气凝胶：能改变世界 的多功能材料******
展览会上展出的具有纳米多孔结构的新型材料气凝胶服装
中新社 任海霞摄
【走近超材料①】
编者按超材料具有常规材料不具备 的超常物理性质，是国际上重点关注的战略前沿领域 。我国也高度重视超材料技术 的发展 ，国家自然科学基金 、新材料重大专项等都对超材料研究予以立项支持。近年来，越来越多的科研人员对超材料产生兴趣，使超材料 的设计开发进入了一个崭新的天地 。据此 ，本版推出“走近超材料”系列报道 ，展示超材料技术创新发展与产业化应用情况。
气凝胶具有高比表面积、高空隙率等特殊的微观结构特点，化学性能稳定 、导热系数低 、耐高温、使用温度范围广 、寿命长 。近年来 ，中国 、美国 、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶等多种新型气凝胶。
气凝胶是一种超材料 ，它非常轻 ，即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将其压弯 。目前 ，各种各样的气凝胶被开发出来，它们或柔软或坚硬 ，或导电或绝缘，应用领域广泛 。1月10日，中铁一局集团有限公司表示 ，河南省新乡蒸汽管网项目全面通过验收。蒸汽管网对防腐、保温要求极高 ，其管道选用了高温离心玻璃棉及纳米气凝胶复合保温材料。项目技术负责人汪惺说，纳米气凝胶隔热效果是传统隔热材料 的2—5倍 ，可极大提高施工质量和施工效率 ，降低施工成本。
作为目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料，气凝胶可谓是材料领域 的“隔热王者”，并已在航天 、石化等领域应用 。比如“天问一号”探测器发动机与火星车表面、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶 。在我国提出“双碳”目标后，随着技术 的不断创新，气凝胶的应用场景也在进一步扩大。
具有耐高温 、高弹性 、强吸附等特性
气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料，所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数 ，甚至可以达到99％以上，具有高比表面积、高空隙率、纳米级孔洞 、低密度等特殊的微观结构特点 ，化学性能稳定 、导热系数低、耐高温 、高弹性、强吸附 、防水效果好、使用温度范围广 、寿命长 。
“可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版 。”气凝胶领域技术专家王贝尔说 ，其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米，大于气凝胶孔隙 的直径 ，因此空气在气凝胶上流动效率极低，加上气凝胶本身比热容很高 ，热辐射传递能降到最低，因而具有很好的隔热性能 。
气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中 ，无机气凝胶是以无机物为主体，包括单质气凝胶 、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等 。有机气凝胶则 是以有机物为主体，主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等 。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势 ，实现气凝胶特殊 的功能化。
《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一，并称其为“可以改变世界的多功能新材料” 。王贝尔说 ，气凝胶是《科学》杂志评选出 的十大新材料中 ，唯一一个已大规模落地于实际商业场景 的材料。
气凝胶 的制备工艺主要分为两步 ，即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶，再利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶 。
有数据显示 ，在气凝胶行业 的成本结构中，制造成本约占45%。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说 ，降低气凝胶成本是行业正在努力 的一个方向，目前主要路径之一 是自动化产线 的落地 ，而成本降低将会打开更多 的应用场景。
生物质基气凝胶成研究热点
据中国石油管道科技研究中心评估 ，以350摄氏度蒸汽管道 的保温应用为例，相比于传统保温材料 ，气凝胶的保温层厚度可减少2/3，节约能耗40%以上，每公里管道每年可减少二氧化碳排放125吨。
数据显示 ，2021年油气领域对气凝胶的需求占总需求量 的56%，另有18%用于工业隔热、9%用于建筑建造 、8%用于交通运输。国家新材料产业发展战略咨询委员会在《2022气凝胶行业研究报告》中指出，在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料 ，可将电池包高温耐受能力提高至800摄氏度以上。随着新能源汽车产业等的发展 ，气凝胶在新能源汽车及储能行业应用场景广泛 ，需求量有望持续提升。
气凝胶发展迅速。国务院发展研究中心国际技术经济研究所分析员李维科说 ，近年来 ，中国 、美国 、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶 、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶。值得一提 的 是，生物质原料来源广泛、成本低廉 、碳源丰富，利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶是一种经济、可持续的生产方式 ，因此目前生物质基气凝胶也成为研究 的热点。
比如中国科学技术大学俞书宏院士团队研发出超弹性纤维素气凝胶，该纤维素气凝胶从室温到零下196摄氏度，都表现出不随温度变化 的超弹性 、优异的抗疲劳性等，在恶劣环境中具有巨大的隔热潜力 。且制备中所使用的材料均为生物质原料，有望解决能源密集型技术和石化材料造成的环境污染问题，是传统不可再生气凝胶的理想替代品。
中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质 ，将无机 、有机气凝胶与木材骨架基体复合，首创了第三代木质纤维素气凝胶 。通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控，将纤维素比表面积提高了7个数量级 ，对油污吸附能力高达自身质量的75—300倍，体积用量缩减50%—75%，可降解、可再生。
气凝胶发展驶入“快车道”
气凝胶 的发展得到国家政策 的持续支持。2014年和2015年，国家发改委连续两年将气凝胶列入《国家重点节能低碳技术推广目录》，开始对气凝胶进行初步推广应用 ；2018年6月气凝胶被列入建材新兴产业 ；同年9月 ，第一个气凝胶方面 的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》发布；2020年 ，《气凝胶保温隔热涂料系统技术标准》启用；2021年 ，《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作 的意见》提出 ，推动气凝胶等新型材料研发应用。
随着气凝胶应用技术不断成熟 ，气凝胶发展进入“快车道”。不过 ，李维科说 ，目前气凝胶研究仍存在一些问题 ，比如气凝胶在高温条件下热导率增长较快，与纤维等增强基体材料 的黏结性较差 ；生产过程中会用到许多有机溶剂 ，容易造成环境污染 ；气凝胶难以回收利用，不利于可持续发展等。
此外，气凝胶生产成本高昂 ，产品价格昂贵 。《2022气凝胶行业研究报告》指出 ，气凝胶的生产成本主要集中在原材料硅源 、设备折旧及能耗方面 。有效降低成本既依赖于制备工艺 的突破 ，也需要通过低成本原材料的大规模产业化来实现。
气凝胶 是罕见 的可以同时满足防火 、防水、隔热 、隔音等多种需求的材料 。李维科说，气凝胶 的发展和应用仍然处于不断探索 的过程 ，未来的研究方向主要集中在开发纤维素气凝胶、石墨烯气凝胶 、钙钛矿结构气凝胶 、非金属单质气凝胶等新型气凝胶上。（记者 李 禾）
AI创新链产业链融合发展 赋能数字经济新时代《中国人工智能专利技术分析报告（2022）》发布******
2022年12月 ，国家工业信息安全发展研究中心 、工信部电子知识产权中心发布《AI创新链产业链融合发展赋能数字经济新时代—中国人工智能专利技术分析报告（2022）》 ，这 是中心连续第5年就中国人工智能专利技术发展情况发布报告。
在新一轮科技革命和产业变革 的大背景下，人工智能创新链产业链“双链”融合是释放数字化叠加倍增效应 、驱动数字经济智能化跃升、打造产业综合竞争优势的必然路径。《报告》基于人工智能高价值专利增强创新链活力和助力产业链升级 的角度，对深度学习、智能云、计算机视觉 、智能语音、自然语言处理等十大技术领域进行专利申请趋势和分布构成分析 ，从“创造力”“保护力”“运用力”“竞争力”“影响力”五大方面对人工智能创新主体进行专利创新评价，研究人工智能专利如何高效助力各类“智慧+”应用场景落地 ，并对未来新兴人工智能技术应用和专利布局趋势作出研判。
图1 人工智能创新链产业链融合发展图谱
《报告》对人工智能高价值专利如何为创新链产业链融合发展保障护航进行了定量和定性分析。从行业公认 的能够直观体现高价值专利 的几个因素来看，自2011年、2012年开始，人工智能领域的中国专利奖占比逐年提高、专利许可转让数量呈上升趋势、专利诉讼遍及多个应用场景，展现了高价值专利对技术产业应用相辅相成 的走势。
十大基础技术领域的专利数量稳步增长 ，极大激发AI创新链活力 。深度学习、智能云 、计算机视觉 、智能语音 、自然语言处理、大数据、知识图谱 、智能推荐 、智能芯片 、量子计算等智能技术构成了人工智能创新链技术底座，也 是产业链应用的基础技术。在技术与政策双红利的推动下 ，2016-2021年深度学习专利申请年均复合增长率达到53% ，对人工智能的引领作用开始逐步凸显；相比之下 ，智能语音 、自然语言处理 、大数据 、知识图谱和智能推荐领域的专利申请呈现稳步增长的态势，其中2021年自然语言处理的专利申请量仅次于深度学习、智能云和计算机视觉，发展势头强劲；智能芯片和量子计算由于起步相对较晚 ，相关专利储备较少，仍处于技术加速积累 的阶段 。国内创新主体也纷纷展开专利布局，不断增强市场竞争实力 。例如百度公司在深度学习、智能云和智能驾驶等多个领域继续保持领先优势 ，寒武纪、浪潮和华为在智能芯片领域展现了充分的专注度和科研实力 ，清华大学 、浙江大学等高校也在计算机视觉和自然语言处理等领域投入更多研发资源 ，成为基础攻关的重要力量。
图2 AI创新链十大基础技术专利申请趋势和分布构成
AI创新主体展现积极创新面貌 ，中小企业为产业发展增添新力量 。从创新主体的申请量排名上看 ，百度、腾讯 、国家电网 、华为位列前四 ，专利申请数量均突破10000件， 是我国AI领域技术创新的主力军。从专利授权量上看 ，仍然 是上述四家企业位居前列，且百度公司专利申请量和授权专利持有量均排名第一。此外，腾讯专利2017-2020年腾讯专利申请年均复合增长率高达70%，在AI领域前四创新主体中申请量增速排名第一 。从授权专利占比上看，申请量排名第七 的清华大学和第九 的浙江大学，均以45% 的授权专利占比排名前两位 。作为技术创新 的重要源泉和吸纳劳动力就业 的重要载体 ，大量中小企业也积极涌入人工智能赛道 ，在创新链一侧 ，我国人工智能领域企业主体共申请专利超过110万件，中小企业专利贡献超过90% 。从产业链看，AI技术在中小企业中 的普及率超过40%，语音识别 、智能制造等技术在中小企业应用广泛，助力中小企业升级改造和智能化应用 。
图3 创新链前十创新主体专利申请量和授权量
AI核心技术领域高价值专利集聚明显，产学研合作稳步推进 。当前 ，智能云和深度学习 是高价值专利数量最多 的两个领域 ，百度得益于更早地投入与布局 ，展现专利申请数量与质量同步提升 的发展态势 。其他创新主体也结合自身业务发展方向，在不同 的基础技术领域进行了有针对性 的布局，如国家电网在深度学习和大数据领域，浪潮集团在智能云，阿里巴巴在智能推荐 ，平安科技在自然语言处理和计算机视觉都保持着创新优势 。高等院校在人工智能领域技术创新活跃 ，涌现了大量专利成果，并通过与企业成立联合实验室和技术研发中心等方式 ，加快产学研用协同创新进程。截至2022年9月，我国人工智能领域产学研联合申请专利数量超2万余件 ，其中发明专利占比约90%，整体呈上升趋势增长 ，产业应用较为广泛。
图4 中国AI创新主体高价值专利技术布局
图5 AI领域产学研联合申请专利发展趋势图
AI专利助力新兴应用场景落地，推动产业链转型升级 。目前，人工智能创新链的产业化应用主要集中在智慧城市、智慧交通、智慧医疗 、智慧金融 、智慧工业和智慧教育等领域。从技术应用 的成熟度来看，不同AI技术在不同场景 的应用呈现出阶梯式发展 的态势。智慧工业 是当前各创新主体主要布局的技术应用场景 ，AI专利申请量达到65万余件，其次就 是智慧金融，专利申请量为30万余件。其中也涌现出“海淀城市大脑”“灵医智惠AI医疗品牌”“智慧交通解决方案TrafficGo2.0”“普惠金融人工智能开放平台”等众多优秀实践案例 ，推动高端智能技术与行业 的融合发展 。
“智慧+”场景应用创造出更多产业增长点 ，新兴人工智能技术生成数字经济发展新动能。AI在城市 、交通 、医疗、教育及工业等场景的融合应用加速 ，不断催生新业态新模式新产业。以智慧工业为例 ，将工业互联网 、人工智能等在内 的智能制造新技术与工具 ，集成到工业生产流程中，正在引领我国工业数字化新生态。报告显示，截至2022年9月，我国智慧工业领域申请专利共计65万余件。百度公司以近9000件专利总数位居第一，国家电网位居第二 ，其余创新主体专利申请量差距不大，发展潜力较强 ，各创新主体在智慧工业领域的专利布局积极竞争，难以拉开较大差距。与此同时 ，基于人工智能 的深度学习 、内容生成 ，语音 、视觉识别技术越来越成熟，以元宇宙和数字人技术为代表的新兴技术，也迎来了专利的快速积累阶段，百度、腾讯、华为等企业积极开展前沿专利布局，探索人机交互发展和应用 ，助力数字经济高质量发展 。
图6 中国元宇宙专利主要申请人排名
图7 中国数字人专利技术申请－公开趋势
《报告》结合当前人工智能知识产权生态建设和全产业链专利布局情况，对产业高质量可持续发展提出总结与展望。人工智能是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量，发展人工智能 是支撑科技自立自强、实现高质量发展 的重要战略 。党 的二十大报告提出，推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术 、人工智能 、生物技术 、新能源、新材料 、高端装备 、绿色环保等一批新的增长引擎。当前 ，人工智能技术与5G 、云计算、大数据的融合发展已将成为推动数字经济发展 的动能源泉，今后将进一步与其他数字技术相互碰撞出全新的科技驱动力 。随着人工智能创新发展跨入新的历史阶段 ，专利申请总量突破百万件 ，专利申请趋势仍在快速增长 ，技术人才规模不断扩大 ，产业融合广泛深入，应当在底层关键技术突破、建设知识产权生态、大中小企业共同完善专利布局 、开辟更广泛应用场景等方面发力 ，实现创新链与产业链 的协同发展。
