气凝胶：从“凝固的蓝烟”到千亿级市场——新一代高效节能隔热材料的全面解析

气凝胶材料体系综述

1.1、基础特性与核心优势

气凝胶作为纳米多孔网络结构的固态材料，其孔隙率可达95%-99.8%，比表面积高达600-1000m²/g，是当前已知密度最低（<0.003g/cm³）的固体材料。其核心热物理性能表现为导热系数0.012-0.024W/(m·K)，远低于传统保温材料（岩棉0.04-0.07W/(m·K)）。由于独特的结构，气凝胶在热学、声学、光学、电学、力学等多个领域都展示出优异的性能。目前商业化应用的气凝胶主要围绕其高效的阻热能力展开，下游用于石油化工、热力管网、锂电池、建筑建材、户外服饰、航天、军工等多个领域。该材料体系具有四大特性：

• 热学性能：具备超低导热系数，可耐受-200℃至650℃极端温差
• 结构特性：三维纳米孔洞结构提供优异的声波衰减能力（吸声系数>0.9）
• 力学性能：经复合改性后抗压强度可达1MPa以上
• 功能特性：A级不燃特性（GB 8624-2012），水蒸气透过率<1ng/(m·s·Pa)

在能源效率方面，气凝胶在相同保温效果下可减少60%材料用量，生命周期碳排放较传统材料降低40%。目前主要应用于工业管道（ASME B31.3认证）、锂电池热管理（ISO 12944标准）、航天器热防护（ASTM E2205规范）等高端领域。

1.2、气凝胶材料体系演进与分类

气凝胶已经从最初的SiO₂气凝胶发展成为庞大的气凝胶家族。气凝胶已形成六大类材料体系：

最常用的气凝胶分类方法是通过组分来区分，可分为单组分和多组分气凝胶。

单组分气凝胶包括氧化物气凝胶、碳化物气凝胶、氮化物气凝胶、石墨烯气凝胶、量子点气凝胶、金属气凝胶、聚合物基有机气凝胶、生物质基有机及碳气凝胶、硫化物气凝胶等。

多组分气凝胶 (复合气凝胶) 是指由两种及以上单组分气凝胶构成或者由纤维、晶须、纳米管等增强体与气凝胶基体相结合的气凝胶复合材料。如，有机纤维-SiO2复合气凝胶等。组成、结构不同的气凝胶，展现出独特的性质，适用于特定的应用场景。

目前氧化物气凝胶技术和应用最为成熟，在氧化物原有优良性能的基础上附加了气凝胶轻质、高孔隙率的特点。生产过程通常采用醇盐或者盐类作为前驱体，然后在酸、碱条件下催化制备。目前研究最多的是SiO₂、ZrO₂、Al₂O₃以及复合气凝胶。其中，SiO₂气凝胶最早被发现，也是应用最广、产业化最为成熟的一种气凝胶。

1.3、气凝胶制品

目前商用的气凝胶通常为复合材料制品，且具有多种形态。气凝胶存在强度低、韧性差等缺点，因此需要通过添加颗粒、纤维等增强体提高强度和韧性，也可以通过添加炭黑、陶瓷纤维等遮光剂提高遮挡辐射能力。因此当前在售气凝胶制品往往是由气凝胶材料与基材复合制得。根据制品形态，气凝胶制品可以分为气凝胶毡、气凝胶纸、气凝胶布、气凝胶板材、气凝胶粉末、气凝胶浆料、气凝胶涂料等。

气凝胶生产工艺

2.1、核心工艺流程

气凝胶的制备过程主要包括溶胶-凝胶、老化、改性、湿凝胶的干燥处理过程。溶胶-凝胶过程指前驱体溶胶聚集缩合形成凝胶的过程。但由于刚形成的湿凝胶三维强度不够而容易破碎坍塌，因此需要在母体溶液中老化一段时间提高强度或者利用表面改性减小或消除干燥应力。干燥过程即用空气取代湿凝胶孔隙中的溶液并排出。

1. 溶胶-凝胶反应：前驱体溶液（如TEOS/Si(OC₂H₅)₄）通过水解缩合形成三维纳米网络结构
2. 老化处理：在母液中静置12-72小时，促进硅氧键重组（Si-O-Si键密度提升30%）
3. 表面改性：采用十八烷基三氯硅烷（OTCS）进行疏水改性（接触角>130°）
4. 干燥处理：采用超临界/常压干燥技术去除孔隙溶剂

2.2、干燥工艺技术对比

干燥环节是决定最终产品性能的关键步骤。湿凝胶在干燥过程中需承受高达100-200MPa的毛细管应力，易导致结构坍塌。目前主流技术路线包括：

1、超临界干燥技术演进

• 第一代技术：有机溶剂体系（甲醇/乙醇）
  • 优点：干燥速率快（2-4h）
  • 缺点：闪点低（甲醇<13℃）、设备复杂（高压釜耐压>20MPa）
• 第二代技术：CO₂超临界体系
  • 创新点：采用低温环境超临界（31.1℃/7.38MPa）
  • 改进：添加CO₂助剂（如氟硅烷）提升置换效率（>95%）
  • 应用案例：美国Aspen Aerogels公司Aerogel Insulation采用此工艺

2、常压干燥关键技术突破

• 溶剂梯度置换：采用NMP/DMF混合溶剂（表面张力<25mN/m）
• 动态干燥控制：采用多段式干燥曲线（升温速率<1℃/min）
• 表面改性创新：开发新型硅烷偶联剂（如HDTMS）提升疏水性（水蒸气透过率<5ng/(m·s·Pa)）

2.3、工艺优化方向

当前研究重点：

1. 连续化生产：开发旋转式超临界干燥装置（产能提升300%）
2. 绿色化改造：采用生物基溶剂（如乙酸乙酯回收率>90%）
3. 智能控制：引入AI算法优化干燥参数（预测误差<5%）

气凝胶产业化演进与市场发展路径

气凝胶的发展史是一个技术进步与应用拓展相互促进的过程。自1931年发明以来，气凝胶经历了四次产业化浪潮，每次成败都与成本、市场需求开发密切相关。

3.1、四次产业化历程对比

次数	时间节点	主导方/代表企业	主要应用领域	结果与主要失败原因	关键特点
第一次	20世纪30-50年代	美国孟山都（Monsanto）	早期尝试	失败：成本过高 + 应用开发严重滞后	首次商业化尝试
第二次	20世纪80年代	多家公司尝试	工业保温等	失败：高温超临界干燥工艺爆炸事故 + 经营不善	安全事故导致行业退潮
第三次	2000年代-2010年代	美国Aspen Aerogels	航天军工、石化管道保温	成功：实现稳定盈利，受到市场青睐	高端小众市场突破
第四次	2015年至今（当前）	中国企业主导（大量新产能投产）	新能源电池、交通工具、建筑、民用消费品等	进行中：产能快速扩张，民用化进程加速	成本快速下降 + 应用场景大幅拓展

3.2、当前核心瓶颈与突破方向

• 最大制约因素：生产成本仍然远高于传统保温材料（如岩棉、聚氨酯泡沫、玻璃纤维等）
• 成本降低的两条主要路径：
  • 制备工艺突破（常压干燥、快速凝胶、新型前驱体等）
  • 低成本原材料 + 大规模量产（中国企业正在大力推进）

项目	气凝胶	传统保温材料（如岩棉、PU、玻璃棉）
导热系数	极低（0.01-0.02 W/m·K）	0.03-0.05 W/m·K
耐温范围	-200℃～650℃（硅系可达1000℃+）	一般<200℃
憎水性	永久憎水	部分吸水老化
重量	极轻	较重
厚度需求	同等保温效果下厚度仅1/3-1/5	需要更厚
价格	目前仍高（几十到几百元/平米）	几元到几十元/平米
施工便利性	部分产品仍较脆	成熟、柔软、易施工

3.3、未来发展趋势判断

气凝胶要真正走向大规模民用，必须走“成本下降→应用普及→进一步规模化降成本”的正向循环。当前第四次产业化（中国主导）正是这一循环的关键阶段，具备以下有利条件：

• 技术端：常压干燥等低成本工艺逐步成熟
• 产能端：中国2020-2025年新增产能已超前三波总和数倍
• 需求端：新能源汽车热管理、建筑节能、消费电子等领域爆发式需求
• 认知端：市场对气凝胶性能优势的认识大幅提升

气凝胶真正的“必经之路”是从高端小众走向大众民用的普及应用过程。只要成本在未来3-5年内再下降50%-80%，气凝胶有望像当年的LED照明、锂电池一样，从“昂贵高科技”变成“常见普通材料”。目前正处于这一转折点的关键窗口期。

气凝胶产业链及相关企业

目前大规模产业化的是SiO₂气凝胶，以此为例介绍气凝胶的产业链。

气凝胶产业链上游为原材料，经过制备过程形成气凝胶；中游为气凝胶材料与气凝胶制品；最后应用到下游多个行业。气凝胶因其独特的性能受到了众多行业的青睐，却因高昂的原料成本和制造费用而使用受限。Aspen Aerogels数据显示，材料成本约占总成本的48%，制造成本约占44%。具体来看，气凝胶的生产成本主要集中在硅源（原料）、设备折旧（干燥）及能耗（干燥）方面。因此，气凝胶降成本主要从干燥成本和原料成本着手。

4.1、上游

气凝胶的制备过程首先要得到二氧化硅凝胶，再通过干燥手段使气体取代凝胶中的液相从而形成气凝胶。目前，生产原料有两种。一种是有机硅源，包括正硅酸甲酯（TMOS，又称四甲氧基硅烷）和正硅酸乙酯（TEOS，又称四乙氧基硅烷）等功能性硅烷。另一种是无机硅源，包括水玻璃（硅酸钠）和四氯化硅。

类别	代表原料	单价水平（2024-2025）	优缺点	主要供应商（中国）
有机硅源（主流）	正硅酸乙酯（TEOS）、正硅酸甲酯（TMOS）、聚硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷（MTMS）等	1.5-3万元/吨	纯度高、工艺成熟、可常压干燥、适用性广	晨光新材、宏柏新材、新安股份、湖北新蓝天、金宏气体、瓦克（进口）
无机硅源（潜力）	水玻璃（硅酸钠）、四氯化硅、多晶硅副产物等	2000-6000元/吨	价格极低，但杂质多、需大量水洗+溶剂置换、废水处理成本高，目前占比<15%	部分水玻璃企业尝试，尚未大规模量产

目前有机硅源为主流路线。一方面，有机硅源适用范围广，可同时适用于超临界干燥工艺和常压干燥工艺。另一方面，部分无机硅源应用受限。尽管无机硅源的价格远低于有机硅源，但杂质较多，在硅酸钠生产气凝胶过程中需要进行大量水洗和有机溶剂置换，生产过程劳动强度大、制备周期较长、需要废水处理等特点限制其目前大范围运用。

具备全产业链优势的企业（原料→气凝胶）：

• 晨光新材：国内功能硅烷龙头，自产TEOS/MTMS，成本最低之一
• 宏柏新材：含硫硅烷龙头，自产多种硅烷单体，已建成万吨级气凝胶粉体/毡

4.2、中游

气凝胶产品种类多样，包括气凝胶毡、板、布、纸、颗粒、粉末、涂料和异形件等，产品多样化赋予其更加灵活宽泛的下游应用。

气凝胶毡、板、布、纸和异形件，是气凝胶与相应产品形态的纤维复合所得。

• 气凝胶毡产量最大、应用最广，用于管道、储罐、炉体、交通、建筑等保温隔热；
• 气凝胶板可用于大型设备和建筑内外墙保温；
• 气凝胶布、气凝胶纸和气凝胶异形件主要用于一些特殊领域。如，布主要是服装鞋帽以及汽车领域等；气凝胶纸（薄毡）主要是热电池和一些空间极小或管径极细或希望缠绕施工的领域；气凝胶异形件基本上用于军工和制作可拆卸保护套。
• 气凝胶颗粒主要是利用其透明性，填充在PC板或者中空玻璃中做采光隔热板。
• 气凝胶涂料相比传统涂料具有更低的导热系数，具有更好的保温隔热效果，能够直接用到建筑内外墙、工业储罐、反应设备、管道、新能源汽车部件等表面。
• 气凝胶颗粒/粉体主要代表厂商包括奥飞新材、晨光新材、宏柏新材等。

产品形态	主要用途	代表厂商（中国）
气凝胶粉体/颗粒	涂料添加、透明采光板填充、粉体销售	奥飞新材、晨光新材、宏柏新材
气凝胶毡	管道/储罐保温、新能源电池、建筑、交通	奥飞新材、埃力生、爱彼爱和、航天宇杰、中凝科技
气凝胶板	建筑外墙、冷链箱、工业设备	埃力生、爱彼爱和、纳诺科技
气凝胶颗粒板/透明板	采光屋顶、日光温室	奥飞新材、泛亚微透、纳诺科技
气凝胶布/纸（薄毡）	服装、热电池、细小管线缠绕	中凝科技、奥飞新材、硅宝科技
气凝胶涂料	建筑内外墙、储罐、车体表面	奥飞新材、立邦、中南建材
气凝胶异形件/保护套	军工、可拆卸保温套	奥飞新材、爱彼爱和、东莞硅翔

4.3、下游

气凝胶因其超强隔热性能，早期主要应用在航天、军工和国防领域，随后逐步扩展至石化、工业、建筑、交通、日用等领域；在电极载体材料、催化材料、传感材料、纳米灭菌材料、药物释放等诸多新兴领域均有广泛研究。

目前，气凝胶下游集中在工业管道保温，如油气项目、工业隔热，以及建筑建造隔热等。随着应用领域的不断拓宽，新能源汽车、日用户外等领域市场也将逐渐打开。

领域	2021年占比	2024-2025年占比（估算）	主要驱动因素	代表客户/项目
油气管道及工业保温	56%	35-40%	存量市场稳定，新项目减少	中石油、中石化、中海油、LNG接收站
新能源汽车电池	<5%	25-30%	高速增长，三元电池安全需求爆发	宁德时代、比亚迪、中航锂电、国轩高科等
建筑节能	9%	12-15%	被动房、近零能耗建筑政策推动	万科、远大住工、气凝胶玻璃/涂料项目
交通运输（高铁/地铁/飞机）	8%	10-12%	高铁新线路、城轨扩建	中车集团部分车型已采用
服装及消费品	<1%	3-5%	素湃、波司登等品牌放量	素湃S.KISTLER、Champion、OROS
航天军工	传统主力	稳定高端小批量	国家项目持续	天问一号、祝融号火星车、长征火箭等

油气领域

根据IDTechEX数据，油气领域是当前气凝胶最主要的应用领域，2021年占总需求量的比例高达56%，另有18%用于工业隔热，9%用于建筑建造，8%用于交通运输。

相比传统保温材料，气凝胶绝热毡具有使用温度范围更广、隔热更优、厚度更薄（传统材料的1/3-1/5）、更抗腐蚀、憎水率高、使用寿命长达15年（传统材料3-5年，大修时修修补补）、更防火等优点，是“双碳”目标下石化、LNG管线等实现节能降碳的优选材料。

国内已有多家石油石化企业采用气凝胶用于管线保温。如，中石油、中石化、中海油以及其他一些石化企业。

建筑领域

由于气凝胶材料比表面积大、孔隙率高、粒径小等结构特征，使其具有良好的隔热保温性能、防火阻燃性能，能够有效满足现代建筑节能要求。目前，其应用形式主要有气凝胶玻璃、气凝胶涂料、气凝胶毡、气凝胶板材以及屋顶太阳能集热器等。

交通运输领域

在汽车领域，气凝胶材料既可以用于整车制造，又可以用于新能源汽车电池。整车方面，气凝胶材料可以起到防火、隔热、保温、降噪等作用，在驾驶仓和发动仓间加一层气凝胶防火隔离墙，汽车着火点一般集中在发动机，汽车内饰多是织物等易燃物，气凝胶防火隔离墙可阻止火势进入驾驶仓，为司机和乘客的撤逃留有更多宝贵时间。

电池方面，气凝胶可为动力电池隔热提供安全保障，除用于动力电池电芯之间，还可用于模组与壳体之间、电池箱外部。

目前宁德时代、中航锂电、国轩高科等全球前十大动力电池厂商均有采购气凝胶产品。国内航天乌江、埃力生、爱彼爱和、奥飞新材、中凝科技等气凝胶生产企业均有供应电池用气凝胶产品。

高铁、地铁运行时速高、运行环境温度变化大且全车无烟防火，需要轻质、隔音降噪、保温隔热、防火等材料。气凝胶毡可满足高铁和地铁的运行需求，主要运用领域包括高铁和地铁的车顶、侧墙、底架、端墙、空调系统、其他系统等。我国部分高铁和地铁中已采用气凝胶保温材料；国内奥飞新材等企业均有生产和销售相关产品。

服装领域

目前防寒服装主要以羽绒服为主。国产科技服装品牌素湃气凝胶防寒服系列。实验表明，该抗寒服中3mm厚度气凝胶材料可抵抗-196℃极寒，即可达到40mm鹅绒的保暖度效果。气凝胶材质抗寒服厚度约1cm，明显低于常规羽绒服6cm的厚度，且重量约轻38%。另外，该气凝胶防寒服洗涤100次后，保温率和热传导率几乎未变。海外服装品牌Champion、OROS、MONGRE也已推出气凝胶系列服装产品。

此外，气凝胶新材料企业中凝科技、奥飞新材等纷纷推出气凝胶纺织材料产品，如气凝胶夹层、气凝胶纤维、气凝胶布等。

航天军工领域

气凝胶是航天军工领域的绝佳材料。受飞行环境影响，航空航天材料需具备低密度、高硬度、耐高温、低导热的特性。航空航天领域常用的几类隔热材料包括酚醛树脂、玻璃纤维、气凝胶等，而气凝胶被认为是理想的隔热材料。

气凝胶在航天军工领域运用最早最成熟。气凝胶起始就是应用在航天军工领域，已被应用于飞船、卫星、火箭、导弹、战机、军车、大飞机C919等重要零部件的隔热保温。我国首个火星探测器“天问一号”着陆发动机与探测车表面使用了气凝胶材料，应对极热和极寒两种严酷环境。

其他领域

• 催化领域：气凝胶具有小粒径、高比表面积和低密度等特点，使得气凝胶催化剂的活性和选择性均远高于常规催化剂。同时，气凝胶还具有优良的热稳定性，可以有效减少副反应的发生。苏黎世联邦理工学院多功能材料实验室开发了TiO₂气凝胶光催化剂，可促进高效制取氢气。
• 电化学领域：气凝胶具有低介电常数（1<e<2），且可通过改变其密度调节介电常数值。有机气凝胶和金属氧化物气凝胶，是非常优异的介电体，可用作高压绝缘材料、高速或超速集成电路的衬底材料、真空电极的隔离介质以及超级电容器。Polystor公司推出一种高性能的碳气凝胶电容器，其功率为4千瓦/千克，接近于电池的功率。
• 吸附领域：气凝胶可运用于吸附净化领域。以疏水SiO₂气凝胶为例，其可有效抑制水分子的竞争吸附，提高材料在潮湿环境下对目标有机气体的选择性。同时，疏水SiO₂气凝胶对于苯、甲苯、四氯化碳等几种VOCs的吸附量均远大于传统吸附剂活性炭以及活性炭纤维，而对于水蒸气的吸附量(0.12g/100g)相比于亲水SiO₂气凝胶(6g/100g)明显降低，被广泛运用于水体净化领域。

气凝胶行业发展现状与前景

气凝胶行业正处于高速成长期，受“双碳”目标驱动，下游应用加速渗透。2025年，中国气凝胶市场规模预计达122.6亿元，全球规模约9.07亿美元，预计2031年达22.96亿美元（CAGR 14.4%）。产能扩张迅猛，现有产能超27万立方米/年，拟建产能123.85万立方米/年，需求端以油气管道（51.8万立方米）和新能源汽车（渗透率预计25-35%）为主导。政策支持和标准完善进一步助推行业规范化。

未来空间分析

我国气凝胶产业处于产业发展早期阶段，产业链尚未构建，主要产品为气凝胶复合毡，气凝胶涂料等。目前国内企业数量约30家，规模较大企业较少。据不完全统计，2021年我国气凝胶复合制品产能约22万立方米。据南京工业大学气凝胶团队统计，2021年产量约5万立方米。

• 油气基石：2025年管道里程17.4万km，渗透率10%，需求92.3万立方米（124.6亿元）。
• 建筑潜力：2020年渗透率0.02%，2025年升至0.08%，需求7.3万立方米；远期超100亿元。
• 新能源汽车爆发：2025年销量1300万辆，单车价值500元，渗透率30%，空间33.5亿元（CAGR 88.4%）。
• 总体预测：IDTechEx预计2031年全球超倍增长（CAGR 8.8%），中国贡献超50%。成本下降（常压干燥占比>70%，降70%）+需求升级（EV电池50%占比）驱动正反馈。

发展路径：从高端（航天/油气）向民用（建筑/服装）普及，2025年渗透率整体升5倍。挑战：成本仍高（48%材料占比），机遇：硅源循环+规模化，预计3-5年内降50-80%，市场如LED般爆发。

未来在节能减排的大背景下，随着气凝胶产业化的不断推进，其成本有望持续下降，在油气领域作为需求基石的同时，建筑建造、交通运输和其他新兴领域正成为气凝胶需求增长新动能。尤其是建筑领域，随着我国节能环保理念的深入，未来建筑领域将成为气凝胶的一大市场。预计到2026年，我国气凝胶下游市场中油气项目将减少至47%，建筑建造占比将提升至14%，交通运输占比将提升至13%。

根据住建部及国家统计局数据，2021年我国油气管道里程累计达到15万公里，集中供热管道里程50.7万公里。假设2022-2025年每年新增油气和集中管道供热里程为2017-2021年每年新增里程的平均值。由此测算，预计到2025年，我国境内油气长输管道和集中供热管道对气凝胶的总需求量约为92.3万立方米，对应金额约为124.6亿元。

目前气凝胶在建筑节能市场渗透率相对较低，但远期空间广阔。根据2020年国内气凝胶行业合计15.9亿元的产值及建筑建造行业约占7%的需求来推算，2020年建筑建材用气凝胶的销售额约在1.1亿左右。根据对建筑外墙保温材料的测算，则2020年气凝胶在建筑保温材料的渗透率仅为0.02%，假设2025年气凝胶渗透率提升至0.08%，则到2025年国内建筑保温外墙市场对气凝胶的需求量为7.3万方。远期来看，整个建筑建材市场空间广阔。

而在新能源汽车领域，根据中国汽车工业协会数据，2022年我国新能源汽车销量高达688.7万辆，同比增长93.4%。IDC预测2025年将增至1300万辆。泛亚微透招股说明书（2020年发布）提到，每辆新能源汽车的SiO₂气凝胶复合材料使用量为2-5平方米，售价约为100元/平方米。由此测算出，到2025年，我国新能源汽车用气凝胶的需求空间有望增至19.5亿元。

总结

气凝胶是国家基础战略性前沿新材料，发展前景广阔。未来随着各行各业有序推进碳达峰碳中和，更为环保的气凝胶将加速替代传统材料，且随着气凝胶价格的进一步下行，行业将保持高速发展态势。