激光聚變氫同位素氣凝膠靶材料研究

一、氣凝膠材料概述

（一）氣凝膠簡介

氣凝膠，又稱為干凝膠，是化學溶液經(jīng)反應，先形成溶膠，再凝膠化獲得的凝膠，除去凝膠中的溶劑，獲得的一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿氣體，外表呈固體狀密度極低的（接近空氣密度）多孔材料。

氣凝膠是目前已知最輕的固體材料，也是迄今為止保溫性能最好的材料,在眾多領(lǐng)域有著廣泛而巨大的應用價值，被稱為“改變世界的神奇材料”。

（二）氣凝膠分類

氣凝膠因成分不同，主要有二氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠和碳氣凝膠等。當前，二氧化硅氣凝膠的絕熱性能最為引人注目，技術(shù)也最為成熟，國內(nèi)外氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展大多圍繞二氧化硅氣凝膠絕熱應用展開。

（三）氣凝膠材料特性及應用

氣凝膠在力學、聲學、熱學、光學等諸方面顯示出獨特性質(zhì)，其中最為突出的是保溫隔熱性能，由于其具有的獨特性能，氣凝膠材料在航空航天、石油化工、電力冶金、船舶車輛、精密儀器、冰箱冷庫、服裝帳篷、建筑節(jié)能等領(lǐng)域的有廣闊的應用前景，是傳統(tǒng)隔熱材料革命性替代產(chǎn)品。伴隨著中國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級，節(jié)能降耗政策的持續(xù)大力推進，以及中國實施多年的納米材料戰(zhàn)略，氣凝膠材料近年來受到了政府、學術(shù)界、企業(yè)界和投資界的廣泛關(guān)注。

圖表1 氣凝膠材料特性及應用

資料來源：公開資料，銀川濱投集團整理

二、氣凝膠材料生產(chǎn)工藝

（一）氣凝膠制備工藝

目前，二氧化硅氣凝膠的制備通常包含溶膠-凝膠和干燥兩個主要過程，通過溶膠-凝膠工藝獲得所需納米孔洞和相應凝膠骨架。

圖表2 氣凝膠制備工藝過程

根據(jù)工藝不同，氣凝膠干燥主要分為超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝兩種，其他尚未實現(xiàn)批量生產(chǎn)技術(shù)還有真空冷凍干燥、亞臨界干燥等。

超臨界干燥技術(shù)是最早實現(xiàn)批量制備氣凝膠的技術(shù)，也是目前國內(nèi)外氣凝膠企業(yè)采用較多的技術(shù)，通過壓力和溫度控制，使溶劑在干燥過程中達到其本身的臨界點。處于超臨界狀態(tài)的溶劑無明顯表面張力，從而可以實現(xiàn)凝膠在干燥過程中保持完好骨架結(jié)構(gòu)，在保持原有結(jié)構(gòu)的前提下去除凝膠內(nèi)的大量液體而制得氣凝膠。

常壓干燥一種新型的氣凝膠制備工藝，是當前研究最活躍，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮臍饽z批產(chǎn)技術(shù)。其原理是采用疏水基團對凝膠骨架進行改性，避免凝膠孔洞表面的硅羥基相互結(jié)合并提高彈性，同時采用低表面張力液體置換凝膠原來高比表面積的水或乙醇從而可以在常壓下直接干燥獲得性能優(yōu)異的氣凝膠材料。

兩種干燥技術(shù)各有利弊，超臨界干燥技術(shù)相對成熟，而常壓干燥技術(shù)更具拓展空間，常壓干燥技術(shù)應該代表未來發(fā)展方向。

圖表3 兩種干燥技術(shù)對比

（二）氣凝膠復合材料制備工藝

由于氣凝膠很脆，基本上無法單獨應用，市場上銷售的氣凝膠多為氣凝膠與增強纖維的復合產(chǎn)品。復合的方式大體上分為兩種，一種叫原位復合或一次復合，另一種叫兩次復合。

一次復合就在氣凝膠制備過程的溶膠-凝膠階段，硅溶膠直接浸潤增強纖維，共同經(jīng)歷凝膠老化、改性、干燥，直到產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)束。這種方法獲得的氣凝膠復合材料，相對而言，氣凝膠是連續(xù)相，纖維是分散相，所得氣凝膠產(chǎn)品往往可以獲得較低的導熱系數(shù)，并且產(chǎn)品質(zhì)量的一致性較好，也是目前國內(nèi)外氣凝膠企業(yè)的主流復合方式。

二次復合，就是先制備出氣凝膠粉末，然后在設法把氣凝膠粉末與纖維復合在一起。這種方法獲得產(chǎn)品氣凝膠和纖維都不是連續(xù)相，氣凝膠均勻分散難度較大，目前采用此法的氣凝膠企業(yè)較少。

三、氣凝膠材料產(chǎn)業(yè)鏈分析

（一）產(chǎn)業(yè)鏈概況

氣凝膠產(chǎn)業(yè)鏈上游即二氧化硅、金屬有機物等化工原材料，中游為氣凝膠的產(chǎn)品，主要有氣凝膠氈、板、布、紙、顆粒、粉末和異形件等，下游主要在工業(yè)領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域、化工領(lǐng)域、日常消費等其他領(lǐng)域。

圖表4 氣凝膠產(chǎn)業(yè)鏈示意圖

（二）產(chǎn)業(yè)鏈上游

生產(chǎn)二氧化硅氣凝膠的硅源主要有水玻璃和有機硅，有機硅價格較水玻璃高，但純度高，工藝適應性好。2016年國內(nèi)有機硅單體產(chǎn)能為 280.5 萬噸，2017 年增加至 296.5 萬噸，2016 年國內(nèi)有機硅單體產(chǎn)量為 170 萬噸，2017 年國內(nèi)有機硅單體產(chǎn)量預計在 190 萬噸，有機硅產(chǎn)能利用率在60%-70%，供應較為充足。

圖表 國內(nèi)有機硅產(chǎn)能、產(chǎn)量情況

資料來源：WIND

國內(nèi)有機硅價格在2017年出現(xiàn)了較大幅度增長，目前仍維持在高景氣，受下游需求帶動及環(huán)保等因素影響，預計有機硅價格仍將保持高位運行。

圖表 國內(nèi)有機硅價格情況（元/噸）

資料來源：WIND

（三）產(chǎn)業(yè)鏈中游

1.市場概況

從全球市場分布來看，目前氣凝膠市場主要集中在北美，約為55%，歐洲和亞洲分別為24%和8%；預計到2017年，北美和歐洲的市場占比會減少，而亞洲和其他地區(qū)市場占比會增加。

從國內(nèi)數(shù)據(jù)來看，2016年我國氣凝膠行業(yè)產(chǎn)量約1.83萬噸，產(chǎn)量年平均增長率為31.3%。2016年我國氣凝膠行業(yè)進口約2.18萬噸，出口量很少，國內(nèi)表現(xiàn)消費量約4.01萬噸，消費量年均增長率11.8%，低于產(chǎn)量增長速度。目前我國氣凝膠行業(yè)產(chǎn)消缺口較大，國產(chǎn)市場有很大發(fā)展空間。

圖表5 2008-2016年我國氣凝膠行業(yè)產(chǎn)消量情況

資料來源：公開資料，銀川濱投集團整理

2.主要企業(yè)及其產(chǎn)能情況

我國氣凝膠行業(yè)主要產(chǎn)品還較為初級，大多數(shù)企業(yè)能夠生產(chǎn)氣凝膠粉體顆粒，但是不能生產(chǎn)氣凝膠復合材料產(chǎn)品。因此，市場上的產(chǎn)品以顆粒為主。能生產(chǎn)復合材料產(chǎn)品的有納諾高科股份有限公司、廣東埃力生高新科技有限公司、浙江通瑞新材料技術(shù)有限公司等少數(shù)幾家公司。

圖表6 2016年中國主要氣凝膠企業(yè)產(chǎn)能情況

資料來源：公開資料，銀川濱投集團整理

3.投資動態(tài)

圖表7 氣凝膠行業(yè)重點企業(yè)市場投資匯總

（四）產(chǎn)業(yè)鏈下游

1.氣凝膠應用分布

目前中國的氣凝膠主要用于建筑節(jié)能、軍工航空航天等領(lǐng)域，未來將進一步向石油石化，交通運輸,電力工業(yè)、以及高附加值等領(lǐng)域拓展。

資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

2.近期典型應用梳理

2017年典型應用案例

四、關(guān)鍵問題分析

（一）行業(yè)技術(shù)壁壘高

氣凝膠行業(yè)屬于典型的技術(shù)密集型行業(yè)，行業(yè)潛在進入者將面臨較高的行業(yè)技術(shù)壁壘。新技術(shù)只有少數(shù)廠商和科研機構(gòu)掌握，并且這些廠商和科研機構(gòu)利用專利等形式來阻擋新技術(shù)的擴散。因而，新進入者只有通過購買（需要資金）或者自己研發(fā)（需要時間），才能生產(chǎn)該行業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品。技術(shù)的擴散速度、模仿的難易以及復雜系數(shù)是決定技術(shù)障礙的主要因素。

（二）投入資金量大

資金是新企業(yè)進入市場所必須投入的生產(chǎn)經(jīng)營資本。氣凝膠成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化過程需要大量資金投入，世界上通用的制備方式通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構(gòu)成，但這種干燥設備價格非常昂貴，沒有資金保障，氣凝膠量產(chǎn)無法有效開展。

（三）應用有待進一步開發(fā)

氣凝膠技術(shù)并不成熟，本身處于技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)階段，市場上初步有一些產(chǎn)業(yè)化的示范應用，下游的應用需求有待發(fā)掘。因此，潛在新進入者需要明確新產(chǎn)品的市場定位、潛在客戶需求，從而開發(fā)出差異化產(chǎn)品，使用戶能夠把它與其他競爭產(chǎn)品有限區(qū)別開來，從而在市場中獲得競爭優(yōu)勢。

（四）退出壁壘較高

氣凝膠行業(yè)退出壁壘較高，主要的影響因素可能是沉淀成本。材料研發(fā)企業(yè)一般具有許多專用性資產(chǎn)，特別是生產(chǎn)線（設備投入），一旦當企業(yè)退出時，很難將這些資產(chǎn)轉(zhuǎn)為他用，生產(chǎn)其它產(chǎn)品，也難以將這些資產(chǎn)以公平的價格賣給其它生產(chǎn)同類產(chǎn)品的企業(yè)。沉淀成本越大，企業(yè)就越想維持原來的生產(chǎn)，努力收回未得到補償?shù)耐顿Y，這意味著企業(yè)退出該行業(yè)的障礙就越大。

五、總結(jié)

氣凝膠材料優(yōu)越的保溫隔熱等性能，使得其具有較為廣泛的應用價值，將會成為現(xiàn)有保溫隔熱材料領(lǐng)域重要的潛在替代品，屬于國家大力提倡發(fā)展的新材料之一。目前我國在氣凝膠領(lǐng)域與美國等技術(shù)巨頭同屬于第一梯隊，為我國氣凝膠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了良好的競爭環(huán)境，國內(nèi)市場發(fā)展空間較大。

氣凝膠屬于典型的技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，由于技術(shù)壁壘高且生產(chǎn)設備投資巨大，目前國內(nèi)氣凝膠行業(yè)仍處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期，行業(yè)內(nèi)企業(yè)和產(chǎn)能在逐漸擴大，下游應用仍在不斷拓展中，行業(yè)龍頭壟斷還沒有形成，處于較好的投資機遇期，可以審慎投資于掌握氣凝膠核心生產(chǎn)技術(shù)、具有價值性應用領(lǐng)域企業(yè)。（來源：材料+）

靶室（前）和飛秒激光（后）用于CSU微尺度融合實驗。 （圖片：Advanced Beam Laboratory）

科羅拉多州立大學（CSU）科學家和合作者使用緊湊的“自制”超快激光加熱有序納米線陣列，并在實驗室中展示了微型核聚變。他們已經(jīng)實現(xiàn)了創(chuàng)記錄的中子產(chǎn)生效率（劇變過程中產(chǎn)生）。

激光驅(qū)動的受控聚變實驗通常通過慣性約束來完成，例如在國家點火裝置（National Ignition Facility）的需要數(shù)億美元的多焦耳激光器。這些實驗既可以用于清潔能源應用的核聚變，也可以用于材料研究。

相比之下，由CSU領(lǐng)導的學生、研究科學家和合作者團隊使用超快的臺式激光器產(chǎn)生脈沖，持續(xù)時間為60 fs，能量高達1.65 J，中心波長為400 nm，激光聚焦為f / 1.7拋物面鏡。目標是200或400納米直徑的氘化聚乙烯（CD2）納米線陣列。

短脈沖與納米線陣列深處的體積很好地耦合，將CD2的幾微米深的層轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體并導致氘核氘（D-D）聚變。

焦耳級激光脈沖的聚變中子創(chuàng)記錄產(chǎn)量

“對于1.64 J的激光脈沖能量，每發(fā)射中子的最大數(shù)量為3.6×106，相當于每焦耳2.2×106個中子，這是迄今為止焦耳級激光脈沖能量獲得的最大聚變中子量，” Nature Communications論文的作者說道。該產(chǎn)量比使用來自相同材料的傳統(tǒng)平板靶材的實驗高出約500倍。

這些努力得到了杜塞爾多夫大學（德國）和科羅拉多州立大學的密集計算機模擬的支持。

小規(guī)模高效地制造聚變中子可能會導致中子成像技術(shù)的發(fā)展，并且中子探測器可以深入了解材料的結(jié)構(gòu)和性能，這些結(jié)果也有助于理解超強激光與物質(zhì)的相互作用。

編譯：Nick

來源：激光制造網(wǎng)

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