二氧化硅氣凝膠是具有三維骨架結(jié)構(gòu)的開孔納米材料，具有低密度、低熱導(dǎo)率、高孔隙率、高比表面積等優(yōu)異特性。二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料克服了二氧化硅氣凝膠因高孔隙率導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度低的缺陷，現(xiàn)已在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。得益于二氧化硅氣凝膠的絕熱、隔音、阻燃等性能，其復(fù)合材料在高速列車輕量化、噪聲控制、綜合節(jié)能和安全防火等方面應(yīng)用前景廣闊。

二氧化硅氣凝膠是以氣體為分散介質(zhì)的高孔隙率無機(jī)輕質(zhì)納米材料，本身的結(jié)構(gòu)決定其同時(shí)具備多種獨(dú)特優(yōu)異性能，如低密度、高孔隙率、高比表面積、低折射率、低熱導(dǎo)率和低介電常數(shù)等。二氧化硅氣凝膠在實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)出質(zhì)脆和力學(xué)性能差的缺陷，且二氧化硅氣凝膠因表面含有大量的Si—OH 而呈親水性，吸濕或吸水后易造成骨架結(jié)構(gòu)膨脹與破裂，所以不能單獨(dú)使用。為了使氣凝膠的優(yōu)異特性得到更好的應(yīng)用，可采用多種工藝（浸泡法、混雜壓制成型、沉積法等）將二氧化硅氣凝膠加工成復(fù)合制品，這些復(fù)合材料以超低的導(dǎo)熱系數(shù)、無機(jī)材料的安全性能，以及極佳的憎水和耐久性能，成為材料領(lǐng)域的新星。近年來我國(guó)高速列車飛速發(fā)展，氣凝膠的使用為車輛輕量化、噪聲控制、綜合節(jié)能等技術(shù)的突破提供了新材料支撐，現(xiàn)已初步應(yīng)用在高速列車上。

目前氣凝膠領(lǐng)域中二氧化硅氣凝膠的研究最多，其生產(chǎn)和制造工藝相對(duì)成熟，也是應(yīng)用最多的氧化物氣凝膠。研究者們?cè)谇膀?qū)體、催化劑、老化工藝、表面改性和干燥工藝的研究選擇上不斷嘗試，最終得到由Si—O—Si 鏈高度交聯(lián)，以氣體為介質(zhì)具有三維骨架結(jié)構(gòu)的開孔納米固體材料。表1 顯示了二氧化硅氣凝膠的典型性能參數(shù)及應(yīng)用。

二氧化硅氣凝膠  絕熱、隔音、阻燃性能  

二氧化硅氣凝膠高比表面積的特性使材料內(nèi)部形成了近似無窮多的固/氣界面，熱量在每一層界面都會(huì)發(fā)生反射、吸收、透射和再輻射，進(jìn)而降低熱輻射。表2是二氧化硅氣凝膠與普通多孔材料傳熱方式的對(duì)比。圖1顯示了傳統(tǒng)多孔隔熱材料與二氧化硅氣凝膠的絕熱性能對(duì)比，從圖中可以看出氣凝膠的絕熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)隔熱材料。相比其他保溫材料，二氧化硅氣凝膠熱導(dǎo)率最低，質(zhì)量最輕，耐熱溫度更高。實(shí)現(xiàn)相同保溫效果，二氧化硅氣凝膠厚度不足傳統(tǒng)材料的1/3，厚度更薄，散熱面積更小，最大限度節(jié)約空間。

二氧化硅氣凝膠可以作為一種輕質(zhì)隔音材料應(yīng)用于高速列車上。當(dāng)聲波穿過孔隙時(shí)，由于空氣與骨架之間的摩擦，聲能轉(zhuǎn)化為熱能。同時(shí)聲波在孔隙中來回反射，引起柔性二氧化硅氣凝膠骨架的弦振動(dòng)，導(dǎo)致能量?jī)?nèi)部消耗，降低聲壓強(qiáng)度，達(dá)到了降噪的效果。二氧化硅氣凝膠極高的孔隙率使其具有比普通多孔材料高數(shù)十倍的吸聲效果。與此同時(shí)，疏水二氧化硅氣凝膠具有良好的熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性，在高溫和惡劣的環(huán)境中仍具有良好的吸聲性能。目前，常用的吸音材料如石棉、毛氈等在環(huán)保、防水、防火和輕量化方面均存在局限性。二氧化硅氣凝膠可用作兼具減振降噪和吸聲能力的輕質(zhì)隔音材料。

二氧化硅氣凝膠骨架由 Si、O元素鍵合構(gòu)成— O—Si 三維網(wǎng)絡(luò)組成，本身具有較好的阻燃性能。但二氧化硅氣凝膠本身親水，吸收空氣中的水分后，綜合性能下降，所以工程上應(yīng)用的都是表面改性過的疏水氣凝膠。為了保證二氧化硅氣凝膠使用可靠性，一般通過改變前驅(qū)體和添加阻燃劑等措施來提高其阻燃性能，結(jié)合熱穩(wěn)定性分析和可燃性研究可以得出如下結(jié)論：以硅酸鈉為前驅(qū)體，引入磷酸等磷化合物，可以提高疏水性二氧化硅氣凝膠的阻燃性。

二氧化硅氣凝膠  復(fù)合材料種類 

目前，世界上報(bào)道的納米介孔絕熱材料均以二氧化硅氣凝膠作為納米孔載體。但現(xiàn)有工藝制備出的超輕氣凝膠均存在強(qiáng)度低、韌性差的缺點(diǎn)。目前實(shí)用價(jià)值較高的氣凝膠復(fù)合材料都是采取各種方法對(duì)二氧化硅氣凝膠進(jìn)行增強(qiáng)增韌，如前驅(qū)體改性共聚合、纖維增強(qiáng)材料和聚合物交聯(lián)增強(qiáng)等。

二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料可分為4大類：摻雜型硅基氣凝膠復(fù)合材料、涂層型硅基氣凝膠復(fù)合材料、互穿網(wǎng)絡(luò)型硅基氣凝膠復(fù)合材料以及組合型硅基氣凝膠復(fù)合材料，微結(jié)構(gòu)示意見圖2。組合型硅基氣凝膠絕熱復(fù)合材料是將第二相材料以摻雜、涂層或互穿網(wǎng)絡(luò)的形式組合在一起，以發(fā)揮３種復(fù)合改性材料的優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)，形成綜合性能更佳、適用性更好的復(fù)合材料。

二氧化硅氣凝膠復(fù)合涂料  在高速列車上的應(yīng)用

高速列車因運(yùn)行環(huán)境變化大、時(shí)速高、廂體夾層空間狹小，設(shè)計(jì)時(shí)青睞于高性能（如保溫隔熱、防火防爆、減振吸能、隔音降噪等）材料。二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料具有輕質(zhì)、絕熱、隔音、阻燃、疏水以及環(huán)保等優(yōu)異性能，在未來高速列車車體優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值。目前主要的二氧化硅氣凝膠復(fù)合制品有絕熱板、絕熱氈、涂料、膜、顆粒、紙和異形件等，部分復(fù)合制品如圖3 所示。

二氧化硅氣凝膠復(fù)合涂料通過利用二氧化硅氣凝膠不同的特性，并添加顏填料、助劑等使其具備不同的功能。圖4（a）是納米孔隙結(jié)構(gòu)的二氧化硅氣凝膠粉體與耐高溫黏結(jié)劑體系復(fù)合制備而成的阻尼膠，將其涂覆于高速列車車體結(jié)構(gòu)金屬板表面，如圖4（b）所示。當(dāng)金屬板受到激發(fā)而產(chǎn)生彎曲振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)能迅速傳遞給緊密貼合的阻尼涂料，阻尼涂料通過內(nèi)部相應(yīng)錯(cuò)動(dòng)和摩擦，使振動(dòng)能量變?yōu)闊崮芏鴵p耗，起到減振降噪的作用。將二氧化硅氣凝膠分散在專用高性能樹脂乳液中可以制備水性涂料，其性能參數(shù)如下：熱導(dǎo)率0.031W/(m·K)，密度120kg/m3，阻燃性V0級(jí)，附著力1. 2MPa，憎水率不低于98%。涂料被有效應(yīng)用在高速列車車體上，可以達(dá)到結(jié)構(gòu)減振降噪、隔熱和表面防護(hù)的目的，實(shí)現(xiàn)冬夏季隔熱保溫，降低空調(diào)能耗等作用。圖5是鋼結(jié)構(gòu)用氣凝膠防火涂料燃燒前后對(duì)比。此涂料厚度為3. 0 mm 時(shí)，耐火極限時(shí)間達(dá)2 h（一般防火涂料厚度需要3. 5mm）；與鋼板、鋁板等金屬材料附著力強(qiáng)，黏結(jié)強(qiáng)度大于1. 0 MPa；燃燒后金屬板材不變形、不燒蝕，被應(yīng)用于高速列車的承重鋼結(jié)構(gòu)件保護(hù)，可有效阻止火勢(shì)失控蔓延。

二氧化硅氣凝膠復(fù)合卷材  在高速列車上的應(yīng)用

列車的不斷提速使得車內(nèi)噪聲顯著增大，目前高速列車的車廂內(nèi)壁板和車體之間一般填充多孔材料形成復(fù)合隔音結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者基于傳遞矩陣法設(shè)計(jì)優(yōu)化多孔材料、空氣層厚度及分層復(fù)合材料組合方式。聲波在氣凝膠的骨架網(wǎng)絡(luò)中傳播，聲波能量不斷轉(zhuǎn)移而衰減，振幅和速度不斷減小，使得氣凝膠具有低聲速特性，由此氣凝膠材料是理想的聲學(xué)延遲及高溫隔音材料。設(shè)計(jì)者通過采用二氧化硅氣凝膠復(fù)合卷材，可以減輕分層復(fù)合材料的整體質(zhì)量，減少多孔材料的使用量，實(shí)現(xiàn)低噪聲、輕量化、低能耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

市場(chǎng)上現(xiàn)有的二氧化硅氣凝膠復(fù)合卷材熱導(dǎo)率是傳統(tǒng)材料的1/5~1/3，有效減小隔熱層厚度，熱導(dǎo)率隨溫度上升而增加的趨勢(shì)非常緩慢。防火等級(jí)可達(dá)建筑材料A級(jí)，在火焰下不產(chǎn)生煙霧、熔滴物和有害氣體，憎水率不低于99. 8%，吸濕率不高于0. 5%，具有極強(qiáng)的防水性能，可以避免材料因進(jìn)水而沉降的問題，即使長(zhǎng)期使用也無需更換，具有良好的抗熱沖刷能力，可以任意裁剪，安裝使用方便。生產(chǎn)廠家一般能根據(jù)客戶需求對(duì)產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行定制，二氧化硅氣凝膠保溫氈技術(shù)參數(shù)如下：熱導(dǎo)率0.017W/(m·K)，密度160kg/m3，抗拉強(qiáng)度1.409MPa，憎水率99. 9%。圖6 是某高速列車將5mm 厚二氧化硅氣凝膠絕熱氈應(yīng)用到平頂區(qū)的防寒材結(jié)構(gòu)，采用封閉涂層處理工藝，不僅減小了結(jié)構(gòu)體積和質(zhì)量，而且提高了防寒降噪效果。

二氧化硅氣凝膠與玻璃纖維、陶瓷纖維或者碳纖維等復(fù)合后得到氈類制品，雖隔熱效果較好，但是表面纖維容易斷裂、粉化，造成浮纖或粉末污染。為解決該問題，可將氣凝膠復(fù)合層的外部覆蓋一層更高強(qiáng)度、高韌性的材料，如膨體聚四氟乙烯和阻燃聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維的復(fù)合層。

二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料  在高速列車上的其他應(yīng)用  

目前，二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料在高速列車上的應(yīng)用剛剛起步，大多作為小型輔助件配合主要部件完成對(duì)應(yīng)技術(shù)要求。作為21世紀(jì)最具前景的新型節(jié)能環(huán)保材料，二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料正在以更多的產(chǎn)品形式豐富著市場(chǎng)。除了前文介紹的板材、卷材等，二氧化硅氣凝膠玻璃作為新興的節(jié)能玻璃也具備著諸多優(yōu)勢(shì)，如隔熱、隔音降噪、抗風(fēng)壓性能好，無冷熱自爆隱患，較好的透光性能，防結(jié)露且壽命可長(zhǎng)達(dá)30年以上等。高速列車（以復(fù)興號(hào)為例）的窗面積占車體表面積的5. 8%左右，因行車過程產(chǎn)生的環(huán)境變化，這些開放面積對(duì)窗玻璃的要求極高，二氧化硅氣凝膠玻璃的綜合性能良好，具有潛在開發(fā)價(jià)值。另外，二氧化硅氣凝膠作為一種新型的動(dòng)能吸收材料，在吸能緩沖領(lǐng)域已經(jīng)表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。350km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組和城際鐵路客車的頭部都使用了特殊的防爆減振材料，通過現(xiàn)有試驗(yàn)研究可知，二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料在高速列車頭部特殊位置也具有開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)論  

分析介紹二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢(shì)，著眼高速列車車體輕量化、噪聲控制、綜合節(jié)能和安全防火等方面的需求，綜合考慮二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料質(zhì)輕、絕熱、隔音、阻燃、防腐、減振等特性，二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料作為重要的綠色環(huán)保新材料能夠?yàn)楦咚倭熊囄磥戆l(fā)展提供新材料支撐。目前二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料在列車車體上的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，不同性能優(yōu)勢(shì)的綜合應(yīng)用仍需要不斷的探索。

 來源：復(fù)合材料體驗(yàn)館