目前，世界范圍內(nèi)的能源和環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，節(jié)能減排是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。隔熱材料可以有效提高資源利用率，達(dá)到節(jié)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(dǎo)致了二氧化硅氣凝膠材料在常溫常壓下具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)，這樣優(yōu)良的熱學(xué)性能也讓二氧化硅氣凝膠廣泛應(yīng)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(dǎo)致了其韌性差，機(jī)械強(qiáng)度很低，這也影響了它在隔熱材料鄰域的應(yīng)用，所以為了提高氣凝膠材料的力學(xué)性能，選用玄武巖纖維骨架作為增強(qiáng)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(xué)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(tài)純凈的物質(zhì)，具有廣泛的應(yīng)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(huì)產(chǎn)生沒(méi)有呼吸危害的粗纖維碎片，玄武巖纖維對(duì)水不具有反應(yīng)性，不會(huì)造成空氣污染，它具有良好的生物持久性，并已在美國(guó)和歐洲制成無(wú)標(biāo)簽材料。
玄武巖纖維主要用于結(jié)構(gòu)和電氣技術(shù)目的，其應(yīng)用包括電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，汽車，飛機(jī)，船舶和家用電器組件，由于其固有的熱性能，機(jī)織和編織玄武巖纖維均被用于制造公共交通系統(tǒng)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(qiáng)的玻璃被用于光機(jī)械應(yīng)用。玄武巖纖維由細(xì)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(xì)線狀。玄武巖纖維的基本力學(xué)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(qiáng)度和良好的模量。
玄武巖中化學(xué)成分的百分比分布
玄武巖纖維的典型機(jī)械性能
一、玄武巖纖維的性能:
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1 機(jī)械性能
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玄武巖纖維在張力下表現(xiàn)出彈性，實(shí)際上表現(xiàn)為線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，直到脆性破壞。玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度高于玻璃纖維，其結(jié)果可與碳纖維相當(dāng)或更低。此外，盡管碳纖維的特征在于有優(yōu)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(xué)穩(wěn)定性
玄武巖纖維長(zhǎng)時(shí)間暴露于堿或酸成分會(huì)影響其機(jī)械性能，通常會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量損失和強(qiáng)度降低。所以，用玄武巖纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的機(jī)械性能可能經(jīng)歷降解過(guò)程。
一些實(shí)驗(yàn)研究解決了在堿性（NaOH）或酸（HCl）溶液中纖維處理對(duì)機(jī)械性能的影響。證實(shí)了對(duì)于玄武巖纖維而言，其耐酸性要比對(duì)堿的耐受性好得多。特別是，現(xiàn)有證據(jù)清楚地證明，玄武巖纖維的耐酸性在質(zhì)量損失率和拉伸強(qiáng)度維持率方面都比玻璃纖維大。
3 熱學(xué)性能
在熱性能方面，與最常見(jiàn)的纖維類型相比，玄武巖纖維表現(xiàn)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(nèi)的高熱穩(wěn)定性主要與玄武巖的材料特征有關(guān)，玄武巖在非常高的溫度下成核。
二、玄武巖纖維/氣凝膠復(fù)合材料的制備流程:
通過(guò)澆注成型法制備玄武巖纖維/SiO2氣凝膠復(fù)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(xué)性能的玄武巖纖維骨架預(yù)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(jí)干燥，制得玄武巖纖維/SiO2氣凝膠復(fù)合材料。這種方法是使纖維預(yù)先成型，所以在和氣凝膠復(fù)合之前就具有一定的力學(xué)性能，復(fù)合之后，玄武巖纖維骨架對(duì)氣凝膠起到了骨架支撐的作用，同時(shí)氣凝膠的加入也會(huì)降低纖維骨架的導(dǎo)熱率。
三、玄武巖纖維/SiO2氣凝膠復(fù)合隔熱材料的性能分析:
1 熱穩(wěn)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(wěn)定性，并且復(fù)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(fā)生分解。這也說(shuō)明了玄 武巖纖維增強(qiáng)的 SiO2 氣凝膠具有良好的熱穩(wěn)定性。
玄武巖纖維/SiO2 氣凝膠復(fù)合材料（纖維體積密度為 0.49 g/cm3）的熱失重曲線圖
2 力學(xué)性能
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當(dāng)纖維骨架的纖維體積密度較低時(shí)，纖維骨架增強(qiáng)體本身的力學(xué)性能就不高，加入氣凝膠后骨架中依然存在大量孔洞結(jié)構(gòu)，并 且纖維與氣凝膠的結(jié)合強(qiáng)度不是很高，所以此時(shí)制備出的復(fù)合材料的力學(xué)性能就很低。隨著纖 維用量的增多，纖維骨架預(yù)制體本身力學(xué)性能的增強(qiáng)導(dǎo)致了復(fù)合材料力學(xué)性能的增強(qiáng)。
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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(fù)合材料的導(dǎo)熱率也在隨之增大。這是因?yàn)殡S著纖維骨架中纖維含量的增多，復(fù)合材料中形成的導(dǎo)熱路徑變多，并且氣凝膠的含量減少，此時(shí)材料整體的傳熱變成了纖維之間的傳熱，所以復(fù)合材料的導(dǎo)熱率會(huì)隨之增加。
玄武巖纖維骨架纖維體積密度對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱率的影響
來(lái)源：[1]鄭王波. 玄武巖纖維/SiO_2氣凝膠復(fù)合隔熱材料的制備及性能研究[D].南京航空航天大學(xué),2021.DOI:10.27239/d.cnki.gnhhu.2021.000900.
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氣凝膠論壇）：玄武巖纖維/SiO2氣凝膠復(fù)合隔熱材料的制備及性能研究