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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）

清代驿站财政机制的形成与演变******

　　作者：刘文鹏（中国人民大学清史研究所教授）

　　驿站是中国历代王朝传递信息、递运物资的主要渠道，在维系国家统一方面发挥着重要作用。驿站的正常运转全赖驿站经费之保证，所谓“国脉疏通原借驿递，而驿递急需端赖钱粮”。一般认为，清朝入关后一扫旧弊，摊派、加征得到有效抑制。这一观点突出了明清之际驿站财政的差异。但实际上，明末加派之征也通过各种隐性方式在清代得以延续。在清初裁驿费充军饷的财政政策影响下，清代驿站财政走向了既病民又病官的摊派旧途。

　　明代驿站财政与驿役官当改革

　　明初驿站财政建立在实物财政基础之上，有赖于田赋征收和劳役佥派。洪武元年（1368年）正月，明太祖诏令天下广置各驿，其驿站差役佥派民户出办。具体方法是，“马有上中下三等，验民田粮出备”（《明太祖实录》卷29，洪武元年正月庚子）。即民户依照粮赋多寡对等充任驿传马夫，其不足数者可以数户共充一夫。本县人户不足，则“以相邻州县点差”，谓之“协济”。甚至令东南富户、市民前往北方诸省协济应役。官方除提供驿舍、备办廪粮及派遣官吏外，驿站其余所有开支均由驿传役夫亲身应役承担。此外，尚有里甲和均徭内编派驿站差役，以满足其财政开支需要。

　　洪武二十七年（1394年），明朝将永充改为“依次轮充”（万历《惠州府志》卷10，《赋役志下》，明万历四十五年刻本）。其佥编时间有三年、五年和十年之别。但地方政府在实际佥派中并不遵守定制，以至于有役三五十年者。此外在没有预算与额设经费的体制下，驿站马夫等便成为驿丞等官吏盘剥的对象。以上两方面导致嘉靖以前的马户不堪重扰，驿站运行困难。

　　成化、弘治年间白银货币化地位得到官方承认，一系列以财税定额为目的、减轻地方差役负担的差役纳银改革随之展开，驿站的日常运转也由力役亲当改为征银雇募，至嘉万时期，因推行一条鞭法改革，得以最终确立。具体做法是根据过往支销数目，预估一年驿站夫马工料银额数，将其摊入全县粮赋或额田中征收。对于他县协济马匹，则按每马所需折银，分派各协济州县“照亩均征”（申佳胤：《临洺驿马政记》，载崇祯《永年县志》卷7）。征收的站银，以府为单位进行统计并征收，然后由府转发各驿，招募人员当差。

　　官征官募确实起到了均平差役、减轻百姓负担的作用，“计地征粮，可以免马头独累之苦；募人当应，可以绝官吏求索之私”（刘麟：《清惠集》卷3，《均驿传安人心扶公论杜私情以免偏苦疏》，台湾商务印书馆1987年版，第348页）。但新政实施不过十余年，即弊端百生。一方面，官府“给驿渐广”，导致地方驿站开支不断增加；另一方面，过往官员多索马匹差夫，马户“卖产鬻儿，倾家丧命”。更甚者，明季“国用不足，将原额驿站夫马工食草料银两半裁以充练饷”（《宣大山西总督李鉴启本》，顺治二年五月八日），地方驿站财政更加吃紧。本县“马户逃窜，扳累难支”，他县协济亦托故不前，地方不得不再度佥派里民应当，复“蹈万历以前之夙弊”。而“驿卒糊口无资，群起为盗”（《顺天巡按柳寅东揭报驿递疾苦》，顺治元年七月，载张伟仁主编：《明清档案》第1册，台湾联经出版事业公司1986年版）。

　　清初中央对明代驿站财政体制的调整

　　清朝入关之初，平定全国的战争仍在持续，大量地方财政经费被裁撤充饷，驿站钱粮也不例外。在财政紧缺的情况下，既要全力保障军费，又要维持驿站正常运转，中央和地方政府为维护各自利益走上不同道路。

　　于中央而言，顺治元年（1644年）七月清朝废止一切明末加派，废除明末里甲佥派，将全国驿站由民当改为官当，所有经费均于正项地丁内动支，“不复累及百姓”。与此同时，令各省站银“以万历初年会计录为准”，“照旧征收，加增者不准”（《户部尚书英峩岱题本》，顺治二年六月六日）。

　　然而，明末清初接连不断的灾荒、战争导致地方田赋收入急剧下降，部分省份站银除荒后实征不及原额半数，巨大的经费缺口令驿站运转维艰。更重要的是，清初持续的军事行动导致国家财政经费捉襟见肘。权衡之下，清朝不得不裁减包括驿站经费在内的地方财政以充实军饷。驿站经费的大幅压缩主要集中于顺治九年（1652年）至十四年（1657年）和康熙平定三藩之乱期间，此后雍乾各朝均陆续裁减。全国站银“通计裁扣之数，自顺治九年以迄乾隆，竟居原额三分之二”（民国《盐山新志》卷8，《赋役篇上》，民国五年刊本）。

　　在额征驿站银剧减，加之禁止摊派、裁驿充饷的境况下，清廷只能尽可能地集中有限驿站财政资源，使其利用最优化。方法主要有三：一是裁僻济冲，将驿站经费集中于主干驿道。二是调整驿道走向、开辟新驿道。顺治年间，为减轻河南、山东驿站负担，清朝开通经山西前往川陕甘等地区的驿道，河南驿站负担有所减轻；山东则开通了经德州、泰安、蒙阴、郯城前往江苏的“山东东道”，使原有山东中路的驿站压力有所缓解。驿道重新规划后要求行差人员循规定驿道行进，并在勘合火牌内明白填注，严禁随意改变路途。三是严格掌握地方驿站财政奏销。顺治八年（1651年），清朝确立各省财政奏销制度后，规定驿站的各项开支需岁终汇造清册，由户部核实奏销。自顺治三年（1646年）至十四年修撰完成的各省赋役全书，更是将各省起运存留、驿站额支数目固定下来。通过赋役全书和奏销制度，各省驿站每年的财政收支也尽在中央的掌握之中。这既有助于中央了解地方驿站财政之盈绌，及时作出调整；也将府州县驿站财政纳入藩司和中央管控之下，方便了驿站财政资源的宏观调拨。

　　上述改革确实值得称许，在财政极度紧张的情况下通过法律禁令确保地方不得派累里甲，展现了新朝气象。但奈何由于清初战争开支甚巨，很多本应裁僻济冲的夫马钱粮亦经常被中央挪作军饷。地方政府为保障驿站的正常运转疲于应对，不得不百般腾挪，甚至延续明季摊派旧弊。

　　清前期各省对驿站财政体制调整的因应

　　整体而言，各省解决地方驿站财政问题的举措主要集中在复原额、顾驿递，严考成、革协济等方面，而在州县层面更为通行的做法则是直接佥派里甲。

　　所谓复原额，即各省督抚在除荒实征站银过少的情况下，奏请恢复该省旧设站银数额。部分省份在朝廷下令裁去明季摊派并统计旧额银时，往往在万历初年额设站银基础上将里甲夫马工料银和摊派银两一并作为本省额设驿站银统计、报呈，实际上是将“旧额”提高，把明代站银、里甲夫马银和摊派银以隐蔽的方式承续下来。而裁撤地方经费过程中，驿站经费可能虽亦被裁撤，但因为需要维持驿站的正常运转，驿站经费的裁撤力度不及其他经费，所以在顺治初期裁节地方经费的过程中，面对经费紧缺的情况“先尽驿站支用”的“顾驿递”政策在一定时期内得以贯彻落实。

　　明清之际的驿站协济制度是保障冲途大驿有效运转的良制。但协济的正常运行需建立在驿站财政充足的基础上，一旦经费被挪用或裁减，各地往往托故不前，导致受协驿站运转失灵。为解决该问题，清朝将协济站银完纳与否、完纳分数均纳入官员考成。但协济站银毕竟还需多一道解送程序，此间辗转费时、各级侵扣，其弊多端。于是，各省纷纷奏请将“本州县之正项用补本驿之急需，而以外州县之协济，汇解藩司抵补正项”（《河南巡抚吴景道题本》，顺治八年十月二十四日），南省协济北方站银也照此方法办理。此项调整至康熙七年（1668年）最终成为定制，并施行于全国，起自明代的驿站协济制度被废止。此种方法减少了站银支用的程序，提高了驿站运转效率。

　　中央和各省为筹措驿站经费，经过多重努力，确实起到一定作用，似乎驿站也得以正常运转；但如果我们将视野转移至州县，则会发现驿站财政状况呈现的是另外一幅景象。

　　清人薛所蕴《驿卒词》云：“闾阎困敝乏帮贴，差烦马瘦刍茭绝。……县官逮治驿卒死。五更三点不交睫，头枕驿门候消息。”（张应昌编：《清诗铎》卷9，中华书局2022年版，第262页）这并非夸张和想象之词。顺治年间曾任新乐县知县、专管冲途大驿西乐驿的林华皖对当时的驿站困境有过总结：一则差务繁忙，“每日数起”；二则夫役“额设者有数”，每遇大差势必另外雇觅；三则马骡羸瘦，“陆续行差，倒毙不一，月而殆尽”；四则行差人员百般苛索，夫役折干、背负过重（林华皖：《治鲜集》卷2，《驿邮略》，载《续修四库全书》第880册，上海古籍出版社2002年版，第430~431页）。康熙《丰润县志》更直白指出：“输蹄往来，络绎不绝，粮糗刍薪，存留不能及半，协济未必以时，县令之拮据，殆所不免。”（康熙《丰润县志》卷4，《赋役志·驿传》，清康熙三十一年刻本）绝大多数州县官员不堪重负，自杀者亦不在少数。其最终结果，“存留各项节次裁减，州县之事束手无策，势不得不私派之民，民既出雇役之钱，仍不免于役又不知凡几矣”（康熙《灵寿县志》卷4，《田赋上》，清康熙二十五年刻本）。摊派里甲成为州县官自然而然的选择。

　　然而，直接摊派里甲显然与清朝不加赋的政策相冲突。天津巡抚张忻、保定巡抚郝晋及经手知县都曾因触犯此律最后交刑部议处。故很多地方州县只能想方设法将摊派合法化：一是延续明季之“强制性雇募”手段，名为发银雇募、听民应召，实则是强制性“照里派轮”，官方挟公权权威进行变相摊派，并非纯粹的自由雇募应召之制。另一种是额外摊派，倒逼国家财政政策作出调整，将摊派合法化。部分州县驿站确实差务繁忙，必须额外派征。但为避免胥吏、马头毫无限制多征，引致民怨沸腾，清廷将额外摊征编入赋役全书，承认各种加派的合理性并使之合法化。

　　清前期驿站财政体制改革的影响及其余绪

　　清人曾对本朝的废力役亲当为官当官募之制大为赞赏，称“清兴，扫除旧政，与民更始。而钱粮则例一以万历初年为定，且赋皆改折而无本色之征，差皆雇役而无佥点之害……民无一事之扰，薄赋轻徭，培植邦本，万世无疆之休基此矣”（康熙《吴桥县志》卷3，《食货志》，清康熙十九年刻本）。

　　但清初军兴旁午，裁驿充饷时常有之。实际上“额设工料已减十分之三，差务更增十分之四”的情况下，地方财政仍然左支右绌。驿站之弊不仅官累难除，民累亦未减轻。一方面，清初裁节驿费并非为了减轻百姓负担，而是裁驿充饷，百姓压力并未减轻。另一方面，在“额设有数”的驿站财政体制下，州县为保证驿站运转，又不得不走上加派里民的老路。这一回头路不仅额外增加了百姓负担，甚至在一定程度上倒逼中央将部分摊派合法化。清廷减轻里甲摊派负担的宣言也就此告以破产。官员既存在加赋的罪名，百姓亦承受摊派的压力，实在是病民病官。

　　以上种种弊病的存在，究其原因，即在于中央财政集权下，地方额设驿站经费过少且并不稳定。随着明代白银的货币化，国家财政也出现“统计银两化”的趋势。这一变革使得国家财税可预算、可统计，方便了国家对各省州县财政的掌控；但是对于地方政府而言，则是更加不利。在“统计银两化”之前，所有驿传夫役均需亲当，财政开支由地方政府自行编制，不受中央管控；但在此之后，情况发生了显著变化。一方面，全国赋役逐渐定额化，中央以法律形式规定了摊派的“非法性”；与此同时，明清财政也因此走上“原额主义”道路，财政体制出现僵化。另一方面，借助白银的便利，中央对于州县财政的掌控越发集中，且能随时裁扣、调拨，导致州县财政难以稳定。清人曾谓“国家之所赖者，惟财赋；地方之所重者，惟差徭；下民之所望者，惟恩恤”（乾隆《三河县志》卷5，《赋役志·驿站》，清乾隆二十五年刻本），生动反映了当时中央、地方和百姓三者在国家财赋分配中的地位和处境。从国家立场出发，中央主要集中于对全国财赋的高度集权与掌控。尤其是战争期间，国家的着眼点完全在于尽快汇集财政资源用于军事，以期稳定统治。裁撤地方存留银是其中最为重要的手段，而这势必导致地方州县存留经费过少。州县为维持地方行政的正常运转，又不得不额外摊派，而所有的压力最终只能转嫁给百姓。在上述财政结构体制下，百姓能否得到“恩恤”显然要打上问号。刘志伟教授认为，清初通过编撰赋役全书和确立奏销制度，建立了高度中央集权的财政体制，它导致的一个最直接的结果就是地方赋税征收的失控（刘志伟：《略论清初税收管理中央集权体制的形成》，载《贡赋体制与市场：明清社会经济史论稿》，中华书局2019年版，第190页）。可以说，正是中央财政的“集权”导致了州县政府在财税征收中的“分权”和“失控”。因此，随着清中后期各类大差、常差的源源不断，以及驿务弛弊、苛索繁多等问题的抬头，“原额主义”财政下的清朝驿站运转再度回到明末境况，各类差派更加层出不穷。

　　（本文系国家社科基金重大项目“清代驿站史研究”〔19ZDA207〕阶段性成果）

　　《光明日报》（ 2022年12月26日 14版）

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）