二氧化硅氣凝膠是以氣體為分散介質的高孔隙率無機輕質納米材料，本身的結構決定其同時具備多種獨特優異性能，如低密度、高孔隙率、高比表面積、低折射率、低熱導率和低介電常數等。二氧化硅氣凝膠在實際應用中呈現出質脆和力學性能差的缺陷，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構膨脹與破裂，所以不能單獨使用。為了使氣凝膠的優異特性得到更好的應用，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合制品，這些復合材料以超低的導熱系數、無機材料的安全性能，以及極佳的憎水和耐久性能，成為材料領域的新星。近年來我國高速列車飛速發展，氣凝膠的使用為車輛輕量化、噪聲控制、綜合節能等技術的突破提供了新材料支撐，現已初步應用在高速列車上。
目前氣凝膠領域中二氧化硅氣凝膠的研究最多，其生產和制造工藝相對成熟，也是應用最多的氧化物氣凝膠。研究者們在前驅體、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，以氣體為介質具有三維骨架結構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及應用。
表1 二氧化硅氣凝膠的典型性能參數及應用
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生反射、吸收、透射和再輻射，進而降低熱輻射。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于傳統隔熱材料。相比其他保溫材料，二氧化硅氣凝膠熱導率最低，質量最輕，耐熱溫度更高。實現相同保溫效果，二氧化硅氣凝膠厚度不足傳統材料的 1/3，厚度更薄，散熱面積更小，最大限度節約空間。
表2 二氧化硅氣凝膠與普通多孔材料傳熱方式對比
圖1 二氧化硅氣凝膠與傳統多孔隔熱材料絕熱性能對比
二氧化硅氣凝膠
復合材料種類
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合材料都是采取各種方法對二氧化硅氣凝膠進行增強增韌，如前驅體改性共聚合、纖維增強材料和聚合物交聯增強等。
二氧化硅氣凝膠復合材料可分為4大類：摻雜型硅基氣凝膠復合材料、涂層型硅基氣凝膠復合材料、互穿網絡型硅基氣凝膠復合材料以及組合型硅基氣凝膠復合材料，微結構示意見圖2。組合型硅基氣凝膠絕熱復合材料是將第二相材料以摻雜、涂層或互穿網絡的形式組合在一起，以發揮３種復合改性材料的優點，克服缺點，形成綜合性能更佳、適用性更好的復合材料。
二氧化硅氣凝膠復合涂料
在高速列車上的應用
高速列車因運行環境變化大、時速高、廂體夾層空間狹小，設計時青睞于高性能（如保溫隔熱、防火防爆、減振吸能、隔音降噪等）材料。二氧化硅氣凝膠復合材料具有輕質、絕熱、隔音、阻燃、疏水以及環保等優異性能，在未來高速列車車體優化設計中具有廣泛的潛在應用價值。目前主要的二氧化硅氣凝膠復合制品有絕熱板、絕熱氈、涂料、膜、顆粒、紙和異形件等，部分復合制品如圖3 所示。
圖3 二氧化硅氣凝膠復合制品
二氧化硅氣凝膠復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）是納米孔隙結構的二氧化硅氣凝膠粉體與耐高溫黏結劑體系復合制備而成的阻尼膠，將其涂覆于高速列車車體結構金屬板表面，如圖4（b）所示。當金屬板受到激發而產生彎曲振動時，其振動能迅速傳遞給緊密貼合的阻尼涂料，阻尼涂料通過內部相應錯動和摩擦，使振動能量變為熱能而損耗，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，其性能參數如下：熱導率 0. 031 W/(m·K)，密度 120 kg/m3，阻燃性 V0 級，附著力 1. 2 MPa，憎水率不低于 98%。涂料被有效應用在高速列車車體上，可以達到結構減振降噪、隔熱和表面防護的目的，實現冬夏季隔熱保溫，降低空調能耗等作用。圖5 是鋼結構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2 h（一般防火涂料厚度需要3. 5 mm）；與鋼板、鋁板等金屬材料附著力強，黏結強度大于1. 0 MPa；燃燒后金屬板材不變形、不燒蝕，被應用于高速列車的承重鋼結構件保護， 可有效阻止火勢失控蔓延。
圖4 二氧化硅氣凝膠隔熱阻尼膠及其應用
二氧化硅氣凝膠復合卷材
在高速列車上的應用
二氧化硅氣凝膠與玻璃纖維、陶瓷纖維或者碳纖維等復合后得到氈類制品，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合層，如圖7 所示。
圖6 二氧化硅氣凝膠絕熱氈在高速列車中的應用
二氧化硅氣凝膠復合材料
在高速列車上的其他應用
目前，二氧化硅氣凝膠復合材料在高速列車上的應用剛剛起步，大多作為小型輔助件配合主要部件完成對應技術要求。作為 21 世紀最具前景的新型節能環保材料，二氧化硅氣凝膠復合材料正在以更多的產品形式豐富著市場。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能玻璃也具備著諸多優勢，如隔熱、隔音降噪、抗風壓性能好，無冷熱自爆隱患，較好的透光性能，防結露且壽命可長達 30 年以上等。高速列車（以復興號為例）的窗面積占車體表面積的5. 8% 左右，因行車過程產生的環境變化，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，在吸能緩沖領域已經表現出廣泛的應用前景。350 km/h 標準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，通過現有試驗研究可知，二氧化硅氣凝膠復合材料在高速列車頭部特殊位置也具有開發應用價值。
結論
來源：復合材料體驗館
