新型氣凝膠復(fù)合材料在艦船上的應(yīng)用實(shí)踐與前景

楊 勇，李堅(jiān)波，王志平

（海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 201206）

0 引言

目前我國(guó)艦艇上的絕熱材料大多采用傳統(tǒng)材料，如礦物棉、陶瓷棉、超細(xì)玻璃棉等無(wú)機(jī)纖維/有機(jī)泡沫作為絕緣材料。這些材料在保證艦船隔熱，防火等方面發(fā)揮了一定的作用。但隨著我國(guó)艦艇研制水平的不斷提高，對(duì)艦艇用絕熱材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)提出了許多新的更高的要求。顯然，傳統(tǒng)意義上的絕熱材料已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國(guó)艦艇研制發(fā)展中的新趨勢(shì)和新要求。因此，加快開發(fā)新型絕熱材料，加速對(duì)傳統(tǒng)絕熱材料的迭代更新是當(dāng)務(wù)之急，大勢(shì)所趨。

1 新型氣凝膠復(fù)合材料的基本特性

進(jìn)入21世紀(jì)，最新研發(fā)的氣凝膠是一種新型納米多孔材料，是迄今為止世界上最輕的固體材料，又稱為凝煙（frozen smoke），它是以氣體為分散介質(zhì)的、由納米量級(jí)顆粒相互交聯(lián)形成的、具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔材料[1-3]，其孔隙結(jié)構(gòu)和固體相顆粒均為納米量級(jí)。目前SiO2氣凝膠的研究和發(fā)展最為廣泛和成熟。SiO2氣凝膠孔隙率可達(dá)80%～99. 8%[4]，典型的孔洞尺寸范圍在1 nm～100 nm 之間，比表面積可高達(dá) 1 000 m2/g[4]，常溫下的熱導(dǎo)率可達(dá)0.015 W/(m·K)以下，密度可控制在 3 mg/cm3～300 mg/cm3[4]之間。由于其具有孔隙率高、導(dǎo)熱系數(shù)低、比表面積大等獨(dú)特的優(yōu)異性能，在高效保溫隔熱、催化劑及其載體等方面擁有非常廣泛的應(yīng)用前景，受到人們廣泛地關(guān)注。

“新型無(wú)機(jī)固態(tài)氣體超效絕熱材料”是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》（GB/T 34336-2017）生產(chǎn)的IV型S類標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其原理是將 SiO2氣凝膠與玻璃或陶瓷纖維等復(fù)合在一起形成氈狀或板狀產(chǎn)品，由于氣凝膠本身的密度低，機(jī)械強(qiáng)度小，不利于大部分實(shí)際場(chǎng)景的應(yīng)用，因此，將其與纖維等材料復(fù)合，可以較好地解決這些基本問(wèn)題。該材料是迄今為止耐溫范圍最廣、導(dǎo)熱系數(shù)最低的一類產(chǎn)品，鑒于其氣孔率很高，孔徑的平均尺寸已經(jīng)遠(yuǎn)小于常壓下空氣中的氣體分子的平均自由程，能夠完全阻止其中的氣體分子因?qū)α鞫纬傻臒釘U(kuò)散。圖1為該材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試方法采用ASTM C177標(biāo)準(zhǔn)。可見其常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)低于靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，是典型的超級(jí)絕熱材料。

2 新材料與傳統(tǒng)材料在艦艇上應(yīng)用情況的分析對(duì)比

2.1 主要核心指標(biāo)分析

圖1 新型氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系

常溫導(dǎo)熱系數(shù)、適用溫度范圍、吸水性、燃性等級(jí)、煙氣毒性等主要性能指標(biāo)是衡量該類型材料在艦船上使用成功與否的核心指標(biāo)。除了要完全滿足艦艇本身的功能要求外，該類材料還必須滿足艦員工作、生活過(guò)程中的人身安全，有指標(biāo)不符合要求就有可能造成不可挽回的后果。通過(guò)新型氣凝膠復(fù)合材料在各類新型水面艦艇上的實(shí)際應(yīng)用，顯示出了其相對(duì)于傳統(tǒng)材料的明顯優(yōu)勢(shì)。表1為該材料與傳統(tǒng)絕熱材料的性能對(duì)比，可見綜合導(dǎo)熱系數(shù)、耐溫性、吸水性、燃性等級(jí)、煙氣毒性等各方面的性能，該材料的綜合優(yōu)勢(shì)非常明顯。

目前，該新型氣凝膠復(fù)合材料已在國(guó)內(nèi)各類大中小型主戰(zhàn)艦艇上應(yīng)用，取得了良好效果。

表1 新型氣凝膠復(fù)合材料與傳統(tǒng)絕熱材料性能對(duì)比

2.2 減重性指標(biāo)對(duì)比分析

現(xiàn)代艦船的研制設(shè)計(jì)，對(duì)上艦的各類設(shè)備及材料的重量控制提出了越來(lái)越高的要求。為此，新型氣凝膠復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料比，也有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)某型號(hào)艦艇的部分艙室需求，在經(jīng)過(guò)測(cè)算之后制備了部分標(biāo)準(zhǔn)尺寸隔熱保溫部件的樣件，樣件的尺寸與對(duì)照傳統(tǒng)件（比如礦物棉）的尺寸相一致，但厚度根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果減薄，減薄比例小于或等于計(jì)算結(jié)果，也就是厚度等于或略大于滿足同等傳統(tǒng)件隔熱保溫效果所需的尺寸，以保證保溫效果不低于傳統(tǒng)件。表2～表4是部分氣凝膠復(fù)合材料樣件與傳統(tǒng)樣件的參數(shù)比較。

表2 部分新型氣凝膠復(fù)合材料樣件與傳統(tǒng)樣件的重量性參數(shù)比較

表3 19號(hào)通風(fēng)機(jī)室分別使用新型氣凝膠復(fù)合材料與礦物棉的面積與重量

表4 廚房分別使用新型氣凝膠復(fù)合材料與超細(xì)玻璃棉的面積與重量

通過(guò)上表顯示的結(jié)果可以看出，對(duì)于19號(hào)通風(fēng)機(jī)室如果采用新型氣凝膠復(fù)合材料替代礦物棉（60 kg/m3）進(jìn)行保溫絕熱施工，雖然該氣凝膠復(fù)合材料的宏觀密度達(dá)到了170 kg/m3，但是由于其用量少，總體重量從82.14 kg降低到42.64 kg，減重達(dá)到了39.5 kg，減重率高達(dá)48.1%。對(duì)于廚房，雖然傳統(tǒng)保溫材料采用了更輕更貴的超細(xì)玻璃棉（48 kg/m3），使用新型氣凝膠復(fù)合材料后，其總重量依然從388.5 kg降低到239.22 kg，減重達(dá)到149.28 kg，減重率仍可以達(dá)到38.4%。綜合比較，在研究的 2個(gè)試驗(yàn)艙室采用原設(shè)計(jì)方案（礦物棉/超細(xì)玻璃棉）總敷設(shè)面積約209 m2，總重量約470 kg。采用新的工藝研究方案（新型氣凝膠復(fù)合材料）敷設(shè)面積約217 m2，總重量約為282 kg。新的工藝研究方案使用的絕熱材料重量比原設(shè)計(jì)方案使用的絕熱材料重量減輕了約40%，減重效果明顯。

2.3 降溫效果分析

對(duì)于敷設(shè)了傳統(tǒng)保溫材料與新型氣凝膠復(fù)合材料的試驗(yàn)艙室進(jìn)行了保溫性能測(cè)試，兩者之間的降溫效果測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 分別使用新型氣凝膠復(fù)合材料與傳統(tǒng)保溫材料后艙室的隔熱效果比較

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)絕熱保溫材料相比，在采用新型氣凝膠復(fù)合材料之后，即使在重量合理大幅減少之后，其絕熱保溫效果依然可以保證優(yōu)于相應(yīng)的傳統(tǒng)材料。

2.4 其他性能指標(biāo)分析

在使用壽命方面，通過(guò)對(duì)新型氣凝膠復(fù)合材料進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)顯示，在相當(dāng)于20年后，材料的收縮率＜1%，隔熱性能等主要指標(biāo)保持穩(wěn)定，因此其使用壽命明顯大于傳統(tǒng)保溫材料；在確保艙室空間方面，由于艙室內(nèi)的隔熱保溫層的厚度由原來(lái)的40 mm～60 mm降低至6 mm～12 mm，厚度減少達(dá)34 mm～40 mm，有利于增加室內(nèi)有效使用空間；在可維護(hù)性方面，由于該新型材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具有良好的韌性和彈性，非常便于裝、拆清理，大大增強(qiáng)了可維護(hù)性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該新型氣凝膠復(fù)合材料在艦船上的應(yīng)用實(shí)踐與相關(guān)測(cè)試后，可以發(fā)現(xiàn)新型氣凝膠復(fù)合材料在低導(dǎo)熱系數(shù)方面較傳統(tǒng)隔熱防火材料具有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在減重、降溫方面也有較好效果，適用溫度范圍、吸水性、燃燒等級(jí)和環(huán)保等方面也表現(xiàn)優(yōu)異，且使用壽命更久，能較好滿足艦船使用環(huán)境要求，且無(wú)刺激性的產(chǎn)品特點(diǎn)，更益于艦員身體健康。