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)決定其同時具備多種獨特優(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)和制造工藝相對成熟，也是應(yīng)用最多的氧化物氣凝膠。研究者們在前驅(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，由于空氣與骨架之間的摩擦，聲能轉(zhuǎn)化為熱能。同時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，導(dǎo)致能量內(nèi)部消耗，降低聲壓強度，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，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度低、韌性差的缺點。目前實用價值較高的氣凝膠復(fù)合材料都是采取各種方法對二氧化硅氣凝膠進(jìn)行增強增韌，如前驅(qū)體改性共聚合、纖維增強材料和聚合物交聯(lián)增強等。

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，克服缺點，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

高速列車因運行環(huán)境變化大、時速高、廂體夾層空間狹小，設(shè)計時青睞于高性能（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)計中具有廣泛的潛在應(yīng)用價值。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)生彎曲振動時，其振動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)錯動和摩擦，使振動能量變?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，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比。此涂料厚度為3. 0 mm 時，耐火極限時間達(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，黏結(jié)強度大于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)計者基于傳遞矩陣法設(shè)計優(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，實現(xiàn)低噪聲、輕量化、低能耗的設(shè)計目標(biāo)。

市場上現(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非常緩慢。防火等級可達(dá)建筑材料A級，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%，具有極強的防水性能，可以避免材料因進(jìn)水而沉降的問題，即使長期使用也無需更換，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度、高韌性的材料，如膨體聚四氟乙烯和阻燃聚對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。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，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)露且壽命可長達(dá)30年以上等。高速列車（以復(fù)興號為例）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)價值。另外，二氧化硅氣凝膠作為一種新型的動能吸收材料，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，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)保新材料能夠為高速列車未來發(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)用仍處于初級階段，不同性能優(yōu)勢的綜合應(yīng)用仍需要不斷的探索。

 來源：復(fù)合材料體驗館