今天是2025年4月24日，是第十个中国航天日，主题为“海上生明月、九天揽星河”。中国航天日是国务院为了纪念中国航天事业成就、发扬中国航天精神，于2016年3月批复的将每年4月24日设立为“中国航天日”。据中国载人航天工程办公室发布的消息，神州二十号载人飞船也瞄准这样一个特殊的日子在酒泉发射，这是中国载人航天工程的第35次飞行任务。
大家一定好奇，火箭喷出的尾焰温度超过3000℃，怎么没有把火箭给烧坏？返回舱又是如何做到太空在重返大气层时与大气摩擦温度达到近2500℃，舱内宇航员安然无恙？在航天工程中空间极端有限、苛刻限制重量（航天任务的减重是按克计量的）的条件下如何设计和选择的隔热方案和材料呢？这就不得不介绍人类目前制备出的密度最小、导热系数最低、兼具耐高温特性的神奇的纳米绝热材料——气凝胶。
气凝胶
气凝胶材料的诞生源于1931年，美国加州太平洋大学(College of the Pacific)的Steven.S. Kistler教授与人打赌，如何将湿凝胶中的液体驱除而湿凝胶的体积却不能收缩。因为液体蒸发时的气液界面存在较大的表面张力，该表面张力会使孔道坍塌；无论怎样简单地将湿凝胶加热干燥，都会造成凝胶立体结构会快速收缩，常压干燥是做不到体积不收缩的。Kistler教授后来采用硅酸钠为硅源、盐酸为催化剂来制备水凝胶，然后做溶剂置换，用乙醇为干燥介质，通过超临界干燥的方式（一定的温度和压力下干燥介质打破了液态和气态的分界，孔道内液体的表面张力消除）制备成功了结构完整的SiO₂气凝胶，颜色和形态很像凝固的烟，这是气凝胶制备和应用研究的开端。
SiO₂气凝胶早期的应用并不是在绝热领域，最早将其批生产和量用的是美国的孟山都公司（Monsanto Company）与Kistler教授合作，将气凝胶粉用作化妆品和牙膏的触变剂、橡胶的增韧补强剂和油漆涂料的增稠剂。20世纪70年代，SiO₂气凝胶生产也由最初的水玻璃为硅源、乙醇超临界干燥，演变成法国的克罗德·贝尔纳（Claud Bernard）大学的Teichner教授课题组提出的用正硅酸甲酯（TMOS）作硅源通过水解制得醇凝胶，用甲醇为超临界干燥介质的方式；20世纪80年代，美国劳伦斯·伯克利（Lawrence Berkeley）国家实验室的微结构材料课题组采用正硅酸乙酯（TEOS）替代正硅酸甲酯（TMOS）作硅源，采用液态CO₂替代乙醇和甲醇作为超临界干燥介质的技术，这也是当前主流的工艺技术。1999年美国Aspen Systems公司承接美国宇航局的课题，从孟山都公司（Monsanto Company）转让获得气凝胶的制备技术，开始生产纤维复合的气凝胶超级绝热材料以保障宇航工程对高性能绝热材料的需求。2001年成立了Aspen Aerogel公司，开始了气凝胶绝热材料的民用商业化市场运作。
气凝胶发展
我国的气凝胶行业与美国同时期起步。因为航天和国防工业的需要，我国高校和科研机构也于20世纪末开展气凝胶工业化制备的研究，整体技术处于国际领先水平。依托同济大学、国防科技大学和南京工业大学等高校的研究成果，在Aspen Aerogel公司成立不久，中国也有了小型规模的气凝胶绝热材料生产企业。
气凝胶材料应用于绝热领域主要是航天工程对材料性能的极致追求而较少考虑成本。宇航服内层的气凝胶夹层厚度仅18mm，却能抵御1400℃高温和-196℃极寒，保障航天员在舱外活动的安全。俄罗斯“和平”号空间站及国际空间站的舱壁也广泛采用气凝胶复合材料，显著降低了舱内温度波动对设备的损耗。“天问一号”火星探测器的着陆平台采用耐高温纳米气凝胶组件，抵御1200℃发动机热流；“祝融号”火星车表面使用耐低温气凝胶，确保-130℃环境正常工作。同时，纳米气凝胶的超轻特性给火星车大大的减负，气凝胶密度仅15mg/cm3，重量只有水的1/60，让火星车跑得更快、更远。有了气凝胶材料的保驾护航，天问一号实现了成功着陆，火星车也得以顺利开展巡航工作。
民用领域
民用领域，率先接受气凝胶绝热材料的是能源和化工行业，原因就是纳米气凝胶材料对比传统无机纤维制品有着超长使用寿命和巨大的节能效益。气凝胶绝热材料的超级憎水率可达99%以上，安全使用寿命可以做到15年以上，传统无机纤维在这15年间可能都要更换3—5回，确实可以做到后期免维护，为应用升企业大幅度削减成本、提升盈利效率。以一根外径325mm、输送300℃蒸汽的管道测算，用50mm气凝胶毡替代150mm的硅酸铝纤维针刺毡保温，至少30%以上的热能损耗因管道“瘦身”、散热面积减小而得到有效利用。因为能源化工行业的热能用量太大，利用率提高一点都能带来可观的节能收益，所以气凝胶在稠油注汽、热电联产、石油化工和煤化工等领域被广泛接受。工业领域的需求，促使气凝胶材料行业在2009年、2014年、2017年和2021年间经历了四次大规模发展扩张时期，10余家气凝胶规模化生产企业展露头角，激烈的抢夺市场的低价竞争也使得气凝胶的生产成本大幅度降低，也吸引了如中国石化、中国石油、万华化学等能源巨无霸的大体量采购。因为我国能源领域（如发电、供热、化工等）的能耗占比很高，在这些行业全面推广气凝胶绝热技术可以小投资、快见效的助力我国实现“碳中和”的目标。
电池应用领域
另一个广泛接受气凝胶绝热材料的领域就是新能源动力电池的热防护。电池在极端条件下发生热失控，会将电池存储的巨大化学能转变成高温热能，电池包内的温度瞬间就能达到
1200—1300℃（能量密度高的电池甚至可以达到近1800℃），热能扩散会瞬间造成车辆起火。对于电池热失控起火，车内人员唯一能做的就是弃车逃生，因为常规的消防手段根本不能灭火，为车内人员争取足够长的逃生时间就极其必要。在电池包这个极狭小的空间内提供最大的热阻抗、控制高温热能的扩散速率是最重要的，这恰恰是气凝胶这种低导热系数、特别是在高温环境下有稳定绝热性能材料的优势。所以，气凝胶是电池防止高温烧穿、争取必要逃生时间的唯一选择。随着纯电动汽车能量密度的不断提升、大电流快速充电等技术发展，新能源汽车的体量会爆炸式增长，气凝胶绝热材料作为电池热管理和阻燃防护的必要材料成为了气凝胶材料最主要的市场增长点，爱彼爱和、泛锐熠辉等企业在这一赛道突飞猛进，5年内的营业额连年大幅增长；凭借新能源电池热防护，我国的气凝胶材料的生产和销售量在2022年超越美国，占全球的60%以上，成为全球第一。
建筑领域的应用
谈气凝胶材料的应用，就不得不提近些年在建筑领域的应用了。您也一定会问：“气凝胶材料这么贵，建筑行业能用得起吗？” 这就要算算用气凝胶材料的经济账、看看应用的必要性了。
建筑保温在建筑造价占比中是很低的，但又因处于建筑产业链的末端而不被重视；但保温的方案和材料选择会影响项目的结构承载力、消防安全性和项目后期的运行能耗，又绝对不能马虎。
从长期生产、推广和应用气凝胶绝热材料的中国航天规划设计集团有限公司得到的反馈：气凝胶在建筑领域不但有应用、而且还有很多不可替代的作用。城市综合体的冷热电三联供的汽机和管道在有限空间排布的难题，幕墙体系中狭小空间的断热和防水防潮问题，有超耐火时长要求的防火模块也需要解决超厚超重的问题，大跨度钢结构通过减少绝热材料重量降低钢结构用钢量和承载强度来降低综合造价的设计，桥梁和隧道的防火材料要兼具隔水防潮性能的需求，建筑领域高风压、高湿度、有限空间作业种种问题想低成本的解决还真离不了气凝胶绝热材料。目前不但海洋工程、特种厂房、医院、城市综合体、市政管廊有较大量应用，而且气凝胶绝热制品在民用建筑外墙外保温，还能为开发商和购房消费者同时创造“省地”的意外经济效益。
在消费升级的时代，建筑保温大规模使用气凝胶材料绝对成为可能，而建筑行业的大体量才是气凝胶材料真正的大市场。
旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家
气凝胶材料从早期应用在航天领域，到现在广泛应用于工业、建筑、交通领域，高端纳米新材料已经慢慢走入了我们的生活。
