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?200°C 至 700°C 熱穩(wěn)定性！玄武巖氣凝膠的獨特優(yōu)勢與應(yīng)用前景

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2025-04-25 14:18:37

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)能源和環(huán)境問題愈發(fā)凸顯，節(jié)能減排成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵有效途徑。隔熱材料在提高資源利用率、助力節(jié)能減排方面起著重要作用，其中，SiO?氣凝膠因具備極高孔隙率和較大比表面積，常溫常壓下導(dǎo)熱系數(shù)很低，熱學(xué)性能優(yōu)良，在隔熱材料領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。然而，其高孔隙率也致使韌性差、機械強度低，影響了應(yīng)用范圍。為改善這一情況，人們選用玄武巖纖維骨架作為增強體，采用澆注成型法制備玄武巖纖維増韌 SiO?氣凝膠隔熱材料，并且玄武巖纖維相關(guān)的氣凝膠復(fù)合材料在多領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特價值，下面將對此展開詳細介紹。

玄武巖纖維具有多方面的性能特點。在機械性能方面，其在張力下呈現(xiàn)彈性，呈線性應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系直至脆性破壞，拉伸強度高于玻璃纖維，與碳纖維相當(dāng)或稍低，剛度可與玻璃纖維媲美，適用于需一定力學(xué)性能支撐的場景。化學(xué)穩(wěn)定性上，長時間暴露于堿或酸成分時，機械性能會受影響，導(dǎo)致質(zhì)量損失和強度降低，不過玄武巖纖維耐酸性比對堿耐受性好得多，在質(zhì)量損失率和拉伸強度維持率方面優(yōu)于玻璃纖維，可為不同化學(xué)環(huán)境應(yīng)用提供參考。熱學(xué)性能層面，與常見纖維類型相比，它有著較寬工作溫度范圍和出色抗高溫性能，在 −200°C 至 700°C 范圍內(nèi)保持高熱穩(wěn)定性，這得益于玄武巖在高溫下成核的材料特征，能適應(yīng)多種熱環(huán)境需求。

一、玄武巖纖維/SiO?氣凝膠復(fù)合隔熱材料的性能剖析

熱穩(wěn)定性：采用澆注成型法制備玄武巖纖維/SiO?氣凝膠復(fù)合隔熱材料，該方法是在二氧化硅氣凝膠合成之前，先將短切玄武巖纖維制成有一定力學(xué)性能的玄武巖纖維骨架預(yù)制體，后續(xù)經(jīng)過放入配制好的 SiO?溶膠、老化、改性、分級干燥等步驟，最終制得復(fù)合材料。在這個復(fù)合結(jié)構(gòu)中，玄武巖纖維骨架的加入對提高二氧化硅氣凝膠的熱穩(wěn)定性起到了積極作用，復(fù)合材料中的失重主要源于二氧化硅氣凝膠的失重，而玄武巖纖維在 700℃以下幾乎不發(fā)生分解，由此可見玄武巖纖維增強的 SiO?氣凝膠具備良好的熱穩(wěn)定性。

力學(xué)性能：當(dāng)纖維骨架的纖維體積密度較低時，纖維骨架增強體自身力學(xué)性能欠佳，加入氣凝膠后，骨架中仍存在大量孔洞結(jié)構(gòu)，并且纖維與氣凝膠的結(jié)合強度不高，使得制備出的復(fù)合材料力學(xué)性能較低。但隨著纖維用量增多，纖維骨架預(yù)制體本身力學(xué)性能增強，進而帶動了復(fù)合材料力學(xué)性能的提升，可見纖維含量對復(fù)合材料力學(xué)性能有著關(guān)鍵影響。

隔熱性能：隨著纖維體積密度的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率會隨之增大。這是因為纖維骨架中纖維含量增多時，復(fù)合材料內(nèi)形成的導(dǎo)熱路徑變多，同時氣凝膠含量減少，材料整體的傳熱逐漸變成纖維之間的傳熱，所以導(dǎo)熱率相應(yīng)增加，這也體現(xiàn)了材料各成分比例對隔熱性能的影響機制。

二、玄武巖纖維相關(guān)氣凝膠復(fù)合材料在特定領(lǐng)域的應(yīng)用探索與成果

橋梁纜索防火領(lǐng)域：

近日，央視《創(chuàng)新進行時》專題報道了中國礦業(yè)大學(xué)團隊老師“橋梁防火材料”科研成果。科研團隊針對橋梁纜索防火需求，以玄武巖纖維、玄武巖—高硅氧復(fù)合纖維和高硅氧纖維為基體，制備出 SiO?氣凝膠復(fù)合材料。在實際應(yīng)用中，該橋梁防火技術(shù)和新型防火材料的成功研制極大地提高了橋梁在火災(zāi)事故中的安全系數(shù)，為橋梁火災(zāi)的消防施救贏得了寶貴時間。

在研究過程中，團隊探索了復(fù)合材料保護下的纜索模型在烴類火中的溫度響應(yīng)特征，深入研究復(fù)合材料在燃燒試驗前后的微觀形貌、相組成、力學(xué)性能和熱導(dǎo)率的演化。所制備的復(fù)合材料中氣凝膠均勻填充在纖維骨架中，纖維氣凝膠結(jié)合良好。不過，玄武巖纖維在高溫火焰中會發(fā)生晶化和軟化，導(dǎo)致纖維骨架坍塌和氣凝膠破碎，缺乏纖維支撐的氣凝膠在高溫下孔隙坍塌且顆粒長大，致使玄武巖纖維增強的復(fù)合材料在高溫火焰暴露后力學(xué)和隔熱性能大幅衰退。

與之不同的是，高硅氧纖維/氣凝膠復(fù)合材料展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，纖維與氣凝膠產(chǎn)生協(xié)同隔熱效應(yīng)，氣凝膠能夠保護纖維不發(fā)生晶化，而纖維完整骨架可以降低 SiO?氣凝膠的熱輻射作用，使氣凝膠孔隙和顆粒尺寸在高溫火焰中保持穩(wěn)定。

良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性賦予高硅氧纖維/氣凝膠復(fù)合材料優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，其燃燒前后的抗拉強度和熱導(dǎo)率分別為 0.736 MPa 和 0.0205 W·m?¹·K?¹，0.560 MPa 和 0.0229 W·m?¹·K?¹。采用 10 mm 厚的高硅氧纖維/氣凝膠復(fù)合材料對纜索模型進行防火保護，在 1100 ℃的烴類火中燃燒 120 min 后，纜索模型表面僅有 259 ℃，該氣凝膠復(fù)合材料呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗火隔熱性能，有望在橋梁防火領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為橋梁安全保駕護航。

新能源電池領(lǐng)域：

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，新能源電池安全管理成為備受關(guān)注的問題，具有隔熱、阻燃等功能特點的新材料受到市場青睞，氣凝膠隔熱片就是其中重要的新材料之一。氣凝膠隔熱片主要應(yīng)用于電池包中、電池單體之間的隔熱、阻燃，也可用于車身的隔熱、阻燃等方面。從氣凝膠企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈來看，涵蓋了從成膠、封裝，到電池包、管道等下游應(yīng)用，還包括材料的前驅(qū)體以及各種纖維如陶瓷纖維、玻璃纖維、泡棉等，以及封裝材料如 PET、PI 膜，熱熔膠、硅膠框等，同時也涉及生產(chǎn)過程中的設(shè)備，如超臨界設(shè)備、熱壓機、模切設(shè)備等。玄武巖纖維相關(guān)的氣凝膠復(fù)合材料憑借自身的性能優(yōu)勢，未來在新能源電池安全防護等方面也有著廣闊的應(yīng)用潛力，有望為新能源產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展貢獻力量。

總之，玄武巖纖維及其相關(guān)的氣凝膠復(fù)合材料憑借獨特的性能特點，在橋梁防火、新能源電池等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出了可觀的應(yīng)用前景。盡管在實際應(yīng)用和研究中還面臨著一些諸如高溫下玄武巖纖維性能變化影響復(fù)合材料整體性能等問題，但通過不斷的科研探索和技術(shù)改進，其性能正在不斷優(yōu)化，應(yīng)用范圍也在持續(xù)拓展，有望在更多關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，助力相關(guān)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展以及安全保障水平的提升。同時，也歡迎相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈人士積極加入，共同推動這一領(lǐng)域的進一步發(fā)展。

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