激光聚变氢同位素气凝胶靶材料研究

一、气凝胶材料概述

（一）气凝胶简介

气凝胶，又称为干凝胶，是化学溶液经反应，先形成溶胶，再凝胶化获得的凝胶，除去凝胶中的溶剂，获得的一种空间网状结构中充满气体，外表呈固体状密度极低的（接近空气密度）多孔材料。

气凝胶是目前已知最轻的固体材料，也是迄今为止保温性能最好的材料,在众多领域有着广泛而巨大的应用价值，被称为“改变世界的神奇材料”。

（二）气凝胶分类

气凝胶因成分不同，主要有二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶等。当前，二氧化硅气凝胶的绝热性能最为引人注目，技术也最为成熟，国内外气凝胶的产业化发展大多围绕二氧化硅气凝胶绝热应用展开。

（三）气凝胶材料特性及应用

气凝胶在力学、声学、热学、光学等诸方面显示出独特性质，其中最为突出的是保温隔热性能，由于其具有的独特性能，气凝胶材料在航空航天、石油化工、电力冶金、船舶车辆、精密仪器、冰箱冷库、服装帐篷、建筑节能等领域的有广阔的应用前景，是传统隔热材料革命性替代产品。伴随着中国经济转型升级，节能降耗政策的持续大力推进，以及中国实施多年的纳米材料战略，气凝胶材料近年来受到了政府、学术界、企业界和投资界的广泛关注。

图表1 气凝胶材料特性及应用

资料来源：公开资料，银川滨投集团整理

二、气凝胶材料生产工艺

（一）气凝胶制备工艺

目前，二氧化硅气凝胶的制备通常包含溶胶-凝胶和干燥两个主要过程，通过溶胶-凝胶工艺获得所需纳米孔洞和相应凝胶骨架。

图表2 气凝胶制备工艺过程

根据工艺不同，气凝胶干燥主要分为超临界干燥工艺和常压干燥工艺两种，其他尚未实现批量生产技术还有真空冷冻干燥、亚临界干燥等。

超临界干燥技术是最早实现批量制备气凝胶的技术，也是目前国内外气凝胶企业采用较多的技术，通过压力和温度控制，使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点。处于超临界状态的溶剂无明显表面张力，从而可以实现凝胶在干燥过程中保持完好骨架结构，在保持原有结构的前提下去除凝胶内的大量液体而制得气凝胶。

常压干燥一种新型的气凝胶制备工艺，是当前研究最活跃，发展潜力最大的气凝胶批产技术。其原理是采用疏水基团对凝胶骨架进行改性，避免凝胶孔洞表面的硅羟基相互结合并提高弹性，同时采用低表面张力液体置换凝胶原来高比表面积的水或乙醇从而可以在常压下直接干燥获得性能优异的气凝胶材料。

两种干燥技术各有利弊，超临界干燥技术相对成熟，而常压干燥技术更具拓展空间，常压干燥技术应该代表未来发展方向。

图表3 两种干燥技术对比

（二）气凝胶复合材料制备工艺

由于气凝胶很脆，基本上无法单独应用，市场上销售的气凝胶多为气凝胶与增强纤维的复合产品。复合的方式大体上分为两种，一种叫原位复合或一次复合，另一种叫两次复合。

一次复合就在气凝胶制备过程的溶胶-凝胶阶段，硅溶胶直接浸润增强纤维，共同经历凝胶老化、改性、干燥，直到产品生产结束。这种方法获得的气凝胶复合材料，相对而言，气凝胶是连续相，纤维是分散相，所得气凝胶产品往往可以获得较低的导热系数，并且产品质量的一致性较好，也是目前国内外气凝胶企业的主流复合方式。

二次复合，就是先制备出气凝胶粉末，然后在设法把气凝胶粉末与纤维复合在一起。这种方法获得产品气凝胶和纤维都不是连续相，气凝胶均匀分散难度较大，目前采用此法的气凝胶企业较少。

三、气凝胶材料产业链分析

（一）产业链概况

气凝胶产业链上游即二氧化硅、金属有机物等化工原材料，中游为气凝胶的产品，主要有气凝胶毡、板、布、纸、颗粒、粉末和异形件等，下游主要在工业领域、建筑领域、化工领域、日常消费等其他领域。

图表4 气凝胶产业链示意图

（二）产业链上游

生产二氧化硅气凝胶的硅源主要有水玻璃和有机硅，有机硅价格较水玻璃高，但纯度高，工艺适应性好。2016年国内有机硅单体产能为 280.5 万吨，2017 年增加至 296.5 万吨，2016 年国内有机硅单体产量为 170 万吨，2017 年国内有机硅单体产量预计在 190 万吨，有机硅产能利用率在60%-70%，供应较为充足。

图表 国内有机硅产能、产量情况

资料来源：WIND

国内有机硅价格在2017年出现了较大幅度增长，目前仍维持在高景气，受下游需求带动及环保等因素影响，预计有机硅价格仍将保持高位运行。

图表 国内有机硅价格情况（元/吨）

资料来源：WIND

（三）产业链中游

1.市场概况

从全球市场分布来看，目前气凝胶市场主要集中在北美，约为55%，欧洲和亚洲分别为24%和8%；预计到2017年，北美和欧洲的市场占比会减少，而亚洲和其他地区市场占比会增加。

从国内数据来看，2016年我国气凝胶行业产量约1.83万吨，产量年平均增长率为31.3%。2016年我国气凝胶行业进口约2.18万吨，出口量很少，国内表现消费量约4.01万吨，消费量年均增长率11.8%，低于产量增长速度。目前我国气凝胶行业产消缺口较大，国产市场有很大发展空间。

图表5 2008-2016年我国气凝胶行业产消量情况

资料来源：公开资料，银川滨投集团整理

2.主要企业及其产能情况

我国气凝胶行业主要产品还较为初级，大多数企业能够生产气凝胶粉体颗粒，但是不能生产气凝胶复合材料产品。因此，市场上的产品以颗粒为主。能生产复合材料产品的有纳诺高科股份有限公司、广东埃力生高新科技有限公司、浙江通瑞新材料技术有限公司等少数几家公司。

图表6 2016年中国主要气凝胶企业产能情况

资料来源：公开资料，银川滨投集团整理

3.投资动态

图表7 气凝胶行业重点企业市场投资汇总

（四）产业链下游

1.气凝胶应用分布

目前中国的气凝胶主要用于建筑节能、军工航空航天等领域，未来将进一步向石油石化，交通运输,电力工业、以及高附加值等领域拓展。

资料来源：前瞻产业研究院

2.近期典型应用梳理

2017年典型应用案例

四、关键问题分析

（一）行业技术壁垒高

气凝胶行业属于典型的技术密集型行业，行业潜在进入者将面临较高的行业技术壁垒。新技术只有少数厂商和科研机构掌握，并且这些厂商和科研机构利用专利等形式来阻挡新技术的扩散。因而，新进入者只有通过购买（需要资金）或者自己研发（需要时间），才能生产该行业的相关产品。技术的扩散速度、模仿的难易以及复杂系数是决定技术障碍的主要因素。

（二）投入资金量大

资金是新企业进入市场所必须投入的生产经营资本。气凝胶成果转化和产业化过程需要大量资金投入，世界上通用的制备方式通常由溶胶凝胶过程和超临界干燥处理构成，但这种干燥设备价格非常昂贵，没有资金保障，气凝胶量产无法有效开展。

（三）应用有待进一步开发

气凝胶技术并不成熟，本身处于技术及产品开发阶段，市场上初步有一些产业化的示范应用，下游的应用需求有待发掘。因此，潜在新进入者需要明确新产品的市场定位、潜在客户需求，从而开发出差异化产品，使用户能够把它与其他竞争产品有限区别开来，从而在市场中获得竞争优势。

（四）退出壁垒较高

气凝胶行业退出壁垒较高，主要的影响因素可能是沉淀成本。材料研发企业一般具有许多专用性资产，特别是生产线（设备投入），一旦当企业退出时，很难将这些资产转为他用，生产其它产品，也难以将这些资产以公平的价格卖给其它生产同类产品的企业。沉淀成本越大，企业就越想维持原来的生产，努力收回未得到补偿的投资，这意味着企业退出该行业的障碍就越大。

五、总结

气凝胶材料优越的保温隔热等性能，使得其具有较为广泛的应用价值，将会成为现有保温隔热材料领域重要的潜在替代品，属于国家大力提倡发展的新材料之一。目前我国在气凝胶领域与美国等技术巨头同属于第一梯队，为我国气凝胶产业化发展提供了良好的竞争环境，国内市场发展空间较大。

气凝胶属于典型的技术密集型产业，由于技术壁垒高且生产设备投资巨大，目前国内气凝胶行业仍处于产业化发展初期，行业内企业和产能在逐渐扩大，下游应用仍在不断拓展中，行业龙头垄断还没有形成，处于较好的投资机遇期，可以审慎投资于掌握气凝胶核心生产技术、具有价值性应用领域企业。（来源：材料+）

靶室（前）和飞秒激光（后）用于CSU微尺度融合实验。 （图片：Advanced Beam Laboratory）

科罗拉多州立大学（CSU）科学家和合作者使用紧凑的“自制”超快激光加热有序纳米线阵列，并在实验室中展示了微型核聚变。他们已经实现了创记录的中子产生效率（剧变过程中产生）。

激光驱动的受控聚变实验通常通过惯性约束来完成，例如在国家点火装置（National Ignition Facility）的需要数亿美元的多焦耳激光器。这些实验既可以用于清洁能源应用的核聚变，也可以用于材料研究。

相比之下，由CSU领导的学生、研究科学家和合作者团队使用超快的台式激光器产生脉冲，持续时间为60 fs，能量高达1.65 J，中心波长为400 nm，激光聚焦为f / 1.7抛物面镜。目标是200或400纳米直径的氘化聚乙烯（CD2）纳米线阵列。

短脉冲与纳米线阵列深处的体积很好地耦合，将CD2的几微米深的层转变为等离子体并导致氘核氘（D-D）聚变。

焦耳级激光脉冲的聚变中子创记录产量

“对于1.64 J的激光脉冲能量，每发射中子的最大数量为3.6×106，相当于每焦耳2.2×106个中子，这是迄今为止焦耳级激光脉冲能量获得的最大聚变中子量，” Nature Communications论文的作者说道。该产量比使用来自相同材料的传统平板靶材的实验高出约500倍。

这些努力得到了杜塞尔多夫大学（德国）和科罗拉多州立大学的密集计算机模拟的支持。

小规模高效地制造聚变中子可能会导致中子成像技术的发展，并且中子探测器可以深入了解材料的结构和性能，这些结果也有助于理解超强激光与物质的相互作用。

编译：Nick

来源：激光制造网

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