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不容忽視的船舶隔熱材料
2月3日，距離巴西海岸約350公里的大西洋水域，伴隨著一連串爆炸聲，南美洲最后一艘航母、巴西的圣保羅號沉入約5000米深的海底。
作為巴西海軍旗艦，圣保羅號曾有過輝煌時刻。然而近年這艘航母可謂命運多舛。其鍋爐艙接連發(fā)生爆炸和起火事故，高昂的維修和改造費用，讓巴西海軍不堪重負。2018年11月退役后，圣保羅號被賣給了土耳其的一家船舶拆解公司，卻被土耳其政府以船體包含石棉等違禁隔熱材料為由，拒絕該艦進入土耳其領(lǐng)海。交易取消折返途中，又被巴西各州政府以相同理由拒絕接收。最終，這艘“無家可歸”的航母在爭議聲中被引爆沉沒，令人唏噓。
圣保羅號沉海的消息，使人們的目光再次聚焦于船舶隔熱材料。土耳其為何會將其拒之門外？隔熱材料又在艦船上發(fā)揮著什么樣的作用？請看——
2022年12月22日，俄羅斯唯一的航空母艦庫茲涅佐夫號突發(fā)火災(zāi)。幸運的是，這次火災(zāi)規(guī)模不大，沒有造成多大損失。無獨有偶，就在庫茲涅佐夫號起火20多天前，美國林肯號航母訓(xùn)練時突發(fā)大火，造成9名水兵受傷。
這些年，軍艦非戰(zhàn)斗損毀的新聞屢見不鮮，其中有很大一部分與火焰、燃爆緊密相關(guān)。震驚之余，人們不禁也會疑惑：數(shù)萬噸的鋼鐵巨艦，為何總會被火焰“灼傷”？
大型軍艦與民用船舶不同，艙室結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜、通風(fēng)系統(tǒng)四通八達。正所謂“火趁風(fēng)威，風(fēng)助火勢”，若發(fā)生火災(zāi)，高效的通風(fēng)系統(tǒng)將搖身一變，化作大火蔓延的“絕佳幫手”。軍艦往往還攜帶有易燃易爆品，艦上發(fā)生火災(zāi)時，滅火難度極大，且耗時較長。
按照現(xiàn)代軍艦的損害管制理念，可通過結(jié)構(gòu)防火、限制使用可燃材料等手段，縮小火災(zāi)蔓延范圍、降低火災(zāi)爆炸可能性。阻斷熱流傳遞是實施結(jié)構(gòu)防火的主要手段之一，通過敷貼隔熱材料，可以讓艙壁在一段時間內(nèi)不會被火焰穿透，從而防止火焰快速蔓延到其他艙室，為控制火情爭取時間。
事實上，防火阻熱只是隔熱材料的功用之一，減少熱耗散、抑制凝露腐蝕，才是主要用途。
隔熱材料常用作船舶主機、高溫管路等熱力部位的包敷層。航行期間，船舶主動力系統(tǒng)每時每刻都在發(fā)生大規(guī)模燃燒反應(yīng)。如若主機鍋爐整體隔熱不好，則很難保證燃燒效果，功率提不上去；如隔熱效果不均勻，個別位置有極大幾率會出現(xiàn)疏漏，長時間往外滲透高熱量，容易誘發(fā)火災(zāi)。在鍋爐膛外附著隔熱材料，可以有效解決這一個問題。
從使用效果上看，在鍋爐膛外附著隔熱材料，能進一步提升熱效率，從而增強主機輸出功率和燃油利用率，提高艦艇續(xù)航能力；從環(huán)境影響上看，隔熱材料能夠明顯降低主機高熱部位對其他艙室的影響，減低艙室溫度，保證精密儀器的工作環(huán)境；從作戰(zhàn)效能上看，合理使用隔熱材料，還能幫助軍艦減小紅外暴露，降低被紅外探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)的概率。
值得注意的是，隔熱材料服役環(huán)境惡劣，要一直經(jīng)受高溫、高熱震、煙氣腐蝕沖刷等考驗。因此，隔熱材料除了隔熱性能好外，往往還被要求具備厚度適宜、施工方便、受火后不會產(chǎn)生過量有害化學(xué)氣體等特性。因此隔熱材料研發(fā)的難度相比來說較高。2012年，印度“維克拉馬蒂亞”號航母，在試航時就曾因動力系統(tǒng)耐火隔熱材料不過關(guān)，造成主鍋爐坍塌，延期近1年交船。
熱導(dǎo)率是直接反映材料隔熱性能的指標。通常來說，熱導(dǎo)率越大，導(dǎo)熱能力越強，隔熱性能越差；反之則導(dǎo)熱能力越弱，隔熱性能越好。傳統(tǒng)隔熱材料基本都是由骨架材質(zhì)和空氣組成的多孔結(jié)構(gòu)，靠著占絕大部分體積的空氣的低熱導(dǎo)率來實現(xiàn)隔熱。其原理跟羽絨服很像，羽絨的蓬松結(jié)構(gòu)能夠鼓起大量空間吸存空氣，空氣的熱導(dǎo)率又很小，因此羽絨的保溫隔熱效果就很好。
早期的隔熱材料一般取材于自然界天然有機材料。橡木在木制戰(zhàn)艦時代是造船主材之一，整體材質(zhì)堅實細密，木質(zhì)纖維中又有很多氣泡，擁有非常良好的透氣、保濕和隔熱作用，被稱作“會呼吸的木頭”，甚至到了近現(xiàn)代還被用于船舶隔熱。打響十月革命第一炮的“阿芙樂爾”號巡洋艦，采用的隔熱材料就是橡木。但木質(zhì)材料在溫暖潮濕的環(huán)境中容易腐爛，需要艦員經(jīng)常保養(yǎng)，且溫度過高后會變形甚至被引燃，因而隨技術(shù)發(fā)展逐漸被淘汰。
20世紀50年代以后，合成有機隔熱材料開始慢慢地應(yīng)用于艦船的夏天隔熱，冬天保溫。如酚醛泡沫、聚氨酯硬質(zhì)泡沫、聚酰亞胺泡沫等。然而，有機隔熱材料由于耐溫性、防火等級較低，僅適用于保冷或者工作時候的溫度較低的場合。很快，以石棉為代表的耐高溫?zé)o機隔熱材料開始登上舞臺，并在很長一段時間內(nèi)飾演主角。
石棉是天然纖維狀硅石礦物的泛稱，其單元纖維抗拉強度高、彈性好，耐高溫和非物理性腐蝕，具有很強的吸附性，且價格低，性能好價格低。但跟著時間推移，石棉的缺點也逐漸暴露，其纖維組織非常脆弱，隨著劇烈振動和敲擊會形成特別細小的粉塵，在密閉艙室內(nèi)很容易引發(fā)石棉肺、肺癌等病癥。自2011年起，國際海事組織開始禁止使用石棉材料造船，石棉也因此逐漸退出船舶隔熱材料的主流行列。
硅酸鋁纖維是目前最常用、評價較好的船舶隔熱材料。它以高嶺土、耐火黏土或石英砂為原料，經(jīng)電爐高溫熔融后離心制得，熱導(dǎo)率和熱容量低、耐熱性和抗熱震性好、耐壓強度和韌性高。其耐火溫度通常高于900℃，制品大多數(shù)都用在船舶耐火分隔和高溫管道隔熱。
人是戰(zhàn)爭制勝的決定性因素。現(xiàn)代海軍艦船的制造，更加遵循以人為本的原則，維護好上艦官兵的身體健康，才能最大限度地發(fā)揮艦船的戰(zhàn)斗力。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，隔熱材料早已形成了一個品類繁多的材料種類。除去對更好隔熱性能的追求，人的使用感受正在成為選擇和使用隔熱材料的主要的因素。艦船制造禁用石棉，體現(xiàn)著時代的進步，也為艦船制造“升級”提供了新機遇。
1992年，國際材料工程大會提出了超級隔熱材料的概念，即在預(yù)定條件下，材料熱導(dǎo)率低于無對流空氣。要實現(xiàn)超級隔熱，必須降低材料內(nèi)部空氣的導(dǎo)熱。其實現(xiàn)途徑主要有兩種：一是將材料內(nèi)部抽成真空，減少材料內(nèi)部的氣體分子；二是使多孔材料內(nèi)部孔徑尺度與自由空間中空氣分子的平均自由程相當，減少氣體分子之間的碰撞，降低氣體導(dǎo)熱。
隨著科技的加速發(fā)展，超級隔熱材料這一概念已經(jīng)逐漸應(yīng)用于現(xiàn)實。輕質(zhì)、憎水、高效、環(huán)保的新型復(fù)合納米孔材料，以及具有納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠材料，都被研發(fā)并應(yīng)用于船舶隔熱。這兩類材料的共同特點是，其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)維持在納米尺度，小于空氣分子的平均自由程，因而具有低于“無對流空氣”的熱導(dǎo)率。
氣凝膠材料曾被國際著名期刊《科學(xué)》列為世界十大新材料之一，保持了最低熱導(dǎo)率、最低密度等數(shù)十項世界紀錄。目前，氣凝膠已被用作美國魚鷹直升機紅外系統(tǒng)的防護構(gòu)件、英國美洲豹戰(zhàn)斗機改型的駕駛艙隔熱壁等，包括中國在內(nèi)的各國航天探測設(shè)備中也都有廣泛應(yīng)用。
隨著現(xiàn)代物理研究的進步，隔熱材料的前沿概念也有了逐步發(fā)展。比如近年來比較火的熱超構(gòu)材料，其工作原理為，使熱流規(guī)避某一區(qū)域卻不變向，進而讓該區(qū)域內(nèi)的物體實現(xiàn)熱隱身。將其運用到隔熱領(lǐng)域，則需要研究能否通過設(shè)計材料的幾何結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)熱流反轉(zhuǎn)，從而開辟一片絕對恒溫區(qū)。
無論新型超級隔熱材料，還是概念中的熱超構(gòu)材料，都可以用更輕的重量、更小包敷厚度達到與傳統(tǒng)隔熱材料等效的隔熱效果。這一特點在艦船熱防護系統(tǒng)中具有舉足輕重的優(yōu)勢。新型隔熱材料運用后，除了能明顯降低艙室環(huán)境和溫度，還可以有效減重，節(jié)省寶貴的艙室戰(zhàn)斗空間，降低熱損耗，節(jié)約燃料，提高續(xù)航力；同時也能夠減少管路及設(shè)備腐蝕，改善艦員工作環(huán)境，降低安裝及維修費用；用于隔熱的熱超構(gòu)材料，還能夠明顯降低艦船的紅外目標可探測性，甚至實現(xiàn)艦船熱隱身，具有巨大的經(jīng)濟、科技和軍事價值。
縱觀材料科技發(fā)展歷史，性能的精益求精促使研究視域由宏觀世界發(fā)展到微觀尺度，甚至細化到分子視角。這更加需要研究人員勇于探索，在科技無人區(qū)不斷取得新突破。
