原標題：不容忽視的船舶隔熱材料
沉沒前的巴西聖保羅號航母。資料圖片
隔熱效果良好的氣凝膠材料。資料圖片
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，南美洲最後一艘航母、巴西的聖保羅號沉入約5000米深的海底。
作為巴西海軍旗艦，聖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月退役後，聖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。
聖保羅號沉海的消息，使人們的目光再次聚焦於船舶隔熱材料。土耳其為何會將其拒之門外？隔熱材料又在艦船上發揮著什麼樣的作用？請看——
阻斷傳熱，輔助防火
2022年12月22日，俄羅斯唯一的航空母艦庫茲涅佐夫號突發火災。幸運的是，這次火災規模不大，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，美國林肯號航母訓練時突發大火，造成9名水兵受傷。
這些年，軍艦非戰鬥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。震驚之餘，人們不禁也會疑惑：數萬噸的鋼鐵巨艦，為何總會被火焰「灼傷」？
大型軍艦與民用船舶不同，艙室結構極其複雜、通風系統四通八達。正所謂「火趁風威，風助火勢」，一旦發生火災，高效的通風系統將搖身一變，化作大火蔓延的「絕佳幫手」。軍艦往往還攜帶有易燃易爆品，艦上發生火災時，滅火難度極大，且耗時較長。
按照現代軍艦的損害管制理念，可以利用結構防火、限制使用可燃材料等手段，縮小火災蔓延範圍、降低火災爆炸可能性。阻斷熱流傳遞是實施結構防火的主要手段之一，通過敷貼隔熱材料，可以讓艙壁在一定時間內不會被火焰穿透，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，船舶主動力系統每時每刻都在發生大規模燃燒反應。如若主機鍋爐整體隔熱不好，則難以保證燃燒效果，功率提不上去；如隔熱效果不均勻，個別位置可能會出現疏漏，長時間往外滲透高熱量，容易誘發火災。在鍋爐膛外附著隔熱材料，可以有效解決這個問題。
從使用效果上看，在鍋爐膛外附著隔熱材料，能進一步提高熱效率，從而增強主機輸出功率和燃油利用率，提高艦艇續航能力；從環境影響上看，隔熱材料能夠顯著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境；從作戰效能上看，合理使用隔熱材料，還能幫助軍艦減小紅外暴露，降低被紅外探測設備發現的概率。
值得注意的是，隔熱材料服役環境惡劣，要一直經受高溫、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、受火後不會產生過量有害氣體等特性。因此隔熱材料研發的難度相對較高。2012年，印度「維克拉馬蒂亞」號航母，在試航時就曾因動力系統耐火隔熱材料不過關，造成主鍋爐坍塌，延期近1年交船。
以人為本，更新疊代
熱導率是直接反映材料隔熱性能的指標。通常來說，熱導率越大，導熱能力越強，隔熱性能越差；反之則導熱能力越弱，隔熱性能越好。傳統隔熱材料基本都是由骨架材質和空氣組成的多孔結構，靠著占絕大部分體積的空氣的低熱導率來實現隔熱。其原理跟羽絨服很像，羽絨的蓬鬆結構能夠鼓起大量空間吸存空氣，空氣的熱導率又很小，因此羽絨的保溫隔熱效果就很好。
從歷史發展情況來看，船舶隔熱材料主要分為有機、無機兩大類別。
早期的隔熱材料一般取材於自然界天然有機材料。橡木在木製戰艦時代是造船主材之一，整體材質堅實細密，木質纖維中又有很多氣泡，具有良好的透氣、保濕和隔熱作用，被稱作「會呼吸的木頭」，甚至到了近現代還被用於船舶隔熱。打響十月革命第一炮的「阿芙樂爾」號巡洋艦，採用的隔熱材料就是橡木。但木質材料在溫暖潮濕的環境中容易腐爛，需要艦員經常保養，且溫度過高后會變形甚至被引燃，因而隨著技術發展逐漸被淘汰。
20世紀50年代以後，合成有機隔熱材料開始逐步應用於艦船的隔熱保溫。如酚醛泡沫、聚氨酯泡沫、聚醯亞胺泡沫等。然而，有機隔熱材料由於耐溫性、防火等級較低，僅適用於保冷或者工作溫度較低的場合。很快，以石棉為代表的耐高溫無機隔熱材料開始登上舞台，並在很長一段時間內飾演主角。
石棉是天然纖維狀矽石礦物的泛稱，其單元纖維抗拉強度高、彈性好，耐高溫和化學腐蝕，具有很強的吸附性，且價格低廉，性價比高。但隨著時間推移，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，在密閉艙室內非常容易引發石棉肺、肺癌等病症。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。
矽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，經電爐高溫熔融後離心製得，熱導率和熱容量低、熱穩定性和抗熱震性好、耐壓強度和韌性高。其耐火溫度通常高於900℃，製品主要用於船舶耐火分隔和高溫管道隔熱。
人是戰爭制勝的決定性因素。現代海軍艦船的製造，更加遵循以人為本的原則，維護好上艦官兵的身體健康，才能最大程度地發揮艦船的戰鬥力。隨著科技發展，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重要因素。艦船製造禁用石棉，體現著時代的進步，也為艦船製造「升級」提供了新機遇。
與時俱進，潛能巨大
1992年，國際材料工程大會提出了超級隔熱材料的概念，即在預定條件下，材料熱導率低於無對流空氣。要實現超級隔熱，必須降低材料內部空氣的導熱。其實現途徑主要有兩種：一是將材料內部抽成真空，減少材料內部的氣體分子；二是使多孔材料內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，降低氣體導熱。
隨著科技的加速發展，超級隔熱材料這一概念已經逐漸應用於現實。輕質、憎水、高效、環保的新型複合納米孔材料，以及具有納米結構的氣凝膠材料，都被研發並應用於船舶隔熱。這兩類材料的共同特點是，其內部孔結構維持在納米尺度，小於空氣分子的平均自由程，因而具有低於「無對流空氣」的熱導率。
氣凝膠材料曾被國際著名期刊《科學》列為世界十大新材料之一，保持了最低熱導率、最低密度等數十項世界紀錄。目前，氣凝膠已被用作美國魚鷹直升機紅外系統的防護構件、英國美洲豹戰鬥機改型的駕駛艙隔熱壁等，包括中國在內的各國航天探測設備中也都有廣泛應用。
隨著現代物理研究的進步，隔熱材料的前沿概念也有了進一步發展。比如近年來比較火的熱超構材料，其工作原理為，使熱流規避某一區域卻不變向，進而讓該區域內的物體實現熱隱身。將其運用到隔熱領域，則需要研究能否通過設計材料的幾何結構來實現熱流反轉，從而開闢一片絕對恆溫區。
無論新型超級隔熱材料，還是概念中的熱超構材料，都可以用更輕的重量、更小包敷厚度達到與傳統隔熱材料等效的隔熱效果。這一特點在艦船熱防護系統中具有舉足輕重的優勢。新型隔熱材料運用後，除了可以顯著降低艙室環境溫度，還可以有效減重，節省寶貴的艙室戰鬥空間，降低熱損耗，節約燃料，提高續航力；同時也能夠減少管路及設備腐蝕，改善艦員工作環境，降低安裝及維修費用；用於隔熱的熱超構材料，還能夠顯著降低艦船的紅外目標可探測性，甚至實現艦船熱隱身，具有巨大的經濟、科技和軍事價值。
縱觀材料科技發展歷程，性能的精益求精促使研究視域由宏觀世界發展到微觀尺度，甚至細化到分子視角。這更加需要研究人員勇於探索，在科技無人區不斷取得新突破。（■費志方 尹 浩 本報特約通訊員 侯 融）
責任編輯:小雲