二氧化硅氣凝膠是以氣體為分散介質(zhì)的高孔隙率無(wú)機(jī)輕質(zhì)納米材料，本身的結(jié)構(gòu)決定其同時(shí)具備多種獨(dú)特優(yōu)異性能，如低密度、高孔隙率、高比表面積、低折射率、低熱導(dǎo)率和低介電常數(shù)等。二氧化硅氣凝膠在實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)出質(zhì)脆和力學(xué)性能差的缺陷，且二氧化硅氣凝膠因表面含有大量的Si—OH 而呈親水性，吸濕或吸水后易造成骨架結(jié)構(gòu)膨脹與破裂，所以不能單獨(dú)使用。為了使氣凝膠的優(yōu)異特性得到更好的應(yīng)用，可采用多種工藝（浸泡法、混雜壓制成型、沉積法等）將二氧化硅氣凝膠加工成復(fù)合制品，這些復(fù)合材料以超低的導(dǎo)熱系數(shù)、無(wú)機(jī)材料的安全性能，以及極佳的憎水和耐久性能，成為材料領(lǐng)域的新星。近年來(lái)我國(guó)高速列車(chē)飛速發(fā)展，氣凝膠的使用為車(chē)輛輕量化、噪聲控制、綜合節(jié)能等技術(shù)的突破提供了新材料支撐，現(xiàn)已初步應(yīng)用在高速列車(chē)上。

目前氣凝膠領(lǐng)域中二氧化硅氣凝膠的研究最多，其生產(chǎn)和制造工藝相對(duì)成熟，也是應(yīng)用最多的氧化物氣凝膠。研究者們?cè)谇膀?qū)體、催化劑、老化工藝、表面改性和干燥工藝的研究選擇上不斷嘗試，最終得到由Si—O—Si 鏈高度交聯(lián)，以氣體為介質(zhì)具有三維骨架結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔納米固體材料。表1 顯示了二氧化硅氣凝膠的典型性能參數(shù)及應(yīng)用。

二氧化硅氣凝膠高比表面積的特性使材料內(nèi)部形成了近似無(wú)窮多的固/氣界面，熱量在每一層界面都會(huì)發(fā)生反射、吸收、透射和再輻射，進(jìn)而降低熱輻射。表2是二氧化硅氣凝膠與普通多孔材料傳熱方式的對(duì)比。圖1 顯示了傳統(tǒng)多孔隔熱材料與二氧化硅氣凝膠的絕熱性能對(duì)比，從圖中可以看出氣凝膠的絕熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)隔熱材料。相比其他保溫材料，二氧化硅氣凝膠熱導(dǎo)率最低，質(zhì)量最輕，耐熱溫度更高。實(shí)現(xiàn)相同保溫效果，二氧化硅氣凝膠厚度不足傳統(tǒng)材料的 1/3，厚度更薄，散熱面積更小，最大限度節(jié)約空間。

圖1 二氧化硅氣凝膠與傳統(tǒng)多孔隔熱材料絕熱性能對(duì)比

二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料可分為4大類(lèi)：摻雜型硅基氣凝膠復(fù)合材料、涂層型硅基氣凝膠復(fù)合材料、互穿網(wǎng)絡(luò)型硅基氣凝膠復(fù)合材料以及組合型硅基氣凝膠復(fù)合材料，微結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。組合型硅基氣凝膠絕熱復(fù)合材料是將第二相材料以摻雜、涂層或互穿網(wǎng)絡(luò)的形式組合在一起，以發(fā)揮３種復(fù)合改性材料的優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)，形成綜合性能更佳、適用性更好的復(fù)合材料。

高速列車(chē)因運(yùn)行環(huán)境變化大、時(shí)速高、廂體夾層空間狹小，設(shè)計(jì)時(shí)青睞于高性能（如保溫隔熱、防火防爆、減振吸能、隔音降噪等）材料。二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料具有輕質(zhì)、絕熱、隔音、阻燃、疏水以及環(huán)保等優(yōu)異性能，在未來(lái)高速列車(chē)車(chē)體優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值。目前主要的二氧化硅氣凝膠復(fù)合制品有絕熱板、絕熱氈、涂料、膜、顆粒、紙和異形件等，部分復(fù)合制品如圖3 所示。

二氧化硅氣凝膠復(fù)合涂料通過(guò)利用二氧化硅氣凝膠不同的特性，并添加顏填料、助劑等使其具備不同的功能。圖4（a）是納米孔隙結(jié)構(gòu)的二氧化硅氣凝膠粉體與耐高溫黏結(jié)劑體系復(fù)合制備而成的阻尼膠，將其涂覆于高速列車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)金屬板表面，如圖4（b）所示。當(dāng)金屬板受到激發(fā)而產(chǎn)生彎曲振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)能迅速傳遞給緊密貼合的阻尼涂料，阻尼涂料通過(guò)內(nèi)部相應(yīng)錯(cuò)動(dòng)和摩擦，使振動(dòng)能量變?yōu)闊崮芏鴵p耗，起到減振降噪的作用。將二氧化硅氣凝膠分散在專(zhuān)用高性能樹(shù)脂乳液中可以制備水性涂料，其性能參數(shù)如下：熱導(dǎo)率 0. 031 W/(m·K)，密度 120 kg/m3，阻燃性 V0 級(jí)，附著力 1. 2 MPa，憎水率不低于 98%。涂料被有效應(yīng)用在高速列車(chē)車(chē)體上，可以達(dá)到結(jié)構(gòu)減振降噪、隔熱和表面防護(hù)的目的，實(shí)現(xiàn)冬夏季隔熱保溫，降低空調(diào)能耗等作用。圖5 是鋼結(jié)構(gòu)用氣凝膠防火涂料燃燒前后對(duì)比。此涂料厚度為3. 0 mm 時(shí)，耐火極限時(shí)間達(dá)2 h（一般防火涂料厚度需要3. 5 mm）；與鋼板、鋁板等金屬材料附著力強(qiáng)，黏結(jié)強(qiáng)度大于1. 0 MPa；燃燒后金屬板材不變形、不燒蝕，被應(yīng)用于高速列車(chē)的承重鋼結(jié)構(gòu)件保護(hù)， 可有效阻止火勢(shì)失控蔓延。

圖4 二氧化硅氣凝膠隔熱阻尼膠及其應(yīng)用

二氧化硅氣凝膠與玻璃纖維、陶瓷纖維或者碳纖維等復(fù)合后得到氈類(lèi)制品，雖隔熱效果較好，但是表面纖維容易斷裂、粉化，造成浮纖或粉末污染。為解決該問(wèn)題，可將氣凝膠復(fù)合層的外部覆蓋一層更高強(qiáng)度、高韌性的材料，如膨體聚四氟乙烯和阻燃聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維的復(fù)合層，如圖7 所示。

圖6 二氧化硅氣凝膠絕熱氈在高速列車(chē)中的應(yīng)用

目前，二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料在高速列車(chē)上的應(yīng)用剛剛起步，大多作為小型輔助件配合主要部件完成對(duì)應(yīng)技術(shù)要求。作為 21 世紀(jì)最具前景的新型節(jié)能環(huán)保材料，二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料正在以更多的產(chǎn)品形式豐富著市場(chǎng)。除了前文介紹的板材、卷材等，二氧化硅氣凝膠玻璃作為新興的節(jié)能玻璃也具備著諸多優(yōu)勢(shì)，如隔熱、隔音降噪、抗風(fēng)壓性能好，無(wú)冷熱自爆隱患，較好的透光性能，防結(jié)露且壽命可長(zhǎng)達(dá) 30 年以上等。高速列車(chē)（以復(fù)興號(hào)為例）的窗面積占車(chē)體表面積的5. 8% 左右，因行車(chē)過(guò)程產(chǎn)生的環(huán)境變化，這些開(kāi)放面積對(duì)窗玻璃的要求極高，二氧化硅氣凝膠玻璃的綜合性能良好，具有潛在開(kāi)發(fā)價(jià)值。另外，二氧化硅氣凝膠作為一種新型的動(dòng)能吸收材料，在吸能緩沖領(lǐng)域已經(jīng)表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。350 km/h 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組和城際鐵路客車(chē)的頭部都使用了特殊的防爆減振材料，通過(guò)現(xiàn)有試驗(yàn)研究可知，二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料在高速列車(chē)頭部特殊位置也具有開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。