艦船用隔熱絕緣材料研究現(xiàn)狀

段 晨，國(guó)占東，白宗良，周愛(ài)民，余 濤，徐宇哲

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064；2. 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

艦船用隔熱絕緣材料研究現(xiàn)狀

段 晨1，國(guó)占東1，白宗良2，周愛(ài)民1，余 濤1，徐宇哲1

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064；2. 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

艦船用保溫絕緣材料的相關(guān)研究在船舶設(shè)計(jì)及建造過(guò)程中長(zhǎng)期受到學(xué)者們的關(guān)注。隔熱絕緣材料性能的優(yōu)劣不僅影響到艦船的居住環(huán)境、安全性和服役壽命，甚至關(guān)系到部隊(duì)的戰(zhàn)斗力。本文首先對(duì)材料的隔熱保溫原理進(jìn)行分析，并依據(jù)材質(zhì)的不同對(duì)艦船領(lǐng)域涉及到的無(wú)機(jī)、有機(jī)、氣凝膠超級(jí)隔熱材料及由上述材料復(fù)合而成的復(fù)合隔熱材料的種類、組成、性能及應(yīng)用進(jìn)行回顧總結(jié)；其次對(duì)艦船用隔熱保溫材料尚需解決的問(wèn)題進(jìn)行分析，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

隔熱保溫；無(wú)機(jī)材料；有機(jī)泡沫材料；氣凝膠；復(fù)合材料

0 引 言

在各類艦船上廣泛應(yīng)用的隔熱保溫材料主要發(fā)揮維持艙室適宜的工作和生活環(huán)境、防火及對(duì)熱力管道等進(jìn)行隔熱保溫的作用。其性能的優(yōu)劣直接影響到艦船環(huán)境的舒適性、艦船的安全性與服役壽命，甚至部隊(duì)的戰(zhàn)斗力[1]。

高性能隔熱保溫材料應(yīng)滿足以下基本條件：一是隔熱保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)要低；二是容重要低，空氣含量越高，隔熱效率越高；三是必須阻燃、耐油和低煙。此外，良好的隔熱保溫材料還需滿足環(huán)境條件（溫度、壓力等）的要求，且具有無(wú)毒、無(wú)難聞氣味、防細(xì)菌寄生及施工方便等性能。特別地，在艦船上使用的隔熱保溫材料還需適應(yīng)海洋行駛的高濕度、高鹽霧環(huán)境。因此，艦船用隔熱保溫材料還需具備良好的耐鹽霧性能和低吸濕性，防止在使用過(guò)程中被腐蝕或因吸收水汽導(dǎo)致其熱傳導(dǎo)系數(shù)急劇上升。

由傳熱學(xué)理論可知，熱量在材料中的傳遞是在溫度差的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)分子相互碰撞、分子振動(dòng)等形式實(shí)現(xiàn)，可分為以下 3 種模式：

1）熱傳導(dǎo)。相互接觸的物體通過(guò)分子、原子或電子的移動(dòng)或振動(dòng)傳遞熱量。固體的熱傳導(dǎo)能力優(yōu)于氣體，因此對(duì)隔熱性能的影響大，當(dāng)處于真空條件下時(shí)，這種差異會(huì)更加明顯[2]。

2）熱對(duì)流。氣體或液體的宏觀流動(dòng)引起的熱傳遞，可由外部原因或是內(nèi)部溫度場(chǎng)所致的密度不同引起。

3）熱輻射。任何物體都具有吸收或放射輻射能的能力。隨著溫度升高，輻射傳熱急劇加強(qiáng)同時(shí)，氣孔及空隙的增多也會(huì)使輻射傳熱量增大。

從熱量傳遞的原理可看出，實(shí)現(xiàn)隔熱的原理主要是提高材料中氣體含量以降低熱傳導(dǎo)、引入閉孔結(jié)構(gòu)以降低熱對(duì)流及開(kāi)發(fā)熱輻射對(duì)溫度依賴性低的材料。

目前，在艦船上使用的隔熱保溫材料種類繁多，按其組成不同，可分為無(wú)機(jī)非金屬多孔隔熱材料、高分子泡沫隔熱材料、金屬隔熱材料和上述材料組成的復(fù)合隔熱材料。值得一提的是，近年來(lái)在隔熱保溫領(lǐng)域備受關(guān)注的氣凝膠類納米孔超級(jí)絕熱材料，其基體既可以是無(wú)機(jī)物（SiO2和 Al2O3等）也可以是有機(jī)物（聚酰亞胺等），且隔熱保溫性能極為突出。除金屬隔熱材料外，本文將對(duì)各種隔熱保溫材料的種類與性能特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 無(wú)機(jī)非金屬隔熱材料

無(wú)機(jī)非金屬隔熱材料主要由多孔性的無(wú)機(jī)物組成，具有耐熱性能優(yōu)異、老化穩(wěn)定性好、阻燃、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)。最早期的無(wú)機(jī)隔熱保溫材料為石棉纖維類的，因其對(duì)人體有害，已停止使用。此后，國(guó)內(nèi)外艦船上廣泛采用的無(wú)機(jī)非金屬類隔熱保溫材料主要有纖維類的，如陶瓷棉、玻璃棉、巖棉等；此外，由硅酸鈣板、膨脹蛭石、膨脹珍珠巖等制成的多孔性材料也成為了無(wú)機(jī)非金屬隔熱材料的常用選擇[1]。

1.1 纖維類隔熱材料

陶瓷棉是陶瓷材料經(jīng)高溫熔融后吹制成的一種耐高溫材料。國(guó)內(nèi)于 20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始生產(chǎn)陶瓷棉。其優(yōu)點(diǎn)主要有：1）容重低，氣體含量高，隔熱性能好；2）導(dǎo)熱系數(shù)較低，且隨溫度變化小，如 200 ℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.05 W/m·K，在 1 200 ℃ 時(shí)仍為 0.30 W/m·K以下；3）對(duì)人體皮膚刺激性較小，便于施工和維護(hù)；4）耐火性能和耐熱性能（＞ 900 ℃）優(yōu)異。因此，玻璃棉制品特別適用于艦船上溫度較高的熱力管道及耐火等級(jí)要求嚴(yán)格的艙室隔熱材料。

玻璃棉是以熔融狀態(tài)的石英砂和回收玻璃為原料，輔以其他隔熱材料、空氣隔層及襯板，經(jīng)特殊工藝制備的一種無(wú)堿超細(xì)玻璃纖維。它的特點(diǎn)是纖維直徑可以很細(xì)，因此制品的容重可以很低。在發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)制造工藝下，玻璃棉纖維直徑可以小到 1 μm左右，相應(yīng)的產(chǎn)品容重可低至 20 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.034 W/m·K，且保持很高的強(qiáng)度和很好的絕熱性能。此外，它還具備不燃燒、不腐爛、耐酸耐油等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，玻璃棉在 20 世紀(jì) 70 年代就被用作美國(guó)海軍艦船的艙室及潛艇的圍殼絕緣材料。

巖棉制品是采用優(yōu)質(zhì)玄武巖、白云石等為主要原料，在 1 450 ℃ 以上的高溫下熔融，之后經(jīng)四軸離心機(jī)高速離心成直徑為 5 μm左右的纖維。巖棉制品的優(yōu)點(diǎn)在于容重低、耐火性好且價(jià)格低廉；但也存在著纖維直徑較大、脆性較大、耐熱性欠佳（＜ 800 ℃）、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化敏感、對(duì)皮膚刺激性及吸濕性強(qiáng)等諸多缺點(diǎn)。

1.2 多孔性隔熱材料

硅酸鈣制品是硅藻土、消石灰等為主要原料，以纖維為增強(qiáng)填料，經(jīng)若干工序制成的一種多孔材料。在艦船上應(yīng)用的該制品主要有 2 種：一種是可用作防火圍壁的高強(qiáng)度硅酸鈣板材；一種是可用作船舶的高能管道隔熱的低密度絕緣材料[3]。

膨脹珍珠巖是天然珍珠巖經(jīng)預(yù)熱焙燒、高溫膨化而成的一種蜂窩型粒狀材料，導(dǎo)熱系數(shù)約為 0.076 W/m·K，其制品在建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其施工時(shí)對(duì)基體的適應(yīng)性強(qiáng)，不受基礎(chǔ)造型的影響，可涂膜平整。膨脹珍珠巖具有保溫性能好、制備工藝簡(jiǎn)便、無(wú)毒、不燃等優(yōu)點(diǎn)，但吸水率偏高是其致命的缺點(diǎn)。

膨脹蛭石是由蛭石煅燒、膨化而成的一種輕質(zhì)多孔材料，它具有很好的性能，如低容重（80～120 kg/m3）、低導(dǎo)熱系數(shù)（0.04～0.18 W/m·K）和相對(duì)高的熔點(diǎn)（1 240 ℃ ～ 1 430 ℃），并且其具有化學(xué)惰性、耐用性和對(duì)安全環(huán)保的特點(diǎn)[4]。其突出的優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化不敏感，在 350 ℃ 時(shí)，為 0.09～0.16 W/m·K；在 650 ℃ 時(shí)，為 0.11～0.18 W/m·K，因此特別適用于高溫條件下的隔熱材料。

1.3 其他無(wú)機(jī)隔熱材料

除上述早期應(yīng)用較為廣泛的“三棉”、“三板”類無(wú)機(jī)隔熱材料之外，還有堿土金屬硅酸鹽纖維、玄武巖纖維、多晶莫來(lái)石纖維及無(wú)機(jī)氣凝膠納米孔材料。

盡管無(wú)機(jī)隔熱材料具有其特殊的優(yōu)勢(shì)，但也存在以下不足：1）導(dǎo)熱系數(shù)較高導(dǎo)致隔熱性能偏低；2）容重偏高，影響有效載重，不利于節(jié)省艦船空間；3）表面的羥基等親水基團(tuán)易吸潮，使導(dǎo)熱系數(shù)增大，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致析晶，造成纖維材料粉化失效；4）其殘留物的高腐蝕性會(huì)造成使用安全隱患，無(wú)形增加了后期維護(hù)保養(yǎng)成本。

2 有機(jī)泡沫隔熱材料

由聚合物材料經(jīng)發(fā)泡形成的結(jié)構(gòu)含多孔的有機(jī)泡沫材料構(gòu)成了隔熱材料一個(gè)重要的分支，兼具容重低、柔性好、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸濕性差的優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)有機(jī)泡沫隔熱材料的性能參數(shù)如表1 所示。

表1 常見(jiàn)有機(jī)泡沫保溫材料性能參數(shù)Tab. 1 Normal organic foamfor thermal insulatingmaterials and there properties

2.1 聚氨酯（PU）泡沫隔熱材料

聚氨酯泡沫是在制備線型聚氨酯的過(guò)程中，添加催化劑、發(fā)泡劑等，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)發(fā)泡而成。該產(chǎn)品除具備上述有機(jī)泡沫材料的優(yōu)異性能外，還同時(shí)具備耐老化、耐腐蝕、低吸濕、無(wú)污染等特性。

艦船上常用的 PU 泡沫是孔隙率在 95% 以上，以閉孔為主的硬質(zhì)聚氨酯泡沫。其特點(diǎn)在于： 1）保溫隔熱性能優(yōu)異；抗壓強(qiáng)度為 0.196mPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.023 3～0.025 6 W/m·K；2）溫度適用范圍較廣（-110 ℃～130 ℃）、吸水率低（約 0.2%）、防腐、粘結(jié)性強(qiáng)；3）耐候性及尺寸穩(wěn)定性較優(yōu)，使用 30 年以上還能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；在-30 ℃～120 ℃ 的溫度范圍內(nèi)，其尺寸變化小于 1%。

2.2 酚醛（PF）泡沫隔熱材料

酚醛泡沫隔熱材料是由苯酚和甲醛反應(yīng)生成的預(yù)聚物經(jīng)交聯(lián)發(fā)泡而成。PF 泡沫隔熱性能較好，且擁有寬溫域適應(yīng)性，適用于中高溫的熱力管道及設(shè)施的保溫。常用 PF 的性能參數(shù)見(jiàn)表2。

PF 泡沫材料的不足之處在于脆性較大，若采用韌性好的聚合物，如聚硅氧烷等[5-6]對(duì)其進(jìn)行化學(xué)改性，則可以顯著提高其力學(xué)性能，從而更好地應(yīng)用于艦船領(lǐng)域的隔熱保溫。

2.3 聚酰亞胺（PI）泡沫隔熱材料

聚酰亞胺泡沫是有機(jī)泡沫隔熱材料中綜合性能最優(yōu)異的一種泡沫材料，其研究應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 70 年代，由美國(guó)宇航局（NASA）及其合作單位開(kāi)發(fā)成功，并成功應(yīng)用于航天飛行器的隔熱保溫。

表2 酚醛泡沫隔熱材料的性能參數(shù)Tab. 2 Properties for phenol formaldehyde as thermal insulatingmaterials

與其他有機(jī)材料相比，PI 泡沫具有以下性能優(yōu)勢(shì)：

1）具有良好的阻燃性能；

2）容重低，為 5～8 kg/m3，可大大減輕重量；

3）柔性好，在切割成形時(shí)不易碎、無(wú)粉塵產(chǎn)生；

4）與粘貼的表面結(jié)合力強(qiáng)、耐沖擊和振動(dòng)；

5）耐久性好，PI 泡沫在高低溫、振動(dòng)、化學(xué)試劑等條件下均能保持穩(wěn)定。PI 泡沫首次在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用是在 USNLCAC 氣墊船上，其性能在 15 年后仍然滿足使用要求；

6）溫域適應(yīng)性廣，在高溫環(huán)境亦能穩(wěn)定使用，同時(shí)在低溫下保持良好的力學(xué)性能；

7）易于安裝、維護(hù)，不易損壞，壽命長(zhǎng)。

PI 泡沫在艦船上使用，可大大減輕其重量，增加有效載荷，還可降低使用維護(hù)成本，滿足現(xiàn)代艦船安全性和功能性的要求[7]。20 世紀(jì) 80 年代初，美國(guó)海軍論證通過(guò)了 PI 胺泡沫作為艦艇用絕緣保溫材料，并在“宙斯盾” 導(dǎo)彈巡洋艦上得到廣泛應(yīng)用，與以往采用的隔熱絕緣材料相比，每艘實(shí)現(xiàn)減重高達(dá) 50 t，后續(xù)艦全面采用該材料，并推廣至航空母艦等領(lǐng)域[8]。表3 列舉了不同艦艇等級(jí)使用聚酰亞胺泡沫后總體重量的減輕情況。

表3 PI 泡沫應(yīng)用于不同艦艇的減重情況Tab. 3 Wight decreases of different warships using PI foams

目前，PI 泡沫已成為美國(guó)海軍各種型號(hào)的艦船廣泛采用的一種隔熱材料；在民用船領(lǐng)域，PI 泡沫亦發(fā)揮了重要的作用。PI 泡沫在美國(guó)艦艇應(yīng)用情況如表4所示[8]。

2.4 其他聚合物泡沫隔熱材料

除上述聚合物泡沫材料之外，還有聚丙烯（PP）泡沫、聚氯乙烯（PVC）泡沫、聚苯乙烯（PS）泡沫等。它們?cè)诟魺嵝阅堋⑽鼭裥约皟r(jià)格上均比無(wú)機(jī)材料有優(yōu)勢(shì)，但其共同的缺點(diǎn)在于使用溫度范圍較窄、阻燃性能達(dá)不到艦船使用要求，且某些材料的發(fā)泡工藝較難控制，因而應(yīng)用的情況并不多。

表4 PI 泡沫在美國(guó)艦艇上的應(yīng)用情況及廠商Tab. 4 The usage of PI foams on different American warships and their suppliers

3 氣凝膠（Aerogel）超級(jí)隔熱材料

納米氣凝膠（簡(jiǎn)稱氣凝膠）材料是一種由氣體分散在有機(jī)高分子或無(wú)機(jī)氧化物、碳化物等固相中形成的一種具有網(wǎng)絡(luò)、多孔性結(jié)構(gòu)的固體材料。該材料中孔隙的大小在納米數(shù)量級(jí)，孔隙率高達(dá) 80%～99.8%，孔的尺寸為 1～100 nm，密度可低至 3 kg/m3。氣凝膠熱導(dǎo)率低的原因在于：1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中固相含量低、固相傳熱路徑長(zhǎng)，熱傳導(dǎo)貢獻(xiàn)小；2）氣相分子運(yùn)動(dòng)受空間限制，氣相熱傳導(dǎo)貢獻(xiàn)微??；3）若在材料內(nèi)部引入紅外阻隔成分，則能夠顯著抑制熱輻射。因此，氣凝膠隔熱材料在常溫常壓下的熱導(dǎo)率最低僅為 0.012 W/m·K[9,10]。

20 世紀(jì) 30 年代初，斯坦福大學(xué) Kistlers 教授首次報(bào)道了利用超臨界干燥技術(shù)可將 SiO2凝膠內(nèi)部液體介質(zhì)替換為氣體介質(zhì)，而凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)并沒(méi)有被破壞，從而獲得 SiO2硅氣凝膠[11]。自此，氣凝膠研究發(fā)展迅速。資料顯示，由氣凝膠制成的隔熱產(chǎn)品應(yīng)用于艦船時(shí)，不僅可以實(shí)現(xiàn)較傳統(tǒng)材料更優(yōu)的隔熱性能，還能大大降低艦船的體積和重量，因而受到美國(guó)海軍部門的重視。其中，Aspen 公司的基于氣凝膠的隔熱氈較現(xiàn)有隔熱材料質(zhì)量減輕 4 倍，大大提高艦船的有效載荷；此外，氣凝膠的應(yīng)用還可提高防火等級(jí)，增強(qiáng)艦船的安全性。目前，氣凝膠已在美國(guó)多種型號(hào)的潛艇、驅(qū)逐艦、航空母艦等艦船上得到了應(yīng)用。美國(guó)的Therdyne 公司、Thermal Ceramic 公司，英國(guó)的microtherm公司以及德國(guó)的 Wacker 公司都有氣凝膠系列產(chǎn)品應(yīng)用于艦船領(lǐng)域。美國(guó)“旋翼飛行器的輕質(zhì)隔熱材料研究”以及“氣凝膠與航天器生存能力”研究計(jì)劃研制出了溫度在 350 ℃～1 000 ℃ 性能優(yōu)異的氣凝膠[12]。

依據(jù)其組成成分的不同，氣凝膠可以分為無(wú)機(jī)氧化物氣凝膠、有機(jī)高分子氣凝膠及其衍生的有機(jī)炭氣凝膠、無(wú)機(jī)碳化物氣凝膠。其中，無(wú)機(jī)氧化物主要有SiO2，Al2O3，TiO2，ZrO2等；有機(jī)高分子主要有酚醛樹(shù)脂、聚氨酯、聚酰亞胺等；無(wú)機(jī)碳化物主要有SiC，TiC，MoC 等。

3.1 無(wú)機(jī)氧化物氣凝膠隔熱材料

SiO2氣凝膠及其復(fù)合材料是當(dāng)前隔熱領(lǐng)域研究最早、最多的較為成熟的一種耐高溫氣凝膠，其氣孔率最高可達(dá) 99.8%，其孔洞尺寸和膠體顆粒的尺寸都在納米量級(jí)，比表面積可達(dá) 1 000m2/g 以上，密度僅為30～100 kg/m3，熱傳導(dǎo)系數(shù)在 0.015～0.025 W/m·K。雖然二氧化硅氣凝膠材料的熱導(dǎo)率很低，可用作隔熱材料，但是目前還不能代替其他隔熱材料而廣泛使用。原因主要有 2 個(gè)：一是密度低、孔隙率高而導(dǎo)致材料的強(qiáng)度低，脆性大；二是對(duì)近紅外輻射有較強(qiáng)的透過(guò)性，導(dǎo)致其對(duì)髙溫紅外輻射的遮擋能力差，使得氣凝膠的熱導(dǎo)率隨溫度升高而急劇增加。對(duì)此，常用的解決方法是通過(guò)向氣凝膠中添加纖維而增加材料強(qiáng)度，或通過(guò)添加遮光劑而提高材料的紅外遮蔽性能[13]。此外，SiO2氣凝膠自身的 Si-O-Si 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在 800 ℃以上會(huì)發(fā)生收縮、團(tuán)聚，比表面積急劇下降，孔隙嚴(yán)重收縮，影響其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。

Al2O3的熔點(diǎn)高達(dá) 2 000 ℃，以其為基質(zhì)制備的Al2O3氣凝膠具有隔熱性能好、容重低、比表面積大、耐高溫等優(yōu)異性能，其使用溫度可達(dá) 1 000 ℃ 以上。其制備方法主要有無(wú)機(jī)鋁鹽法和有機(jī)金屬鋁醇鹽法，前者可制備密度在 60～130 kg/m3，比表面積為 600～700m2/g 的塊狀氧化鋁氣凝膠[14]，但這種氣凝膠收縮率較大、易粉化；后者可制備氣孔率在 98%以上，比表面積為 376m2/g 的 Al2O3塊狀氣凝膠[15]。這種氣凝膠在品質(zhì)和性能上均優(yōu)于前者，但其制備反應(yīng)速度太快不易控制，且成本較高。Al2O3氣凝膠在常壓 30℃ 時(shí)，熱導(dǎo)率僅為 0.029 W/（m·K）；800 ℃ 時(shí)，熱導(dǎo)率僅為0.098 W/（m·K），是制備耐高溫隔熱材料的理想選擇。

ZrO2氣凝膠具有容重低、耐高溫、比表面積高等優(yōu)點(diǎn)，從 1976 年開(kāi)始得到隔熱材料行業(yè)的廣泛關(guān)注。ZrO2材料在大溫差條件下能保持穩(wěn)定化學(xué)性能和熱力學(xué)性能。ZrO2氣凝膠的缺點(diǎn)在于，其納米孔結(jié)構(gòu)會(huì)隨溫度改變而破壞，因此，需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，提高氣凝膠的穩(wěn)定性。

3.2 有機(jī)氣凝膠隔熱材料

與無(wú)機(jī)氣凝膠相比，有機(jī)高分子氣凝膠具有較為優(yōu)良的綜合性能，包括輕質(zhì)、柔性、易于加工與使用等特性。圖1 為聚酰亞胺（PI）氣凝膠與無(wú)機(jī)氣凝膠的性狀對(duì)比。

圖1 無(wú)機(jī)與有機(jī) PI 氣凝膠Fig. 1 Inorganic and organic PI aerogel

常見(jiàn)的有機(jī)氣凝膠材料包括酚醛（RF/MF）、聚氨酯（PU）、聚酰亞胺（PI）氣凝膠等及其炭化后的炭氣凝膠。

20 世紀(jì) 90 年代，美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Pekala[17]在 NaCO3存在下，使用苯二酚和甲醛反應(yīng)制備了酚醛聚合物凝膠，并采用超臨界 CO2干燥法，首次形成了透明、孔徑均一（＜ 100 nm）的酚醛氣凝膠，開(kāi)創(chuàng)了有機(jī)氣凝膠研究的新局面。

聚氨酯氣凝膠是在 PU 泡沫的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型的隔熱材料，其研究始于 1990 年[18-19]。PU氣凝膠的容重可低至 80 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.007 W/（m·K）。

21 世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外以美國(guó)國(guó)家宇航局為主的科研機(jī)構(gòu)對(duì) PI 氣凝膠材料開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。目前已經(jīng)研制成功具有耐高溫、阻燃、高絕緣、高絕熱以及良好柔韌性的 PI 氣凝膠產(chǎn)品，主要應(yīng)用于尖端武器及高速飛行器的隔熱系統(tǒng)、潛艇聲阻隔系統(tǒng)、宇航服隔熱等領(lǐng)域。

按照化學(xué)組成的不同，PI 氣凝膠可以分為線型與交聯(lián)型兩類。美國(guó) Aspen Aerogels 公司 2006 年獲得了線型 PI 氣凝膠的合成專利。線型 PI 氣凝膠制備過(guò)程中的收縮率高，且力學(xué)性能欠佳。因此，近年來(lái)交聯(lián)型 PI 氣凝膠的研究引起了廣泛的關(guān)注。美國(guó) NASA Glenn 研究中心的meador 等與俄亥俄宇航研究所的Guo 以及 Akron 大學(xué)的 Cakmak 等合作制備了一類具有優(yōu)良力學(xué)性能的柔性交聯(lián)型 PI 氣凝膠。在國(guó)內(nèi)，目前僅有中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、北京航空航天大學(xué)等少數(shù)單位初步開(kāi)展了 PI 氣凝膠的研究。

聚脲（PUR）氣凝膠的制備方法與 PU 氣凝膠類似。Weigold 等[20]制備了密度為 40 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.027 W/（m·K）的 PUA 氣凝膠；Lee 等[21]制備了導(dǎo)熱系數(shù)低至 0.013 W/（m·K）的 PUR 氣凝膠。

4 復(fù)合隔熱材料

為結(jié)合不同隔熱材料的優(yōu)點(diǎn)，以適應(yīng)某些高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用要求，研究人員發(fā)展了復(fù)合隔熱材料。通常復(fù)合隔熱材料是包含氣凝膠的高性能復(fù)合材料，其制備方法主要有前摻雜法和后摻雜法；前者指在形成氣凝膠的過(guò)程中摻雜改性劑，后者指摻雜劑與氣凝膠直接復(fù)合。本文主要針對(duì)由氣凝膠和纖維組成的復(fù)合隔熱體系進(jìn)行綜述，其中氣凝膠提供優(yōu)異的隔熱性能，纖維則可以改善其力學(xué)性能。

徐廣平等[22]在采用 SiO2溶膠與 Al2O3纖維復(fù)合，經(jīng)超臨界干燥后制備了氣凝膠復(fù)合隔熱材料。研究表明：復(fù)合后，氣凝膠的力學(xué)性能和高溫下的納米孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高；當(dāng)纖維的含量為 8 wt% 時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能最佳，抗壓強(qiáng)度可達(dá) 1.98mPa，同時(shí)熱導(dǎo)率為 0.051 W/（m·K）。Zhang 等[23]在制備氣凝膠過(guò)程中添加 10% 的短切陶瓷纖維，所得氣凝膠復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度提高了 5 倍，從 0.016mPa 提高至 0.096mPa，且導(dǎo)熱系數(shù)可低至 0.029 W/（m·K）。高慶福等[24]采用陶瓷纖維與氧化硅溶膠混合，充分分散后，經(jīng)超臨界 CO2干燥得到結(jié)構(gòu)完整的氣凝膠復(fù)合材料。當(dāng)纖維含量為 7.6% 時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳，彎曲強(qiáng)度達(dá) 1.31mPa，但作者并未研究其隔熱性能。

在國(guó)內(nèi)，浙江納諾科技有限公司可提供各種形式的氣凝膠隔熱產(chǎn)品，如氣凝膠絕熱氈、氣凝膠絕熱板、氣凝膠粉體及異形件等；此外，廣州英德埃力生公司生產(chǎn)的以 SiO2氣凝膠為主原料的復(fù)合氣凝膠氈，除導(dǎo)熱系數(shù)極低外，還具有韌性好、耐輻射、無(wú)毒環(huán)保、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，使用溫度最高可達(dá) 1 000 ℃，最低可達(dá)-200 ℃，代表了國(guó)內(nèi)氣凝膠保溫隔熱材料的發(fā)展前沿。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著現(xiàn)代艦船性能及結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，對(duì)應(yīng)用于艦船領(lǐng)域的隔熱材料的綜合性能提出了更高的要求，綜合上述不同類型的隔熱材料可以看出，單獨(dú)的無(wú)機(jī)、有機(jī)甚至氣凝膠隔熱材料均無(wú)法很好的滿足艦船領(lǐng)域的使用要求，其存在的主要問(wèn)題如下：

1）雖然氣凝膠類材料隔熱性能優(yōu)異，但其高昂的制造成本嚴(yán)重影響其在各領(lǐng)域的應(yīng)用推廣；

2）其隔熱性能與力學(xué)性能難以同步提升；

3）施工工藝復(fù)雜，維修便捷性不足。

因此，為滿足艦船裝備高性能化的發(fā)展要求，亟需開(kāi)發(fā)一種制備工藝可靠、綜合性能優(yōu)異的絕緣保溫材料。

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Research status of thermal insulatingmaterials for warships

DUAN Chen1, GUO Zhan-dong1, BAI Zong-liang2, ZHOU Ai-min1, YU Tao1, XU Yu-zhe1
(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Thermal insulatingmaterials for warships has always beenasubject that is widely concerned and highly valued for researchers during the design andmanufacture of various warships. The performance of thermal insulatingmaterials is closely related with the living conditions, safety as well as the service life ofawarship, and can even influence the battle effectiveness of amarmy. This paper first briefly analyzed themechanisms ofmaterials' thermal insulation property andmadeareview on properties and research status of warship used thermal insulatingmaterials both domestic and abroad, including the inorganic, organic foaming, nano-aerogels and composite thermal insulatingmaterials, on the basis of different compositions. Then, this paper analyzed the problems to be solved for present warship used thermal insulatingmaterials and summarized the future developments for them.

thermal insulation；inorganicmaterials；organic foamingmaterials；aerogel；compositematerials

U 668.3

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0001 - 06

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.10.001

2016 - 02 - 29；

2016 - 03 - 30

段晨(1987 - )，男，博士，工程師，研究方向?yàn)榕撌掖髿猸h(huán)境控制。