玄武岩纤维/SiO2气凝胶复合隔热材料的制备及性能研究

目前，世界范围内的能源和环境问题日益凸显，节能减排是实现可持续发展的有效途径。隔热材料可以有效提高资源利用率，达到节能减排的目的。SiO2气凝胶是一种具有极高孔隙率和较大比表面积的材料，这也导致了二氧化硅气凝胶材料在常温常压下具有很低的导热系数，这样优良的热学性能也让二氧化硅气凝胶广泛应用于隔热材料邻域。但是，二氧化硅气凝胶极高的孔隙率也导致了其韧性差，机械强度很低，这也影响了它在隔热材料邻域的应用，所以为了提高气凝胶材料的力学性能，选用玄武岩纤维骨架作为增强体，采用浇注成型法，制备出满足隔热要求的玄武岩纤维増韧SiO2气凝胶隔热材料。

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玄武岩在化学上富含镁，钙，钠，钾，硅和铁的氧化物，以及微量的氧化铝。玄武岩丰富，占地壳的33％。玄武岩是一种生态纯净的物质，具有广泛的应用范围。玄武岩纤维的绝热能力也是石棉的三倍，玄武岩的磨蚀只会产生没有呼吸危害的粗纤维碎片，玄武岩纤维对水不具有反应性，不会造成空气污染，它具有良好的生物持久性，并已在美国和欧洲制成无标签材料。

玄武岩纤维主要用于结构和电气技术目的，其应用包括电磁屏蔽结构，汽车，飞机，船舶和家用电器组件，由于其固有的热性能，机织和编织玄武岩纤维均被用于制造公共交通系统的防火材料，床垫中的玄武岩衬里通常用于防止意外起火，用这些纤维增强的玻璃被用于光机械应用。玄武岩纤维由细粉状的玄武岩制成，在1500–1700℃左右的温度下熔化，生成玻璃状熔融液体，然后将其挤压成细线状。玄武岩纤维的基本力学性能与其他商用纤维的比较，表明玄武岩具有出色的拉伸强度和良好的模量。

玄武岩中化学成分的百分比分布

玄武岩纤维的典型机械性能

一、玄武岩纤维的性能:

1 机械性能

玄武岩纤维在张力下表现出弹性，实际上表现为线性应力-应变关系，直到脆性破坏。玄武岩纤维的拉伸强度高于玻璃纤维，其结果可与碳纤维相当或更低。此外，尽管碳纤维的特征在于有优异的弹性模量，但玄武岩纤维的刚度却可以与玻璃纤维完全媲美。

2 化学稳定性

玄武岩纤维长时间暴露于碱或酸成分会影响其机械性能，通常会导致质量损失和强度降低。所以，用玄武岩纤维增强的复合材料的机械性能可能经历降解过程。

一些实验研究解决了在碱性（NaOH）或酸（HCl）溶液中纤维处理对机械性能的影响。证实了对于玄武岩纤维而言，其耐酸性要比对碱的耐受性好得多。特别是，现有证据清楚地证明，玄武岩纤维的耐酸性在质量损失率和拉伸强度维持率方面都比玻璃纤维大。

3 热学性能

在热性能方面，与最常见的纤维类型相比，玄武岩纤维表现出非常宽的工作温度范 围和出色的抗高温性能。在−200°C至700°C 范围内的高热稳定性主要与玄武岩的材料特征有关，玄武岩在非常高的温度下成核。

二、玄武岩纤维/气凝胶复合材料的制备流程:

通过浇注成型法制备玄武岩纤维/SiO2气凝胶复合隔热材料，浇注成型法是在二氧化硅气凝胶合成之前，将短切玄武岩纤维制成具有一定力学性能的玄武岩纤维骨架预制体，然后将纤维骨架放到配制好的SiO2溶胶中，老化，改性，分级干燥，制得玄武岩纤维/SiO2气凝胶复合材料。这种方法是使纤维预先成型，所以在和气凝胶复合之前就具有一定的力学性能，复合之后，玄武岩纤维骨架对气凝胶起到了骨架支撑的作用，同时气凝胶的加入也会降低纤维骨架的导热率。

三、玄武岩纤维/SiO2气凝胶复合隔热材料的性能分析:

1 热稳定性

玄武岩纤维骨架的加入有助于提高二氧化硅气凝胶的热稳定性，并且复合材料中的失重 主要是由于二氧化硅气凝胶的失重，玄武岩纤维在 700℃以下几乎不发生分解。这也说明了玄 武岩纤维增强的 SiO2 气凝胶具有良好的热稳定性。

玄武岩纤维/SiO2 气凝胶复合材料（纤维体积密度为 0.49 g/cm3）的热失重曲线图

2 力学性能

当纤维骨架的纤维体积密度较低时，纤维骨架增强体本身的力学性能就不高，加入气凝胶后骨架中依然存在大量孔洞结构，并 且纤维与气凝胶的结合强度不是很高，所以此时制备出的复合材料的力学性能就很低。随着纤 维用量的增多，纤维骨架预制体本身力学性能的增强导致了复合材料力学性能的增强。

3 隔热性能

随着纤维体积密度的增加，复合材料的导热率也在随之增大。这是因为随着纤维骨架中纤维含量的增多，复合材料中形成的导热路径变多，并且气凝胶的含量减少，此时材料整体的传热变成了纤维之间的传热，所以复合材料的导热率会随之增加。

玄武岩纤维骨架纤维体积密度对复合材料导热率的影响

来源：[1]郑王波. 玄武岩纤维/SiO_2气凝胶复合隔热材料的制备及性能研究[D].南京航空航天大学,2021.DOI:10.27239/d.cnki.gnhhu.2021.000900.

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