤其從2015年開始文獻發表數量顯著增加，這說明從2015年以后氣凝膠材料開始具有了社會認可的經濟價值和材料的先進性認可，引起了科研界的關注。數據顯示未來將有更多的科研工作者參與到氣凝膠材料的研究工作中。

2 氣凝膠功能性研究

CNKI文獻現有研究顯示，氣凝膠材料的特殊功能[5-8]包含但不局限于熱效應、光電效應、壓電效應、介電效應、磁效應、力學效應、高化學性和表面活性等[9-11]。雖然氣凝膠材料具有較多功能性，但目前研究主要集中在熱效應應用方面以及充分利用其絕熱性、表面活性和高化學性的催化領域應用方面（如圖3）。

圖3顯示，目前氣凝膠的研究[12-15]，主要集中在氣凝膠材料催化、絕熱、生物醫藥3個方面。同時，數據顯示在絕熱研究方向已經建立了相關標準，說明氣凝膠材料在絕熱研究方面已經趨于工業化。另外，在生物醫藥方面文獻數量，顯示了氣凝膠材料在生物醫藥方面存在巨大的經濟市場。另外，科研工作者正逐步開發氣凝膠材料的其他特性應用。

如中國科學技術大學俞書宏教授課題組以殼聚糖作三維軟模板[16]，研發了一種酚醛樹脂（PFR）與二氧化硅（SiO2）共聚和納米尺度相分離的合成新策略，成功研制了具有雙網絡結構的PFR/SiO2復合氣凝膠材料（如圖4）。該復合氣凝膠纖維的尺寸在20nm以內，具有雙網絡結構的樹枝狀的微觀結構，且2種組分各自都成連續的網絡。同時實現了有機、無機組分在納米尺度上的均勻分散，并且2組分間具有很強的界面相互作用。研究人員通過調控硅源的添加量，調控復合氣凝膠的密度、無機含量、力學強度等物理參數。

經研究，這種復合氣凝膠材料可以承受60%的壓縮而不破裂，具有一定的機械強度和可加工性。該復合氣凝膠具有良好的隔熱效果，最低熱導率可達24mW/（m·K），在相對低溫和低濕度的環境下，其熱導率維持在28mW/（m·K），性能優于傳統的發泡聚苯乙烯等材料。同時，這種材料在防火方面展現出優異的性能，可以避免在發生火災時建筑物承力結構的失效，為人員撤離爭取了時間。

3 氣凝膠材料細分領域的研究

氣凝膠材料按照有機無機分類可分為有機氣凝膠和無機氣凝膠，按照材料中的主要成分又有SiO2氣凝膠、石墨烯氣凝膠等。對于細分領域的研究狀況，本文僅抽取了關注度較高的SiO2氣凝膠、石墨烯氣凝膠和有機氣凝膠（大類）進行分析（如圖5）。

圖5數據顯示，除目前已開始逐步工業化的SiO2氣凝膠材料研究比較火熱外，石墨烯氣凝膠材料的研究也異常火爆。無論在學術期刊還是在學位專業選修方面都引起科學工作者的高度關注，并投入了大量精力。石墨烯氣凝膠材料引起科學工作者高度關注的主要原因是，石墨烯本身是一種關注度極高的新材料，而氣凝膠新材料又被譽為21世紀超級新材，強強結合必然會提升石墨烯氣凝膠材料所特有性能及其未來應用的經濟價值。雖然目前還沒有石墨烯氣凝膠材料工業化生產案例，但預計未來可能會占據主導市場。

通過對相關文獻分析，石墨烯氣凝與不同新材料復合，開發并優化材料特性的思路，開拓了氣凝膠材料研究的新篇章。

李曉明[17]等制備銅@石墨烯氣凝膠（Cu@GA）作為相變儲能骨架材料。在這一結構設計中，石墨烯氣凝膠中的石墨烯片層上均勻地鍍上了銅層，且不同片層之間被銅鍍層所連接。這種銅鍍層不但增強石墨烯氣凝膠網絡結構，并賦予復合材料良好的導熱性和骨架穩定性，有利于增強相變換熱和抑制相變過程中的泄漏。此外，通過真空浸漬法將十八胺（ODA）封裝在Cu@GA骨架中，獲得了結構穩定性高、泄漏率低的復合相變材料（Cu@GA/ODA），保證了ODA在Cu@GA骨架材料中的均勻分散和填充。圖6展示了復合相變材料（Cu@ GA/ODA）的制備過程及應用研究。

此外，其他科學工作者也對石墨烯氣凝膠進行了大量的研究，在導電、電化學、催化、新能源等方面都取得很大進展。

目前，有機氣凝膠方面的研究數量雖然較少，但有機材料充斥人們的生活，有機氣凝膠的材料的研究必然賦予有機材料更多功能，有機氣凝膠材料也將會成為材料細分領域工業化最多的產品形式之一。

4 氣凝膠工業化產品研究

目前，工業化氣凝膠產品形式主要有：氣凝膠氈、氣凝膠纖維、氣凝膠粉體、氣凝膠板、陶瓷氣凝膠、氣凝膠芯材等。

圖7顯示目前工業化方面，氣凝膠纖維研究相對較多，其次是涂料類，氣凝膠氈和板材等相對較小。說明纖維類的工業產品及涂料類氣凝膠產品具有非常好的市場前景及應用前景。

5 氣凝膠產品市場狀況

國內國外目前氣凝膠產品市場占比較大的依然是較成熟的SiO2氣凝膠氈。2020年，氣凝膠氈國外市場達到近20億美元，國內市場達到近40億元（如圖8、9所示）。數據顯示僅氣凝膠氈市場就是個巨大的蛋糕，并且從2013年開始氣凝膠氈的市場規模呈現線性上升趨勢。

通過氣凝膠氈市場價值分析，可以預計未來整體氣凝膠產品市場將是一個巨大的經濟藍海市場。

6 結語

通過對網絡大數據進行分析，氣凝膠材料的優異特性不僅引起科研工作者的高度重視，并在今后的研究中持續高密度開發。

目前氣凝膠的研究，主要集中在氣凝膠材料催化、絕熱、生物醫藥3個方面。其中氣凝膠材料在絕熱研究方面已趨于工業化。另外，在生物醫藥和催化方面也取得了很大進展。

氣凝膠材料細分行業中，SiO2氣凝膠、石墨烯氣凝膠材料、蘊含巨大的市場價值。其中石墨烯氣凝膠與不同新材料復合，開發并優化材料特性的思路，開拓了氣凝膠材料研究的新篇章。

最后，以SiO2氣凝膠氈材的市場價值為依據，預測整體氣凝膠材料市場將是一個巨大的藍海經濟市場。未來，將有更多的科學工作者和企業參與到氣凝膠材料產品的開發和應用中。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.015

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