激光聚變氫同位素氣凝膠靶材料研究項(xiàng)目摘要

一、氣凝膠材料概述

（一）氣凝膠簡(jiǎn)介

氣凝膠，又稱為干凝膠，是化學(xué)溶液經(jīng)反應(yīng)，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(yīng)用價(jià)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?xì)饽z等。當(dāng)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(guó)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(yīng)用展開(kāi)。

（三）氣凝膠材料特性及應(yīng)用

氣凝膠在力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等諸方面顯示出獨(dú)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(dú)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(kù)、服裝帳篷、建筑節(jié)能等領(lǐng)域的有廣闊的應(yīng)用前景，是傳統(tǒng)隔熱材料革命性替代產(chǎn)品。伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)，節(jié)能降耗政策的持續(xù)大力推進(jìn)，以及中國(guó)實(shí)施多年的納米材料戰(zhàn)略，氣凝膠材料近年來(lái)受到了政府、學(xué)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(yīng)用

資料來(lái)源：公開(kāi)資料，銀川濱投集團(tuán)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(gè)主要過(guò)程，通過(guò)溶膠-凝膠工藝獲得所需納米孔洞和相應(yīng)凝膠骨架。

圖表2 氣凝膠制備工藝過(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)批量制備氣凝膠的技術(shù)，也是目前國(guó)內(nèi)外氣凝膠企業(yè)采用較多的技術(shù)，通過(guò)壓力和溫度控制，使溶劑在干燥過(guò)程中達(dá)到其本身的臨界點(diǎn)。處于超臨界狀態(tài)的溶劑無(wú)明顯表面張力，從而可以實(shí)現(xiàn)凝膠在干燥過(guò)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(dāng)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(tuán)對(duì)凝膠骨架進(jìn)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(shí)采用低表面張力液體置換凝膠原來(lái)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(duì)成熟，而常壓干燥技術(shù)更具拓展空間，常壓干燥技術(shù)應(yīng)該代表未來(lái)發(fā)展方向。

圖表3 兩種干燥技術(shù)對(duì)比

（二）氣凝膠復(fù)合材料制備工藝

由于氣凝膠很脆，基本上無(wú)法單獨(dú)應(yīng)用，市場(chǎng)上銷售的氣凝膠多為氣凝膠與增強(qiáng)纖維的復(fù)合產(chǎn)品。復(fù)合的方式大體上分為兩種，一種叫原位復(fù)合或一次復(fù)合，另一種叫兩次復(fù)合。

一次復(fù)合就在氣凝膠制備過(guò)程的溶膠-凝膠階段，硅溶膠直接浸潤(rùn)增強(qiáng)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(fù)合材料，相對(duì)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(dǎo)熱系數(shù)，并且產(chǎn)品質(zhì)量的一致性較好，也是目前國(guó)內(nèi)外氣凝膠企業(yè)的主流復(fù)合方式。

二次復(fù)合，就是先制備出氣凝膠粉末，然后在設(shè)法把氣凝膠粉末與纖維復(fù)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(jī)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(fèi)等其他領(lǐng)域。

圖表4 氣凝膠產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

（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(jī)硅，有機(jī)硅價(jià)格較水玻璃高，但純度高，工藝適應(yīng)性好。2016年國(guó)內(nèi)有機(jī)硅單體產(chǎn)能為 280.5 萬(wàn)噸，2017 年增加至 296.5 萬(wàn)噸，2016 年國(guó)內(nèi)有機(jī)硅單體產(chǎn)量為 170 萬(wàn)噸，2017 年國(guó)內(nèi)有機(jī)硅單體產(chǎn)量預(yù)計(jì)在 190 萬(wàn)噸，有機(jī)硅產(chǎn)能利用率在60%-70%，供應(yīng)較為充足。

圖表 國(guó)內(nèi)有機(jī)硅產(chǎn)能、產(chǎn)量情況

資料來(lái)源：WIND

國(guó)內(nèi)有機(jī)硅價(jià)格在2017年出現(xiàn)了較大幅度增長(zhǎng)，目前仍維持在高景氣，受下游需求帶動(dòng)及環(huán)保等因素影響，預(yù)計(jì)有機(jī)硅價(jià)格仍將保持高位運(yùn)行。

圖表 國(guó)內(nèi)有機(jī)硅價(jià)格情況（元/噸）

資料來(lái)源：WIND

（三）產(chǎn)業(yè)鏈中游

1.市場(chǎng)概況

從全球市場(chǎng)分布來(lái)看，目前氣凝膠市場(chǎng)主要集中在北美，約為55%，歐洲和亞洲分別為24%和8%；預(yù)計(jì)到2017年，北美和歐洲的市場(chǎng)占比會(huì)減少，而亞洲和其他地區(qū)市場(chǎng)占比會(huì)增加。

從國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)來(lái)看，2016年我國(guó)氣凝膠行業(yè)產(chǎn)量約1.83萬(wàn)噸，產(chǎn)量年平均增長(zhǎng)率為31.3%。2016年我國(guó)氣凝膠行業(yè)進(jìn)口約2.18萬(wàn)噸，出口量很少，國(guó)內(nèi)表現(xiàn)消費(fèi)量約4.01萬(wàn)噸，消費(fèi)量年均增長(zhǎng)率11.8%，低于產(chǎn)量增長(zhǎng)速度。目前我國(guó)氣凝膠行業(yè)產(chǎn)消缺口較大，國(guó)產(chǎn)市場(chǎng)有很大發(fā)展空間。

圖表5 2008-2016年我國(guó)氣凝膠行業(yè)產(chǎn)消量情況

資料來(lái)源：公開(kāi)資料，銀川濱投集團(tuán)整理

2.主要企業(yè)及其產(chǎn)能情況

我國(guó)氣凝膠行業(yè)主要產(chǎn)品還較為初級(jí)，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(fù)合材料產(chǎn)品。因此，市場(chǎng)上的產(chǎn)品以顆粒為主。能生產(chǎn)復(fù)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(guó)主要?dú)饽z企業(yè)產(chǎn)能情況

資料來(lái)源：公開(kāi)資料，銀川濱投集團(tuán)整理

3.投資動(dòng)態(tài)

圖表7 氣凝膠行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)市場(chǎng)投資匯總

（四）產(chǎn)業(yè)鏈下游

1.氣凝膠應(yīng)用分布

目前中國(guó)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(lái)將進(jìn)一步向石油石化，交通運(yùn)輸,電力工業(yè)、以及高附加值等領(lǐng)域拓展。

資料來(lái)源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

2.近期典型應(yīng)用梳理

2017年典型應(yīng)用案例

四、關(guān)鍵問(wèn)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(jìn)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(jī)構(gòu)掌握，并且這些廠商和科研機(jī)構(gòu)利用專利等形式來(lái)阻擋新技術(shù)的擴(kuò)散。因而，新進(jìn)入者只有通過(guò)購(gòu)買（需要資金）或者自己研發(fā)（需要時(shí)間），才能生產(chǎn)該行業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品。技術(shù)的擴(kuò)散速度、模仿的難易以及復(fù)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(jìn)入市場(chǎng)所必須投入的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)資本。氣凝膠成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化過(guò)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(guò)程和超臨界干燥處理構(gòu)成，但這種干燥設(shè)備價(jià)格非常昂貴，沒(méi)有資金保障，氣凝膠量產(chǎn)無(wú)法有效開(kāi)展。

（三）應(yīng)用有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)

氣凝膠技術(shù)并不成熟，本身處于技術(shù)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，市場(chǎng)上初步有一些產(chǎn)業(yè)化的示范應(yīng)用，下游的應(yīng)用需求有待發(fā)掘。因此，潛在新進(jìn)入者需要明確新產(chǎn)品的市場(chǎng)定位、潛在客戶需求，從而開(kāi)發(fā)出差異化產(chǎn)品，使用戶能夠把它與其他競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品有限區(qū)別開(kāi)來(lái)，從而在市場(chǎng)中獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

（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(shè)備投入），一旦當(dāng)企業(yè)退出時(shí)，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(jià)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(lái)的生產(chǎn)，努力收回未得到補(bǔ)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(yīng)用價(jià)值，將會(huì)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(guó)家大力提倡發(fā)展的新材料之一。目前我國(guó)在氣凝膠領(lǐng)域與美國(guó)等技術(shù)巨頭同屬于第一梯隊(duì)，為我國(guó)氣凝膠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了良好的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(shè)備投資巨大，目前國(guó)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(kuò)大，下游應(yīng)用仍在不斷拓展中，行業(yè)龍頭壟斷還沒(méi)有形成，處于較好的投資機(jī)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(jià)值性應(yīng)用領(lǐng)域企業(yè)。（來(lái)源：材料+）

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

科羅拉多州立大學(xué)（CSU）科學(xué)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(shí)驗(yàn)室中展示了微型核聚變。他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)記錄的中子產(chǎn)生效率（劇變過(guò)程中產(chǎn)生）。

激光驅(qū)動(dòng)的受控聚變實(shí)驗(yàn)通常通過(guò)慣性約束來(lái)完成，例如在國(guó)家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility）的需要數(shù)億美元的多焦耳激光器。這些實(shí)驗(yàn)既可以用于清潔能源應(yīng)用的核聚變，也可以用于材料研究。

相比之下，由CSU領(lǐng)導(dǎo)的學(xué)生、研究科學(xué)家和合作者團(tuán)隊(duì)使用超快的臺(tái)式激光器產(chǎn)生脈沖，持續(xù)時(shí)間為60 fs，能量高達(dá)1.65 J，中心波長(zhǎng)為400 nm，激光聚焦為f / 1.7拋物面鏡。目標(biāo)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(dǎo)致氘核氘（D-D）聚變。

焦耳級(jí)激光脈沖的聚變中子創(chuàng)記錄產(chǎn)量

“對(duì)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(dāng)于每焦耳2.2×106個(gè)中子，這是迄今為止焦耳級(jí)激光脈沖能量獲得的最大聚變中子量，” Nature Communications論文的作者說(shuō)道。該產(chǎn)量比使用來(lái)自相同材料的傳統(tǒng)平板靶材的實(shí)驗(yàn)高出約500倍。

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

小規(guī)模高效地制造聚變中子可能會(huì)導(dǎo)致中子成像技術(shù)的發(fā)展，并且中子探測(cè)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(qiáng)激光與物質(zhì)的相互作用。

編譯：Nick

來(lái)源：激光制造網(wǎng)

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