目前，世界范圍內的能源和環境問題日益凸顯，節能減排是實現可持續發展的有效途徑。隔熱材料可以有效提高資源利用率，達到節能減排的目的。SiO2氣凝膠是一種具有極高孔隙率和較大比表面積的材料，這也導致了二氧化硅氣凝膠材料在常溫常壓下具有很低的導熱系數，這樣優良的熱學性能也讓二氧化硅氣凝膠廣泛應用于隔熱材料鄰域。但是，二氧化硅氣凝膠極高的孔隙率也導致了其韌性差，機械強度很低，這也影響了它在隔熱材料鄰域的應用，所以為了提高氣凝膠材料的力學性能，選用玄武巖纖維骨架作為增強體，采用澆注成型法，制備出滿足隔熱要求的玄武巖纖維増韌SiO2氣凝膠隔熱材料。

玄武巖在化學上富含鎂，鈣，鈉，鉀，硅和鐵的氧化物，以及微量的氧化鋁。玄武巖豐富，占地殼的33％。玄武巖是一種生態純凈的物質，具有廣泛的應用范圍。玄武巖纖維的絕熱能力也是石棉的三倍，玄武巖的磨蝕只會產生沒有呼吸危害的粗纖維碎片，玄武巖纖維對水不具有反應性，不會造成空氣污染，它具有良好的生物持久性，并已在美國和歐洲制成無標簽材料。

玄武巖纖維主要用于結構和電氣技術目的，其應用包括電磁屏蔽結構，汽車，飛機，船舶和家用電器組件，由于其固有的熱性能，機織和編織玄武巖纖維均被用于制造公共交通系統的防火材料，床墊中的玄武巖襯里通常用于防止意外起火，用這些纖維增強的玻璃被用于光機械應用。玄武巖纖維由細粉狀的玄武巖制成，在1500–1700℃左右的溫度下熔化，生成玻璃狀熔融液體，然后將其擠壓成細線狀。玄武巖纖維的基本力學性能與其他商用纖維的比較，表明玄武巖具有出色的拉伸強度和良好的模量。

玄武巖中化學成分的百分比分布

玄武巖纖維的典型機械性能

一、玄武巖纖維的性能:

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1 機械性能

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玄武巖纖維在張力下表現出彈性，實際上表現為線性應力-應變關系，直到脆性破壞。玄武巖纖維的拉伸強度高于玻璃纖維，其結果可與碳纖維相當或更低。此外，盡管碳纖維的特征在于有優異的彈性模量，但玄武巖纖維的剛度卻可以與玻璃纖維完全媲美。

2 化學穩定性

玄武巖纖維長時間暴露于堿或酸成分會影響其機械性能，通常會導致質量損失和強度降低。所以，用玄武巖纖維增強的復合材料的機械性能可能經歷降解過程。

一些實驗研究解決了在堿性（NaOH）或酸（HCl）溶液中纖維處理對機械性能的影響。證實了對于玄武巖纖維而言，其耐酸性要比對堿的耐受性好得多。特別是，現有證據清楚地證明，玄武巖纖維的耐酸性在質量損失率和拉伸強度維持率方面都比玻璃纖維大。

3 熱學性能

在熱性能方面，與最常見的纖維類型相比，玄武巖纖維表現出非常寬的工作溫度范 圍和出色的抗高溫性能。在?200°C至700°C 范圍內的高熱穩定性主要與玄武巖的材料特征有關，玄武巖在非常高的溫度下成核。

二、玄武巖纖維/氣凝膠復合材料的制備流程:

通過澆注成型法制備玄武巖纖維/SiO2氣凝膠復合隔熱材料，澆注成型法是在二氧化硅氣凝膠合成之前，將短切玄武巖纖維制成具有一定力學性能的玄武巖纖維骨架預制體，然后將纖維骨架放到配制好的SiO2溶膠中，老化，改性，分級干燥，制得玄武巖纖維/SiO2氣凝膠復合材料。這種方法是使纖維預先成型，所以在和氣凝膠復合之前就具有一定的力學性能，復合之后，玄武巖纖維骨架對氣凝膠起到了骨架支撐的作用，同時氣凝膠的加入也會降低纖維骨架的導熱率。

三、玄武巖纖維/SiO2氣凝膠復合隔熱材料的性能分析:

1 熱穩定性

玄武巖纖維骨架的加入有助于提高二氧化硅氣凝膠的熱穩定性，并且復合材料中的失重 主要是由于二氧化硅氣凝膠的失重，玄武巖纖維在 700℃以下幾乎不發生分解。這也說明了玄 武巖纖維增強的 SiO2 氣凝膠具有良好的熱穩定性。

玄武巖纖維/SiO2 氣凝膠復合材料（纖維體積密度為 0.49 g/cm3）的熱失重曲線圖

2 力學性能

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當纖維骨架的纖維體積密度較低時，纖維骨架增強體本身的力學性能就不高，加入氣凝膠后骨架中依然存在大量孔洞結構，并 且纖維與氣凝膠的結合強度不是很高，所以此時制備出的復合材料的力學性能就很低。隨著纖 維用量的增多，纖維骨架預制體本身力學性能的增強導致了復合材料力學性能的增強。

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3 隔熱性能

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隨著纖維體積密度的增加，復合材料的導熱率也在隨之增大。這是因為隨著纖維骨架中纖維含量的增多，復合材料中形成的導熱路徑變多，并且氣凝膠的含量減少，此時材料整體的傳熱變成了纖維之間的傳熱，所以復合材料的導熱率會隨之增加。

玄武巖纖維骨架纖維體積密度對復合材料導熱率的影響

來源：[1]鄭王波. 玄武巖纖維/SiO_2氣凝膠復合隔熱材料的制備及性能研究[D].南京航空航天大學,2021.DOI:10.27239/d.cnki.gnhhu.2021.000900.

原文始發于微信公眾號（艾邦氣凝膠論壇）：玄武巖纖維/SiO2氣凝膠復合隔熱材料的制備及性能研究