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−200°C 至 700°C 热稳定性！玄武岩气凝胶的独特优势与应用前景

文章来源：贤集网更新时间：2025-01-03 10:11:19

当前，世界范围内能源和环境问题愈发凸显，节能减排成为实现可持续发展的关键有效途径。隔热材料在提高资源利用率、助力节能减排方面起着重要作用，其中，SiO₂气凝胶因具备极高孔隙率和较大比表面积，常温常压下导热系数很低，热学性能优良，在隔热材料领域有着广泛应用前景。然而，其高孔隙率也致使韧性差、机械强度低，影响了应用范围。为改善这一情况，人们选用玄武岩纤维骨架作为增强体，采用浇注成型法制备玄武岩纤维増韧 SiO₂气凝胶隔热材料，并且玄武岩纤维相关的气凝胶复合材料在多领域展现出独特价值，下面将对此展开详细介绍。

玄武岩纤维具有多方面的性能特点。在机械性能方面，其在张力下呈现弹性，呈线性应力 - 应变关系直至脆性破坏，拉伸强度高于玻璃纤维，与碳纤维相当或稍低，刚度可与玻璃纤维媲美，适用于需一定力学性能支撑的场景。化学稳定性上，长时间暴露于碱或酸成分时，机械性能会受影响，导致质量损失和强度降低，不过玄武岩纤维耐酸性比对碱耐受性好得多，在质量损失率和拉伸强度维持率方面优于玻璃纤维，可为不同化学环境应用提供参考。热学性能层面，与常见纤维类型相比，它有着较宽工作温度范围和出色抗高温性能，在 −200°C 至 700°C 范围内保持高热稳定性，这得益于玄武岩在高温下成核的材料特征，能适应多种热环境需求。

一、玄武岩纤维/SiO₂气凝胶复合隔热材料的性能剖析

热稳定性：采用浇注成型法制备玄武岩纤维/SiO₂气凝胶复合隔热材料，该方法是在二氧化硅气凝胶合成之前，先将短切玄武岩纤维制成有一定力学性能的玄武岩纤维骨架预制体，后续经过放入配制好的 SiO₂溶胶、老化、改性、分级干燥等步骤，最终制得复合材料。在这个复合结构中，玄武岩纤维骨架的加入对提高二氧化硅气凝胶的热稳定性起到了积极作用，复合材料中的失重主要源于二氧化硅气凝胶的失重，而玄武岩纤维在 700℃以下几乎不发生分解，由此可见玄武岩纤维增强的 SiO₂气凝胶具备良好的热稳定性。

力学性能：当纤维骨架的纤维体积密度较低时，纤维骨架增强体自身力学性能欠佳，加入气凝胶后，骨架中仍存在大量孔洞结构，并且纤维与气凝胶的结合强度不高，使得制备出的复合材料力学性能较低。但随着纤维用量增多，纤维骨架预制体本身力学性能增强，进而带动了复合材料力学性能的提升，可见纤维含量对复合材料力学性能有着关键影响。

隔热性能：随着纤维体积密度的增加，复合材料的导热率会随之增大。这是因为纤维骨架中纤维含量增多时，复合材料内形成的导热路径变多，同时气凝胶含量减少，材料整体的传热逐渐变成纤维之间的传热，所以导热率相应增加，这也体现了材料各成分比例对隔热性能的影响机制。

二、玄武岩纤维相关气凝胶复合材料在特定领域的应用探索与成果

桥梁缆索防火领域：

近日，央视《创新进行时》专题报道了中国矿业大学团队老师“桥梁防火材料”科研成果。科研团队针对桥梁缆索防火需求，以玄武岩纤维、玄武岩—高硅氧复合纤维和高硅氧纤维为基体，制备出 SiO₂气凝胶复合材料。在实际应用中，该桥梁防火技术和新型防火材料的成功研制极大地提高了桥梁在火灾事故中的安全系数，为桥梁火灾的消防施救赢得了宝贵时间。

在研究过程中，团队探索了复合材料保护下的缆索模型在烃类火中的温度响应特征，深入研究复合材料在燃烧试验前后的微观形貌、相组成、力学性能和热导率的演化。所制备的复合材料中气凝胶均匀填充在纤维骨架中，纤维气凝胶结合良好。不过，玄武岩纤维在高温火焰中会发生晶化和软化，导致纤维骨架坍塌和气凝胶破碎，缺乏纤维支撑的气凝胶在高温下孔隙坍塌且颗粒长大，致使玄武岩纤维增强的复合材料在高温火焰暴露后力学和隔热性能大幅衰退。

与之不同的是，高硅氧纤维/气凝胶复合材料展现出独特优势，纤维与气凝胶产生协同隔热效应，气凝胶能够保护纤维不发生晶化，而纤维完整骨架可以降低 SiO₂气凝胶的热辐射作用，使气凝胶孔隙和颗粒尺寸在高温火焰中保持稳定。

良好的结构稳定性赋予高硅氧纤维/气凝胶复合材料优异的高温稳定性，其燃烧前后的抗拉强度和热导率分别为 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 厚的高硅氧纤维/气凝胶复合材料对缆索模型进行防火保护，在 1100 ℃的烃类火中燃烧 120 min 后，缆索模型表面仅有 259 ℃，该气凝胶复合材料呈现出优异的抗火隔热性能，有望在桥梁防火领域得到广泛应用，为桥梁安全保驾护航。

新能源电池领域：

随着新能源产业的快速发展，新能源电池安全管理成为备受关注的问题，具有隔热、阻燃等功能特点的新材料受到市场青睐，气凝胶隔热片就是其中重要的新材料之一。气凝胶隔热片主要应用于电池包中、电池单体之间的隔热、阻燃，也可用于车身的隔热、阻燃等方面。从气凝胶企业产业链来看，涵盖了从成胶、封装，到电池包、管道等下游应用，还包括材料的前驱体以及各种纤维如陶瓷纤维、玻璃纤维、泡棉等，以及封装材料如 PET、PI 膜，热熔胶、硅胶框等，同时也涉及生产过程中的设备，如超临界设备、热压机、模切设备等。玄武岩纤维相关的气凝胶复合材料凭借自身的性能优势，未来在新能源电池安全防护等方面也有着广阔的应用潜力，有望为新能源产业的稳定发展贡献力量。

总之，玄武岩纤维及其相关的气凝胶复合材料凭借独特的性能特点，在桥梁防火、新能源电池等诸多领域展现出了可观的应用前景。尽管在实际应用和研究中还面临着一些诸如高温下玄武岩纤维性能变化影响复合材料整体性能等问题，但通过不断的科研探索和技术改进，其性能正在不断优化，应用范围也在持续拓展，有望在更多关键领域发挥重要作用，助力相关行业的高质量发展以及安全保障水平的提升。同时，也欢迎相关产业链人士积极加入，共同推动这一领域的进一步发展。

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