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)
各地政府工作报告陆续出炉,回应哪些民生热点?******
中新网北京1月19日电(刘欢)自1月10日起,多地省级两会拉开帷幕,各地政府工作报告也陆续出炉。
大学生就业、养老保险、基层医疗、生产生活安全……报告关注并回应了哪些民生热点?
大学生就业难怎么办?
——大学生就业摆在更突出位置,做好毕业生就业指导
据教育部统计,2023届全国普通高校毕业生规模预计达1158万。近年来,高校毕业生就业问题备受关注。一边是大学呼吁解决就业难,另一边是用人单位苦于招人难。对此,多地政府工作报告提出要做好大学生就业指导工作。
如广东、四川、海南等地要求把促进青年特别是高校毕业生就业工作摆在更加突出位置。
海南提出,要举办“百场万岗”校园招聘活动,全省高校毕业生就业去向落实率和留琼率分别达83%、62%。广西要求力争2023届离校未就业高校毕业生就业率达90%以上。
上海市市长龚正回答媒体提问时表示,要强化重点群体帮扶,首先是高校毕业生,就业指导、岗位推荐、就业见习等措施要进一步完善提升。
云南省政府工作报告指出,要消除影响平等就业的不合理限制和就业歧视。支持和规范新就业形态,推进多渠道灵活就业。
资料图:海南省“2023年春风行动暨就业援助月”专项服务活动1月11日在海口启动。图为招聘会现场。 张茜翼 摄如何应对人口老龄化?
——推进“老有康养”,鼓励开展个人养老金试点
养老是民生领域焦点话题之一。
国家卫健委此前表示,据测算,预计“十四五”时期,我国将进入中度老龄化阶段。2035年左右,60岁及以上老年人口将突破4亿,在总人口中的占比将超过30%,进入重度老龄化阶段。
今年的省级地方两会上,养老依然是多地2023年要办的民生实事中的重要课题。
北京、福建、广西等地鼓励开展个人养老金制度试点,广东提到规范发展第三支柱养老保险。
海南省政府工作报告提出,要发展普惠性养老,全省托位数达3.3个/千人,同时推进健康海南行动暨人均预期寿命提升行动,全省人均预期寿命达80岁。
浙江提到,推进“老有康养”,推动长期护理保险参保全覆盖、基本养老服务覆盖全体老年人,构建居家养老和机构养老相结合的便捷化、多样化、智慧化的养老服务体系。此外,人均预期寿命要超过82.7岁。
资料图:在位于广西南宁市良庆区康平街的康养之家养老院里,老年人在下棋。 黄艳梅 摄“乙类乙管”后看病如何更方便?
——推进基层医疗建设,扩大异地就医直接结算覆盖面
在医疗建设方面,多地政府报告提出精准落实“乙类乙管”,推进基层医疗建设。
云南省政府工作报告提到,建好国家和省级区域医疗中心,实施“百县工程”持续提升县级医院综合能力,壮大农村和社区医疗卫生队伍,建设省优、县强、基层稳定的医疗卫生服务体系。深化医药卫生体制改革,促进“三医”协同发展和治理。
北京要求加快制定实施新一轮公共卫生应急管理体系建设行动计划,着力优化医疗资源布局,提升医疗救护设施配备,完善分级诊疗机制,加大社区卫生服务投入和全科医生培养力度。
海南提出推动优质医疗资源扩容下沉,实现城市医疗集团和县域医共体整合到位、正常运转,并从软硬件、标准化方面系统谋划全省村级卫生室建设,弥补基层卫生短板。
同时,在异地就医方面,湖南、广东等地提出扩大异地就医直接结算覆盖面。广西则提到扩大门诊特殊慢性病跨省直接结算病种。
资料图:社区居民在登记准备CT检查 张践 摄生产安全、自然灾害问题怎么应对?
——防灾减灾救灾,有效防范化解重大风险
今年省级两会上,多地政府工作报告提出要加强安全体系和能力建设。
河南省政府工作报告指出,要加强城市规划、建设、运行等各环节安全管理,全面提升各类基础设施防灾减灾抗灾能力。实施自然灾害防治重大工程,提升大中城市防洪标准,推进气象防灾减灾中心等 106 个应急能力提升项目,并加强城市人口疏散和应急避难场所建设。
四川提出推进森林草原防灭火常态化治理。
天津提到要统筹做好重要民生商品保供稳价和煤电油气运保障供应,全面加强食品药品监管。
山西省政府工作报告提出,持续深化煤矿、非煤矿山、道路交通等重点领域安全治理,落实风险分级管控和隐患排查治理双重预防机制,提升本质安全水平,坚决杜绝重特大事故、遏制较大事故、减少一般事故,着力提高防灾减灾救灾能力。(完)
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