0 引言

在各类舰船上广泛应用的隔热保温材料主要发挥维持舱室适宜的工作和生活环境、防火及对热力管道等进行隔热保温的作用。其性能的优劣直接影响到舰船环境的舒适性、舰船的安全性与服役寿命，甚至部队的战斗力^[1]。

高性能隔热保温材料应满足以下基本条件：一是隔热保温材料的导热系数要低；二是容重要低，空气含量越高，隔热效率越高；三是必须阻燃、耐油和低烟。此外，良好的隔热保温材料还需满足环境条件（温度、压力等）的要求，且具有无毒、无难闻气味、防细菌寄生及施工方便等性能。特别地，在舰船上使用的隔热保温材料还需适应海洋行驶的高湿度、高盐雾环境。因此，舰船用隔热保温材料还需具备良好的耐盐雾性能和低吸湿性，防止在使用过程中被腐蚀或因吸收水汽导致其热传导系数急剧上升。

由传热学理论可知，热量在材料中的传递是在温度差的驱动下，通过分子相互碰撞、分子振动等形式实现，可分为以下3种模式：

1）热传导。相互接触的物体通过分子、原子或电子的移动或振动传递热量。固体的热传导能力优于气体，因此对隔热性能的影响大，当处于真空条件下时，这种差异会更加明显^[2]。

2）热对流。气体或液体的宏观流动引起的热传递，可由外部原因或是内部温度场所致的密度不同引起。

3）热辐射。任何物体都具有吸收或放射辐射能的能力。随着温度升高，辐射传热急剧加强同时，气孔及空隙的增多也会使辐射传热量增大。

从热量传递的原理可看出，实现隔热的原理主要是提高材料中气体含量以降低热传导、引入闭孔结构以降低热对流及开发热辐射对温度依赖性低的材料。

目前，在舰船上使用的隔热保温材料种类繁多，按其组成不同，可分为无机非金属多孔隔热材料、高分子泡沫隔热材料、金属隔热材料和上述材料组成的复合隔热材料。值得一提的是，近年来在隔热保温领域备受关注的气凝胶类纳米孔超级绝热材料，其基体既可以是无机物（SiO₂和Al₂O₃等）也可以是有机物（聚酰亚胺等），且隔热保温性能极为突出。除金属隔热材料外，本文将对各种隔热保温材料的种类与性能特点及国内外研究现状进行综述。

1 无机非金属隔热材料

无机非金属隔热材料主要由多孔性的无机物组成，具有耐热性能优异、老化稳定性好、阻燃、无毒等优点。最早期的无机隔热保温材料为石棉纤维类的，因其对人体有害，已停止使用。此后，国内外舰船上广泛采用的无机非金属类隔热保温材料主要有纤维类的，如陶瓷棉、玻璃棉、岩棉等；此外，由硅酸钙板、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等制成的多孔性材料也成为了无机非金属隔热材料的常用选择^[1]。

1.1 纤维类隔热材料

陶瓷棉是陶瓷材料经高温熔融后吹制成的一种耐高温材料。国内于20世纪70年代开始生产陶瓷棉。其优点主要有：1）容重低，气体含量高，隔热性能好；2）导热系数较低，且随温度变化小，如200 ℃时，导热系数为0.05 W/m·K，在1200 ℃时仍为0.30 W/m·K以下；3）对人体皮肤刺激性较小，便于施工和维护；4）耐火性能和耐热性能（ > 900 ℃）优异。因此，玻璃棉制品特别适用于舰船上温度较高的热力管道及耐火等级要求严格的舱室隔热材料。

玻璃棉是以熔融状态的石英砂和回收玻璃为原料，辅以其他隔热材料、空气隔层及衬板，经特殊工艺制备的一种无碱超细玻璃纤维。它的特点是纤维直径可以很细，因此制品的容重可以很低。在发达国家先进制造工艺下，玻璃棉纤维直径可以小到1μm左右，相应的产品容重可低至20 kg/m³，导热系数为0.034 W/m·K，且保持很高的强度和很好的绝热性能。此外，它还具备不燃烧、不腐烂、耐酸耐油等诸多优点。因此，玻璃棉在20世纪70年代就被用作美国海军舰船的舱室及潜艇的围壳绝缘材料。

岩棉制品是采用优质玄武岩、白云石等为主要原料，在1450 ℃以上的高温下熔融，之后经四轴离心机高速离心成直径为5 μm左右的纤维。岩棉制品的优点在于容重低、耐火性好且价格低廉；但也存在着纤维直径较大、脆性较大、耐热性欠佳（ < 800 ℃）、导热系数随温度变化敏感、对皮肤刺激性及吸湿性强等诸多缺点。

1.2 多孔性隔热材料

硅酸钙制品是硅藻土、消石灰等为主要原料，以纤维为增强填料，经若干工序制成的一种多孔材料。在舰船上应用的该制品主要有2种：一种是可用作防火围壁的高强度硅酸钙板材；一种是可用作船舶的高能管道隔热的低密度绝缘材料^[3]。

膨胀珍珠岩是天然珍珠岩经预热焙烧、高温膨化而成的一种蜂窝型粒状材料，导热系数约为0.076 W/m·K，其制品在建筑领域应用广泛。其施工时对基体的适应性强，不受基础造型的影响，可涂膜平整。膨胀珍珠岩具有保温性能好、制备工艺简便、无毒、不燃等优点，但吸水率偏高是其致命的缺点。

膨胀蛭石是由蛭石煅烧、膨化而成的一种轻质多孔材料，它具有很好的性能，如低容重（80~120 kg/m³）、低导热系数（0.04~0.18 W/m·K）和相对高的熔点（1 240 ℃~1430 ℃），并且其具有化学惰性、耐用性和对安全环保的特点^[4]。其突出的优点在于导热系数随温度变化不敏感，在350 ℃时，为0.09~0.16 W/m·K；在650 ℃时，为0.11~0.18 W/m·K，因此特别适用于高温条件下的隔热材料。

1.3 其他无机隔热材料

除上述早期应用较为广泛的“三棉”、“三板”类无机隔热材料之外，还有碱土金属硅酸盐纤维、玄武岩纤维、多晶莫来石纤维及无机气凝胶纳米孔材料。

尽管无机隔热材料具有其特殊的优势，但也存在以下不足：1）导热系数较高导致隔热性能偏低；2）容重偏高，影响有效载重，不利于节省舰船空间；3）表面的羟基等亲水基团易吸潮，使导热系数增大，同时还会导致析晶，造成纤维材料粉化失效；4）其残留物的高腐蚀性会造成使用安全隐患，无形增加了后期维护保养成本。

2 有机泡沫隔热材料

由聚合物材料经发泡形成的结构含多孔的有机泡沫材料构成了隔热材料一个重要的分支，兼具容重低、柔性好、导热系数低、吸湿性差的优点。常见有机泡沫隔热材料的性能参数如表 1所示。

2.1 聚氨酯（PU）泡沫隔热材料

聚氨酯泡沫是在制备线型聚氨酯的过程中，添加催化剂、发泡剂等，经化学反应发泡而成。该产品除具备上述有机泡沫材料的优异性能外，还同时具备耐老化、耐腐蚀、低吸湿、无污染等特性。

舰船上常用的PU泡沫是孔隙率在95%以上，以闭孔为主的硬质聚氨酯泡沫。其特点在于：1）保温隔热性能优异；抗压强度为0.196 MPa，导热系数为0.023 3~0.025 6 W/m·K；2）温度适用范围较广（-110 ℃~130 ℃）、吸水率低（约0.2%）、防腐、粘结性强；3）耐候性及尺寸稳定性较优，使用30年以上还能正常运转；在-30 ℃~120 ℃的温度范围内，其尺寸变化小于1%。

2.2 酚醛（PF）泡沫隔热材料

酚醛泡沫隔热材料是由苯酚和甲醛反应生成的预聚物经交联发泡而成。PF泡沫隔热性能较好，且拥有宽温域适应性，适用于中高温的热力管道及设施的保温。常用PF的性能参数见表 2。

PF泡沫材料的不足之处在于脆性较大，若采用韧性好的聚合物，如聚硅氧烷等^[5-6]对其进行化学改性，则可以显著提高其力学性能，从而更好地应用于舰船领域的隔热保温。

2.3 聚酰亚胺（PI）泡沫隔热材料

聚酰亚胺泡沫是有机泡沫隔热材料中综合性能最优异的一种泡沫材料，其研究应用始于20世纪70年代，由美国宇航局（NASA）及其合作单位开发成功，并成功应用于航天飞行器的隔热保温。

与其他有机材料相比，PI泡沫具有以下性能优势：

1）具有良好的阻燃性能；

2）容重低，为5~8 kg/m³，可大大减轻重量；

3）柔性好，在切割成形时不易碎、无粉尘产生；

4）与粘贴的表面结合力强、耐冲击和振动；

5）耐久性好，PI泡沫在高低温、振动、化学试剂等条件下均能保持稳定。PI泡沫首次在舰船领域的应用是在USNLCAC气垫船上，其性能在15年后仍然满足使用要求；

6）温域适应性广，在高温环境亦能稳定使用，同时在低温下保持良好的力学性能；

7）易于安装、维护，不易损坏，寿命长。

PI泡沫在舰船上使用，可大大减轻其重量，增加有效载荷，还可降低使用维护成本，满足现代舰船安全性和功能性的要求^[7]。20世纪80年代初，美国海军论证通过了PI胺泡沫作为舰艇用绝缘保温材料，并在“宙斯盾”导弹巡洋舰上得到广泛应用，与以往采用的隔热绝缘材料相比，每艘实现减重高达50 t，后续舰全面采用该材料，并推广至航空母舰等领域^[8]。表 3列举了不同舰艇等级使用聚酰亚胺泡沫后总体重量的减轻情况。

目前，PI泡沫已成为美国海军各种型号的舰船广泛采用的一种隔热材料；在民用船领域，PI泡沫亦发挥了重要的作用。PI泡沫在美国舰艇应用情况如表 4所示^[8]。

2.4 其他聚合物泡沫隔热材料

除上述聚合物泡沫材料之外，还有聚丙烯（PP）泡沫、聚氯乙烯（PVC）泡沫、聚苯乙烯（PS）泡沫等。它们在隔热性能、吸湿性及价格上均比无机材料有优势，但其共同的缺点在于使用温度范围较窄、阻燃性能达不到舰船使用要求，且某些材料的发泡工艺较难控制，因而应用的情况并不多。

3 气凝胶（Aerogel）超级隔热材料

纳米气凝胶（简称气凝胶）材料是一种由气体分散在有机高分子或无机氧化物、碳化物等固相中形成的一种具有网络、多孔性结构的固体材料。该材料中孔隙的大小在纳米数量级，孔隙率高达80%~99.8%，孔的尺寸为1~100 nm，密度可低至3 kg/m³。气凝胶热导率低的原因在于：1）网络结构中固相含量低、固相传热路径长，热传导贡献小；2）气相分子运动受空间限制，气相热传导贡献微小；3）若在材料内部引入红外阻隔成分，则能够显著抑制热辐射。因此，气凝胶隔热材料在常温常压下的热导率最低仅为0.012 W/m·K^{[9, 10]}。

20世纪30年代初，斯坦福大学Kistlers教授首次报道了利用超临界干燥技术可将SiO₂凝胶内部液体介质替换为气体介质，而凝胶内部结构并没有被破坏，从而获得SiO₂硅气凝胶^[11]。自此，气凝胶研究发展迅速。资料显示，由气凝胶制成的隔热产品应用于舰船时，不仅可以实现较传统材料更优的隔热性能，还能大大降低舰船的体积和重量，因而受到美国海军部门的重视。其中，Aspen公司的基于气凝胶的隔热毡较现有隔热材料质量减轻4倍，大大提高舰船的有效载荷；此外，气凝胶的应用还可提高防火等级，增强舰船的安全性。目前，气凝胶已在美国多种型号的潜艇、驱逐舰、航空母舰等舰船上得到了应用。美国的Therdyne公司、Thermal Ceramic公司，英国的Microtherm公司以及德国的Wacker公司都有气凝胶系列产品应用于舰船领域。美国“旋翼飞行器的轻质隔热材料研究”以及“气凝胶与航天器生存能力”研究计划研制出了温度在350 ℃~1 000 ℃性能优异的气凝胶^[12]。

依据其组成成分的不同，气凝胶可以分为无机氧化物气凝胶、有机高分子气凝胶及其衍生的有机炭气凝胶、无机碳化物气凝胶。其中，无机氧化物主要有SiO₂，Al₂O₃，TiO₂，ZrO₂等；有机高分子主要有酚醛树脂、聚氨酯、聚酰亚胺等；无机碳化物主要有SiC，TiC，MoC等。

3.1 无机氧化物气凝胶隔热材料

SiO₂气凝胶及其复合材料是当前隔热领域研究最早、最多的较为成熟的一种耐高温气凝胶，其气孔率最高可达99.8%，其孔洞尺寸和胶体颗粒的尺寸都在纳米量级，比表面积可达1000 m²/g以上，密度仅为30~100 kg/m³，热传导系数在0.015~0.025 W/m·K。虽然二氧化硅气凝胶材料的热导率很低，可用作隔热材料，但是目前还不能代替其他隔热材料而广泛使用。原因主要有2个：一是密度低、孔隙率高而导致材料的强度低，脆性大；二是对近红外辐射有较强的透过性，导致其对髙温红外辐射的遮挡能力差，使得气凝胶的热导率随温度升高而急剧增加。对此，常用的解决方法是通过向气凝胶中添加纤维而增加材料强度，或通过添加遮光剂而提高材料的红外遮蔽性能^[13]。此外，SiO₂气凝胶自身的Si-O-Si网络结构在800 ℃以上会发生收缩、团聚，比表面积急剧下降，孔隙严重收缩，影响其在高温环境下的应用。

Al₂O₃的熔点高达2000 ℃，以其为基质制备的Al₂O₃气凝胶具有隔热性能好、容重低、比表面积大、耐高温等优异性能，其使用温度可达1000 ℃以上。其制备方法主要有无机铝盐法和有机金属铝醇盐法，前者可制备密度在60~130 kg/m³，比表面积为600~700 m²/g的块状氧化铝气凝胶^[14]，但这种气凝胶收缩率较大、易粉化；后者可制备气孔率在98%以上，比表面积为376 m²/g的Al₂O₃块状气凝胶^[15]。这种气凝胶在品质和性能上均优于前者，但其制备反应速度太快不易控制，且成本较高。Al₂O₃气凝胶在常压30℃时，热导率仅为0.029 W/（m·K）；800 ℃时，热导率仅为0.098 W/（m·K），是制备耐高温隔热材料的理想选择。

ZrO₂气凝胶具有容重低、耐高温、比表面积高等优点，从1976年开始得到隔热材料行业的广泛关注。ZrO₂材料在大温差条件下能保持稳定化学性能和热力学性能。ZrO₂气凝胶的缺点在于，其纳米孔结构会随温度改变而破坏，因此，需对其结构进行调控，提高气凝胶的稳定性。

3.2 有机气凝胶隔热材料

与无机气凝胶相比，有机高分子气凝胶具有较为优良的综合性能，包括轻质、柔性、易于加工与使用等特性。图 1为聚酰亚胺（PI）气凝胶与无机气凝胶的性状对比。

常见的有机气凝胶材料包括酚醛（RF/MF）、聚氨酯（PU）、聚酰亚胺（PI）气凝胶等及其炭化后的炭气凝胶。

20世纪90年代，美国劳伦斯国家实验室的Pekala^[17]在NaCO₃存在下，使用苯二酚和甲醛反应制备了酚醛聚合物凝胶，并采用超临界CO₂干燥法，首次形成了透明、孔径均一（ < 100 nm）的酚醛气凝胶，开创了有机气凝胶研究的新局面。

聚氨酯气凝胶是在PU泡沫的基础上发展起来的一种新型的隔热材料，其研究始于1990年^[18-19]。PU气凝胶的容重可低至80 kg/m³，导热系数可低至0.007 W/（m·K）。

21世纪以来，国外以美国国家宇航局为主的科研机构对PI气凝胶材料开展了系统的研究。目前已经研制成功具有耐高温、阻燃、高绝缘、高绝热以及良好柔韧性的PI气凝胶产品，主要应用于尖端武器及高速飞行器的隔热系统、潜艇声阻隔系统、宇航服隔热等领域。

按照化学组成的不同，PI气凝胶可以分为线型与交联型两类。美国Aspen Aerogels公司2006年获得了线型PI气凝胶的合成专利。线型PI气凝胶制备过程中的收缩率高，且力学性能欠佳。因此，近年来交联型PI气凝胶的研究引起了广泛的关注。美国NASA Glenn研究中心的Meador等与俄亥俄宇航研究所的Guo以及Akron大学的Cakmak等合作制备了一类具有优良力学性能的柔性交联型PI气凝胶。在国内，目前仅有中国科学院化学研究所、北京航空航天大学等少数单位初步开展了PI气凝胶的研究。

聚脲（PUR）气凝胶的制备方法与PU气凝胶类似。Weigold等^[20]制备了密度为40 kg/m³，导热系数为0.027 W/（m·K）的PUA气凝胶；Lee等^[21]制备了导热系数低至0.013 W/（m·K）的PUR气凝胶。

4 复合隔热材料

为结合不同隔热材料的优点，以适应某些高技术领域的应用要求，研究人员发展了复合隔热材料。通常复合隔热材料是包含气凝胶的高性能复合材料，其制备方法主要有前掺杂法和后掺杂法；前者指在形成气凝胶的过程中掺杂改性剂，后者指掺杂剂与气凝胶直接复合。本文主要针对由气凝胶和纤维组成的复合隔热体系进行综述，其中气凝胶提供优异的隔热性能，纤维则可以改善其力学性能。

徐广平等^[22]在采用SiO₂溶胶与Al₂O₃纤维复合，经超临界干燥后制备了气凝胶复合隔热材料。研究表明：复合后，气凝胶的力学性能和高温下的纳米孔结构稳定性提高；当纤维的含量为8 wt%时，复合材料的综合性能最佳，抗压强度可达1.98 MPa，同时热导率为0.051 W/（m·K）。Zhang等^[23]在制备气凝胶过程中添加10%的短切陶瓷纤维，所得气凝胶复合材料的力学强度提高了5倍，从0.016 MPa提高至0.096 MPa，且导热系数可低至0.029 W/（m·K）。高庆福等^[24]采用陶瓷纤维与氧化硅溶胶混合，充分分散后，经超临界CO₂干燥得到结构完整的气凝胶复合材料。当纤维含量为7.6%时，复合材料的力学性能最佳，弯曲强度达1.31 MPa，但作者并未研究其隔热性能。

在国内，浙江纳诺科技有限公司可提供各种形式的气凝胶隔热产品，如气凝胶绝热毡、气凝胶绝热板、气凝胶粉体及异形件等；此外，广州英德埃力生公司生产的以SiO₂气凝胶为主原料的复合气凝胶毡，除导热系数极低外，还具有韧性好、耐辐射、无毒环保、施工简便等优点，使用温度最高可达1000 ℃，最低可达-200 ℃，代表了国内气凝胶保温隔热材料的发展前沿。

5 结语

随着现代舰船性能及结构的不断发展，对应用于舰船领域的隔热材料的综合性能提出了更高的要求，综合上述不同类型的隔热材料可以看出，单独的无机、有机甚至气凝胶隔热材料均无法很好的满足舰船领域的使用要求，其存在的主要问题如下：

1）虽然气凝胶类材料隔热性能优异，但其高昂的制造成本严重影响其在各领域的应用推广；

2）其隔热性能与力学性能难以同步提升；

3）施工工艺复杂，维修便捷性不足。

因此，为满足舰船装备高性能化的发展要求，亟需开发一种制备工艺可靠、综合性能优异的绝缘保温材料。