应用高阻燃气凝胶有效改善新能源机动车动力系统防火性能的探究
摘要：随着我国新能源战略的实施和新能源汽车的发展，新能源机动车逐渐进入千家万户，新能源机动车引发的车辆火灾以及车辆自燃事故也日益增多。新能源机动车一旦燃烧，短时间内即可造成较大经济损失，并威胁人们的生命安全，逐渐成为社会关注的热点问题。由于新能源机动车的动力系统主要由锂电池组和充电机构成，这些也是火灾发生的主要隐患，因此，结合新能源机动车在火灾机理、火灾荷载、烟气特性等方面的特点，制备高阻燃性气凝胶材料并将其设置在新能源机动车的动力系统部位，通过实验可知，高阻燃气凝胶能够有效降低放热连锁反应出现的概率，最大限度降低该类机车的火灾风险。
1新能源机动车火灾特点
近年来，我国国民经济及新能源技术飞速发展，大量新能源机动车逐步取代高能耗、高污染的燃油汽车大量进入千家万户，随着新能源机动车的普及，人们逐渐发现此类车在运行过程中容易引发突发性的火灾及爆燃事故，并且新能源机动车在火灾机理、火灾荷载、烟气特性等方面与传统燃油机车存在着显著不同。我国自2013年起结合电动汽车的结构特征，开始对锂电池电动汽车的火灾特点进行逐一研判，从识别、警戒、防护、断电、灭火及火灾后清理等方面研究了锂电池汽车灭火救援措施[1-5]。
新能源机动车在高温、潮湿、浸水等环境下，容易出现电池组故障，发生短路或热失控等，导致电池组起火，新能源汽车发生自燃。该类机动车一旦电池组被点燃，易产生喷出火花和喷射火焰从而导致整辆汽车的燃烧。由于新能源汽车中电池组是相对封闭的，普遍设置于引擎盖或电动车内且电池组外部结构比较复杂。因此，火势处于早期发展阶段时可能不会被注意到，普通灭火剂难以直接覆盖着火处，难以实现快速灭火，导致灭火时间长。与普通可燃物不同，锂电池火灾中，火源来自其内部发生化学反应，其在氧含量较低甚至无氧的环境中仍能够发生火灾，因此电动汽车的火灾事故中应特别注意火灾复燃的风险。普通灭火措施只能扑灭明火，难以阻断其内部化学反应，明火被扑灭后，有相当大的概率会引起火灾复燃。例如，在美国佛罗里达州一辆特斯拉ModelS因以140km/h的速度撞击墙壁而坠毁，导致车辆起火。灭火后车辆从现场移开，之后车辆发生复燃，火灾再次被扑灭后，损坏的车辆到达拖车场时再次复燃。
此外，一旦新能源汽车动力系统形成密闭燃烧状态，一线消防队伍普遍配发的消防水枪射流根本无法有效直击火点，灭火效果也必将大打折扣[1-2]。目前，通过对气凝胶材料基体进行适当的阻燃改性，使其附着于新能源汽车易发生燃烧的动力系统部位，逐渐成了国内外专家针对性改善新能源汽车防火性能的重要研究方向。
由于新能源机动车的动力系统是火灾发生的主要隐患，且锂电池组是发生火灾及爆燃事故的主要部位，一旦以上部位发生火灾很难在短时间内完成有效处置。因此，笔者结合新能源汽车火灾特性，制备高阻燃性气凝胶材料并将其设置在新能源机动车的动力系统部位，当锂电池温度骤变时，气凝胶独特的三维纳米结构能够有效地抑制热量的传递，在燃烧物表面形成高黏度的熔融玻璃质和致密的炭化层，有效切断燃烧过程中的热量传播，起到良好的阻燃效果，从火灾发生的根源上有效遏制，最大限度地降低了新能源汽车的火灾危险性。
2实验部分
2.1 以饱和二氧化碳水溶液为介质的二氧化硅气凝胶的制备方法
2.1.1 硅酸钠溶液的配制
向体积比为1:10的水玻璃溶液加入去蒸馏水中稀释，使用多功能搅拌器在5000r/min条件下均匀搅拌10min，制得质量分数为15%、20%、25%、50%的硅酸钠溶液。
2.1.2 凝胶老化过程
湿凝胶是将稀释后的水玻璃溶液、C1-C4低碳醇、酸和水以1:(5～8):(0.5～1):(1～1.5)的摩尔比混合得到后，加入摩尔比混合为10:(0.3～0.4):(4～6)的C1-C4低碳醇、碱和水；随后向反应体系中加入甲酰胺和异丙醇，硅酸钠与甲酰胺以及异丙醇的摩尔比为1:（0.8～1）:（1～2），再在高压条件下向溶液中通入过饱和二氧化碳水溶液，使用多功能搅拌器均匀搅拌后实施老化处理。
2.1.3 疏水改性过程
将老化处理后的湿凝胶浸泡在饱和二氧化碳水溶液中10～12h直至湿凝胶内充满碳酸溶液；应用摩尔比为1:（0.75～1）的六甲基二硅胺烷对湿凝胶表面进行疏水改性24～32h。
2.1.4 置换干燥过程
利用电热鼓风干燥箱将二氧化碳气体导入经疏水改性处理后的二氧化硅气凝胶，干燥温度为60～80℃，干燥时间为24～30h，制备而成二氧化硅气凝胶。
2.2 以饱和二氧化碳水溶液为介质的二氧化硅气凝胶的表征方法
将制备而成的二氧化硅气凝胶样品烘干至恒重，应用傅里叶变换红外光谱仪对纤维样品置于锗晶体上进行分析，将制备而成的二氧化硅气凝胶样品充分干燥后与溴化钾溶液混合均匀并压制成型，随后放入红外光谱仪中进行分析，该次测试分辨率采用4cm-1，波长范围在4000～400cm-1区间范围内。使用导电胶将制备而成的待测二氧化硅气凝胶样品固定在载玻片上后，通过对其进行间歇性喷金的方式完成待测试样的表面处理，然后通过扫描电子显微镜观察制备而成的二氧化硅气凝胶的表面形貌。将制备而成的二氧化硅气凝胶样品充分干燥后，利用导热系数仪测量制备而成的样品的导热系数，每次测试进行5次平行实验取平均值。将制备而成的二氧化硅气凝胶样品充分干燥后，置于测试用镍隔热电偶组中心线处。该设备主要由48信道无纸记录仪TS-30热流辐射计和K镍隔热电偶组成。其中热流量辐射计通过测定0.3～50μm区间内由燃烧火焰发出的辐射热总量进行测定，每次测试进行4次平行实验取平均值[5]。
图1显示的是硅酸钠溶液质量分数对制备而成的二氧化硅气凝胶导热性能的影响。一种隔热材料的绝热性能必须在该材料体积密度相对较小且材料机体本身孔隙尺寸能够有效防止气态热分子发生热对流现象，并且由该材料基体本身反射或吸收的热辐射能够降低到最低程度。二氧化硅气凝胶就是根据以上的原理来达到超级隔热的效果。材料基体表面的传热作用主要是通过固相传热以及材料基体表面的孔洞之间的气相传热方式予以实现。如图2所示，随着硅酸钠溶液质量分数的增加，应用二氧化碳气体去除湿凝胶孔隙中的水分后，由于热量无法通过固相介质有效实施传递，反应体系中随着硅酸钠溶液质量分数的提高，结构内部的三维网络结构愈发完善，材料基体表面与热量间的接触面积逐渐减小，在范德华力作用下，孔径内的气体被束缚，不能产生自由移动，且材料基体表面能够有效阻挡红外线、紫外线，最大限度地降低了热量的传递速度，从而最大限度地降低了新能源汽车的火灾危险特性。利用TC3000 型导热系数仪进行测量，当硅酸钠溶液质量分数为35%时，制备而出的气凝胶导热系数仅为0.016W/（m·K）。
图3显示的是凝胶过程中以饱和二氧化碳水溶液为介质制备而成的二氧化硅气凝胶材料基体的热辐射通量的相应趋势。通过对4个材料样本在燃烧试验处于稳定燃烧阶段的性能进行比较，4个样本呈现出相同的热辐射通量范围，证明应用凝胶过程中以饱和二氧化碳水溶液为介质制备而成的二氧化硅气凝胶材料基体结构较为均匀。随着测试过程中材料的热辐射通量范围从0.10kW/m2逐渐上升到0.35kW/m2的过程中，材料基体的热辐射通量相对较为稳定，a～d样本热辐射通量沿着轴向从火焰的底部到顶部逐渐减小，通过以上实验，进一步证明了制备而成的气凝胶材料质地均匀，隔热性能良好。材料结构自身除了具有良好的隔热性能，而且对于高温、热量具有良好的阻隔性能，其独特的三维网络结构能够有效阻隔分子形态热量的传递，有效降低热量在材料基体表面的传递效率，当新能源汽车电池有发生火灾或爆燃的趋势时，能及时抑制热量的传递，迅速切断热传播途径，保证机动车的事故范围始终控制在局部空间内，降低对毗邻人员、车辆的危害，有效防止事故规模的扩大。
3结论
本文结合新能源汽车在火灾机理、火灾荷载、烟气特性等方面的特点，以硅酸钠为硅源的二氧化硅气凝胶的制备方法，利用高压条件下过饱和二氧化碳水溶液替代目前常见的加酸凝胶法制备而成新型高阻燃性气凝胶材料，当新能源汽车电池有发生火灾或爆燃的趋势时，高阻燃气凝胶材料能在燃烧物表面形成高黏度的熔融玻璃质和致密的炭化层，有效切断燃烧过程中的热量传播，起到良好的阻燃效果，最大限度降低新能源汽车的火灾危险特性。
