气凝胶应用丨二氧化硅气凝胶复合材料在高速列车领域的应用
摘 要
二氧化硅气凝胶是具有三维骨架结构的开孔纳米材料，具有低密度、低热导率、高孔隙率、高比表面积等优异特性。二氧化硅气凝胶复合材料克服了二氧化硅气凝胶因高孔隙率导致机械强度低的缺陷，现已在诸多领域得到广泛应用。得益于二氧化硅气凝胶的绝热、隔音、阻燃等性能，其复合材料在高速列车轻量化、噪声控制、综合节能和安全防火等方面应用前景广阔。
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二氧化硅气凝胶是以气体为分散介质的高孔隙率无机轻质纳米材料，本身的结构决定其同时具备多种独特优异性能，如低密度、高孔隙率、高比表面积、低折射率、低热导率和低介电常数等。二氧化硅气凝胶在实际应用中呈现出质脆和力学性能差的缺陷，且二氧化硅气凝胶因表面含有大量的Si—OH 而呈亲水性，吸湿或吸水后易造成骨架结构膨胀与破裂，所以不能单独使用。为了使气凝胶的优异特性得到更好的应用，可采用多种工艺（浸泡法、混杂压制成型、沉积法等）将二氧化硅气凝胶加工成复合制品，这些复合材料以超低的导热系数、无机材料的安全性能，以及极佳的憎水和耐久性能，成为材料领域的新星。近年来我国高速列车飞速发展，气凝胶的使用为车辆轻量化、噪声控制、综合节能等技术的突破提供了新材料支撑，现已初步应用在高速列车上。
目前气凝胶领域中二氧化硅气凝胶的研究最多，其生产和制造工艺相对成熟，也是应用最多的氧化物气凝胶。研究者们在前驱体、催化剂、老化工艺、表面改性和干燥工艺的研究选择上不断尝试，最终得到由Si—O—Si 链高度交联，以气体为介质具有三维骨架结构的开孔纳米固体材料。表1 显示了二氧化硅气凝胶的典型性能参数及应用。
表1 二氧化硅气凝胶的典型性能参数及应用
二氧化硅气凝胶
绝热、隔音、阻燃性能
二氧化硅气凝胶高比表面积的特性使材料内部形成了近似无穷多的固/气界面，热量在每一层界面都会发生反射、吸收、透射和再辐射，进而降低热辐射。表2是二氧化硅气凝胶与普通多孔材料传热方式的对比。图1 显示了传统多孔隔热材料与二氧化硅气凝胶的绝热性能对比，从图中可以看出气凝胶的绝热性能明显优于传统隔热材料。相比其他保温材料，二氧化硅气凝胶热导率最低，质量最轻，耐热温度更高。实现相同保温效果，二氧化硅气凝胶厚度不足传统材料的 1/3，厚度更薄，散热面积更小，最大限度节约空间。
表2 二氧化硅气凝胶与普通多孔材料传热方式对比
图1 二氧化硅气凝胶与传统多孔隔热材料绝热性能对比
二氧化硅气凝胶可以作为一种轻质隔音材料应用于高速列车上。当声波穿过孔隙时，由于空气与骨架之间的摩擦，声能转化为热能。同时声波在孔隙中来回反射，引起柔性二氧化硅气凝胶骨架的弦振动，导致能量内部消耗，降低声压强度，达到了降噪的效果。二氧化硅气凝胶极高的孔隙率使其具有比普通多孔材料高数十倍的吸声效果。与此同时，疏水二氧化硅气凝胶具有良好的热稳定性和抗腐蚀性，在高温和恶劣的环境中仍具有良好的吸声性能。目前，常用的吸音材料如石棉、毛毡等在环保、防水、防火和轻量化方面均存在局限性。二氧化硅气凝胶可用作兼具减振降噪和吸声能力的轻质隔音材料。
二氧化硅气凝胶骨架由 Si、O元素键合构成— O—Si 三维网络组成，本身具有较好的阻燃性能。但二氧化硅气凝胶本身亲水，吸收空气中的水分后，综合性能下降，所以工程上应用的都是表面改性过的疏水气凝胶。为了保证二氧化硅气凝胶使用可靠性，一般通过改变前驱体和添加阻燃剂等措施来提高其阻燃性能，结合热稳定性分析和可燃性研究可以得出如下结论：以硅酸钠为前驱体，引入磷酸等磷化合物，可以提高疏水性二氧化硅气凝胶的阻燃性。
二氧化硅气凝胶
复合材料种类
目前，世界上报道的纳米介孔绝热材料均以二氧化硅气凝胶作为纳米孔载体。但现有工艺制备出的超轻气凝胶均存在强度低、韧性差的缺点。目前实用价值较高的气凝胶复合材料都是采取各种方法对二氧化硅气凝胶进行增强增韧，如前驱体改性共聚合、纤维增强材料和聚合物交联增强等。
二氧化硅气凝胶复合材料可分为4大类：掺杂型硅基气凝胶复合材料、涂层型硅基气凝胶复合材料、互穿网络型硅基气凝胶复合材料以及组合型硅基气凝胶复合材料，微结构示意见图2。组合型硅基气凝胶绝热复合材料是将第二相材料以掺杂、涂层或互穿网络的形式组合在一起，以发挥３种复合改性材料的优点，克服缺点，形成综合性能更佳、适用性更好的复合材料。
图2 二氧化硅气凝胶复合材料的微结构示意图
二氧化硅气凝胶复合涂料
在高速列车上的应用
高速列车因运行环境变化大、时速高、厢体夹层空间狭小，设计时青睐于高性能（如保温隔热、防火防爆、减振吸能、隔音降噪等）材料。二氧化硅气凝胶复合材料具有轻质、绝热、隔音、阻燃、疏水以及环保等优异性能，在未来高速列车车体优化设计中具有广泛的潜在应用价值。目前主要的二氧化硅气凝胶复合制品有绝热板、绝热毡、涂料、膜、颗粒、纸和异形件等，部分复合制品如图3 所示。
图3 二氧化硅气凝胶复合制品
二氧化硅气凝胶复合涂料通过利用二氧化硅气凝胶不同的特性，并添加颜填料、助剂等使其具备不同的功能。图4（a）是纳米孔隙结构的二氧化硅气凝胶粉体与耐高温黏结剂体系复合制备而成的阻尼胶，将其涂覆于高速列车车体结构金属板表面，如图4（b）所示。当金属板受到激发而产生弯曲振动时，其振动能迅速传递给紧密贴合的阻尼涂料，阻尼涂料通过内部相应错动和摩擦，使振动能量变为热能而损耗，起到减振降噪的作用。将二氧化硅气凝胶分散在专用高性能树脂乳液中可以制备水性涂料，其性能参数如下：热导率 0. 031 W/(m·K)，密度 120 kg/m3，阻燃性 V0 级，附着力 1. 2 MPa，憎水率不低于 98%。涂料被有效应用在高速列车车体上，可以达到结构减振降噪、隔热和表面防护的目的，实现冬夏季隔热保温，降低空调能耗等作用。图5 是钢结构用气凝胶防火涂料燃烧前后对比。此涂料厚度为3. 0 mm 时，耐火极限时间达2 h（一般防火涂料厚度需要3. 5 mm）；与钢板、铝板等金属材料附着力强，黏结强度大于1. 0 MPa；燃烧后金属板材不变形、不烧蚀，被应用于高速列车的承重钢结构件保护， 可有效阻止火势失控蔓延。
图4 二氧化硅气凝胶隔热阻尼胶及其应用
图5 隔热阻燃涂料燃烧前后形貌对比
二氧化硅气凝胶复合卷材
在高速列车上的应用
列车的不断提速使得车内噪声显著增大，目前高速列车的车厢内壁板和车体之间一般填充多孔材料形成复合隔音结构，设计者基于传递矩阵法设计优化多孔材料、空气层厚度及分层复合材料组合方式。声波在气凝胶的骨架网络中传播，声波能量不断转移而衰减，振幅和速度不断减小，使得气凝胶具有低声速特性，由此气凝胶材料是理想的声学延迟及高温隔音材料。设计者通过采用二氧化硅气凝胶复合卷材，可以减轻分层复合材料的整体质量，减少多孔材料的使用量，实现低噪声、轻量化、低能耗的设计目标。
市场上现有的二氧化硅气凝胶复合卷材热导率是传统材料的 1/5~1/3，有效减小隔热层厚度，热导率随温度上升而增加的趋势非常缓慢。防火等级可达建筑材料A 级，在火焰下不产生烟雾、熔滴物和有害气体，憎水率不低于 99. 8%，吸湿率不高于 0. 5%，具有极强的防水性能，可以避免材料因进水而沉降的问题，即使长期使用也无需更换，具有良好的抗热冲刷能力，可以任意裁剪，安装使用方便。生产厂家一般能根据客户需求对产品规格进行定制，二氧化硅气凝胶保温毡技术参数如下：热导率0.017W/(m·K)，密度160kg/m3，抗拉强度1. 409 MPa，憎水率99. 9%。图6 是某高速列车将5 mm 厚二氧化硅气凝胶绝热毡应用到平顶区的防寒材结构，采用封闭涂层处理工艺，不仅减小了结构体积和质量，而且提高了防寒降噪效果。
二氧化硅气凝胶与玻璃纤维、陶瓷纤维或者碳纤维等复合后得到毡类制品，虽隔热效果较好，但是表面纤维容易断裂、粉化，造成浮纤或粉末污染。为解决该问题，可将气凝胶复合层的外部覆盖一层更高强度、高韧性的材料，如膨体聚四氟乙烯和阻燃聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的复合层，如图7 所示。
图6 二氧化硅气凝胶绝热毡在高速列车中的应用
图7 新型二氧化硅气凝胶隔热毡
二氧化硅气凝胶复合材料
在高速列车上的其他应用
目前，二氧化硅气凝胶复合材料在高速列车上的应用刚刚起步，大多作为小型辅助件配合主要部件完成对应技术要求。作为 21 世纪最具前景的新型节能环保材料，二氧化硅气凝胶复合材料正在以更多的产品形式丰富着市场。除了前文介绍的板材、卷材等，二氧化硅气凝胶玻璃作为新兴的节能玻璃也具备着诸多优势，如隔热、隔音降噪、抗风压性能好，无冷热自爆隐患，较好的透光性能，防结露且寿命可长达 30 年以上等。高速列车（以复兴号为例）的窗面积占车体表面积的5. 8% 左右，因行车过程产生的环境变化，这些开放面积对窗玻璃的要求极高，二氧化硅气凝胶玻璃的综合性能良好，具有潜在开发价值。另外，二氧化硅气凝胶作为一种新型的动能吸收材料，在吸能缓冲领域已经表现出广泛的应用前景。350 km/h 标准动车组和城际铁路客车的头部都使用了特殊的防爆减振材料，通过现有试验研究可知，二氧化硅气凝胶复合材料在高速列车头部特殊位置也具有开发应用价值。
结 论
分析介绍二氧化硅气凝胶复合材料的结构性能优势，着眼高速列车车体轻量化、噪声控制、综合节能和安全防火等方面的需求，综合考虑二氧化硅气凝胶复合材料质轻、绝热、隔音、阻燃、防腐、减振等特性，二氧化硅气凝胶复合材料作为重要的绿色环保新材料能够为高速列车未来发展提供新材料支撑。目前二氧化硅气凝胶复合材料在列车车体上的应用仍处于初级阶段，不同性能优势的综合应用仍需要不断的探索。
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