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?200°C 至 700°C 熱穩定性！玄武巖氣凝膠的獨特優勢與應用前景

文章來源：賢集網更新時間：2025-04-25 14:18:37

當前，世界范圍內能源和環境問題愈發凸顯，節能減排成為實現可持續發展的關鍵有效途徑。隔熱材料在提高資源利用率、助力節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，常溫常壓下導熱系數很低，熱學性能優良，在隔熱材料領域有著廣泛應用前景。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的氣凝膠復合材料在多領域展現出獨特價值，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，其在張力下呈現彈性，呈線性應力 - 應變關系直至脆性破壞，拉伸強度高于玻璃纖維，與碳纖維相當或稍低，剛度可與玻璃纖維媲美，適用于需一定力學性能支撐的場景。化學穩定性上，長時間暴露于堿或酸成分時，機械性能會受影響，導致質量損失和強度降低，不過玄武巖纖維耐酸性比對堿耐受性好得多，在質量損失率和拉伸強度維持率方面優于玻璃纖維，可為不同化學環境應用提供參考。熱學性能層面，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 范圍內保持高熱穩定性，這得益于玄武巖在高溫下成核的材料特征，能適應多種熱環境需求。

一、玄武巖纖維/SiO?氣凝膠復合隔熱材料的性能剖析

熱穩定性：采用澆注成型法制備玄武巖纖維/SiO?氣凝膠復合隔熱材料，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性能的玄武巖纖維骨架預制體，后續經過放入配制好的 SiO?溶膠、老化、改性、分級干燥等步驟，最終制得復合材料。在這個復合結構中，玄武巖纖維骨架的加入對提高二氧化硅氣凝膠的熱穩定性起到了積極作用，復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定性。

力學性能：當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性能欠佳，加入氣凝膠后，骨架中仍存在大量孔洞結構，并且纖維與氣凝膠的結合強度不高，使得制備出的復合材料力學性能較低。但隨著纖維用量增多，纖維骨架預制體本身力學性能增強，進而帶動了復合材料力學性能的提升，可見纖維含量對復合材料力學性能有著關鍵影響。

隔熱性能：隨著纖維體積密度的增加，復合材料的導熱率會隨之增大。這是因為纖維骨架中纖維含量增多時，復合材料內形成的導熱路徑變多，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，所以導熱率相應增加，這也體現了材料各成分比例對隔熱性能的影響機制。

二、玄武巖纖維相關氣凝膠復合材料在特定領域的應用探索與成果

橋梁纜索防火領域：

近日，央視《創新進行時》專題報道了中國礦業大學團隊老師“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—高硅氧復合纖維和高硅氧纖維為基體，制備出 SiO?氣凝膠復合材料。在實際應用中，該橋梁防火技術和新型防火材料的成功研制極大地提高了橋梁在火災事故中的安全系數，為橋梁火災的消防施救贏得了寶貴時間。

在研究過程中，團隊探索了復合材料保護下的纜索模型在烴類火中的溫度響應特征，深入研究復合材料在燃燒試驗前后的微觀形貌、相組成、力學性能和熱導率的演化。所制備的復合材料中氣凝膠均勻填充在纖維骨架中，纖維氣凝膠結合良好。不過，玄武巖纖維在高溫火焰中會發生晶化和軟化，導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合材料在高溫火焰暴露后力學和隔熱性能大幅衰退。

與之不同的是，高硅氧纖維/氣凝膠復合材料展現出獨特優勢，纖維與氣凝膠產生協同隔熱效應，氣凝膠能夠保護纖維不發生晶化，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定。

良好的結構穩定性賦予高硅氧纖維/氣凝膠復合材料優異的高溫穩定性，其燃燒前后的抗拉強度和熱導率分別為 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 ℃，該氣凝膠復合材料呈現出優異的抗火隔熱性能，有望在橋梁防火領域得到廣泛應用，為橋梁安全保駕護航。

新能源電池領域：

隨著新能源產業的快速發展，新能源電池安全管理成為備受關注的問題，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。從氣凝膠企業產業鏈來看，涵蓋了從成膠、封裝，到電池包、管道等下游應用，還包括材料的前驅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，同時也涉及生產過程中的設備，如超臨界設備、熱壓機、模切設備等。玄武巖纖維相關的氣凝膠復合材料憑借自身的性能優勢，未來在新能源電池安全防護等方面也有著廣闊的應用潛力，有望為新能源產業的穩定發展貢獻力量。

總之，玄武巖纖維及其相關的氣凝膠復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域展現出了可觀的應用前景。盡管在實際應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合材料整體性能等問題，但通過不斷的科研探索和技術改進，其性能正在不斷優化，應用范圍也在持續拓展，有望在更多關鍵領域發揮重要作用，助力相關行業的高質量發展以及安全保障水平的提升。同時，也歡迎相關產業鏈人士積極加入，共同推動這一領域的進一步發展。

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來源：賢集網
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