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第二届建筑表皮设计与应用国际大会(DAF)

第十七届亚洲建筑表皮设计与材料展览会

同期举办:第十九届上海国际保温材料与节能技术展览会

2021亚洲金属建筑设计与产业博览会

2021年12月22-24日      上海新国际博览中心

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制造“改变世界的神奇材料”

  近日,中国航天科工集团三院306所(简称306所)喜获国家知识产权局“中国专利奖优秀奖”,获奖专利为“一种多组元气凝胶复合材料及其制备方法”。该奖项是306所科研人员长期不懈探索取得的又一成果。

  气凝胶是一种具有纳米孔结构的轻质材料,被科学界誉为“改变世界的神奇材料”。其特殊的结构为其带来了独特的性能:首先是密度极低,甚至可以比同体积的空气更轻;其次是高孔隙率带来的高比表面积,即1克气凝胶的表面展开面积可达到1000平方米,使得该材料的热导率为静止空气的一半,是目前已知热导率最低的隔热材料。仅需不到传统材料一半厚度的气凝胶材料即可达到同样的隔热保温效果。但是,由于制备技术难度大,气凝胶材料最初仅在宇航等特殊领域中得到应用,如美国星尘号飞船用该材料收集彗星尘埃、俄罗斯和平号空间站和美国探路者火星探测器将其用于隔热等。

  为了满足我国新一代武器装备对高性能隔热复合材料的需求,306所科研人员开展了气凝胶材料的研究。从材料微观结构的探索,到制备规律的研究,直至掌握气凝胶复合材料工程化应用技术。历经十余年的不懈努力,该所气凝胶材料技术厚积薄发,取得了重要的突破,研制开发出使用温域覆盖-100℃至2500℃的系列化、规模化的气凝胶材料产品,并可根据客户需求对材料性能进行调控定制,不但解决了我国多个新型武器装备型号的关键材料问题,也在民用领域获得了推广应用。

  306所的气凝胶相关产品按照形态和用途分为气凝胶构件、柔性毡、柔性布三大类。气凝胶构件一般是针对特定的使用需求,通过精细化设计并制备出来的。科研人员通过调整配方及工艺,综合平衡材料的隔热性能、密度、可操作性、尺寸精度等各项技术指标,使构件具备最优的综合性能。例如,加入抗红外辐射剂,优选合适的增强纤维,使构件具有耐高温、隔热性能稳定、可机械加工等优点;采用特殊的表面处理技术和高温后处理工艺,使材料的强度满足精加工的要求,提高其抗高速气流冲刷的能力。这些不同功能的构件已成功应用于国防装备领域,推动了相关装备的升级换代。

  在气凝胶构件技术的基础上,科研人员深入开展低成本技术研究,开发出了气凝胶柔性毡产品。该产品具有隔热性能优异、厚度可控、柔性好等优点,可以连续化批量生产。产品的幅宽可达1.5米,长度几十至数百米不等。在相同成本条件下,其隔热保温性能优于传统材料60%以上。该产品已经应用于热力管路、高速铁路车厢、大型舰船等保温领域,未来有望推动建筑节能、石油化工管道保温、高温炉体隔热保温等民用领域传统隔热材料的升级换代。

  创新无止境。通过对隔热型气凝胶技术进行功能拓展和材料改性,科研人员又开发出气凝胶柔性布这一创新产品。据该所气凝胶专业学术带头人赵英民介绍,“气凝胶柔性布是一种新型面料,具有重量轻、热导率极低、柔韧性优异、平整度高、疏水透气性和易用性良好等特点,适用于保暖服装、鞋帽、帐篷等户外用品和高温电子电器产品”。目前,306所已经完成了气凝胶柔性布的中试生产以及气凝胶保温鞋的试制和初步推广,经过试穿,用户反馈气凝胶保温鞋在保暖、轻便、舒适等方面较传统冬靴具有显著优势。

  此外,306所还针对卫星和高速飞行器的热控需求,开发了一系列具有温度可调、相变吸热量大的高性能相变材料。相变材料是可将一定形式的能量在高于其相变温度时储存起来,而在低于其相变温度时释放出来加以利用的储能材料,如我们常见的水就是典型的相变材料,在冰与水的转化过程中会吸收或放出大量的热。科研人员将相变材料与气凝胶材料结合起来,制备出既保温又调温的产品,大大提升了上述材料在建筑、户外、电子、低温等领域的应用价值。不久前,该所还推出了采用高焓值高热导率相变材料的智能调温杯等产品。

  为了支撑气凝胶工程化技术研究,306所持续推进气凝胶生产条件建设。目前已建成亚洲最大的3500升超临界二氧化碳干燥设备平台;还陆续建成了高低温热物理性能、力学性能、耐环境性能等试验研究和性能评测能力。从而具备了从材料基础研究、隔热结构设计、产品工程研制、批生产到试验评价的综合能力,能够满足客户各种层次的需求。

  为了推进气凝胶产业化进程,在国家发改委、财政部和镇江市政府等的大力支持下,306所在镇江建成了民用低成本气凝胶材料生产线,可以批量制备大尺寸、不同规格、性能可调的高档气凝胶保温毡、柔性气凝胶布料等产品,已具备年产4万立方米气凝胶柔性毡和50万平方米气凝胶柔性布的产能。

  在开展科技创新及产品研发的同时,306所科研人员高度重视知识产权保护工作,积极申报气凝胶材料国家专利和国防专利,提出了首先保护技术核心,进而实现有层次、梯度化的专利保护申报思路,从而实现专利保护作用的最大化。本次获奖的专利“一种多组元气凝胶复合材料及其制备方法”就是这种思路下的优秀成果。截至目前,306所已经申请有关气凝胶的发明专利近30件,已获授权15件。值得一提的是,2013年,306所《结构可控二氧化硅气凝胶隔热复合材料技术》项目喜获国家科学技术进步二等奖,进一步奠定了306所在国内同行业的领先地位。

  为了实现未来更好更快的发展,306所将坚持走“依托军品基石,强化自主创新,拓展应用领域,形成产业规模”的军民融合发展之路,继续开发高性能、低成本、可重复使用的气凝胶材料及相关产品,进一步完善知识产权保护工作,不断拓展气凝胶材料在隔热、催化、吸附、电容器等军民领域的应用,加速推动306所气凝胶技术跻身于国际领先水平的进程。

  来源:科技日报




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