目前，在船舶制造中船舶蒸汽管道的传统保温材料主要是矿棉、岩棉等。这些传统的保温材料由于具有不同的特点和差异，被使用在不同的船体部位。随着工业要求的不断提高，传统保温材料的局限性越发凸显，已经无法满足日益增长的工业生产质量需求。因此，亟待开发性能更稳定、保温效果更好、更加无害环保的新型材料取代传统保温材料。这导致新型气凝胶保温材料的研究受到越来越多的重视。 
 1  传统保温材料 
船用的传统保温材料主要包括无机纤维类，例如岩棉、陶瓷棉、玻璃棉，一些特殊的船体部位还会用到有机类、无机矿物类隔热材料。 
 1.1  无机纤维类

1.1.1 岩棉

岩棉主要是以白云石、玄武岩等纯天然矿石作为原材料，通过高温灼烧溶化后采用高速离心法将其甩拉成非连续性纤维，同时也需要加入一定量防尘油、憎水剂和粘结剂形成不同的规格和用途的岩棉产品。 经过此工艺所得到的岩棉制品不仅密度小、化学性能稳定，还具有优异的隔热、防火和吸声性能且价格低廉。 但是，由于岩棉纤维较脆、较粗，耐热性能不佳，尤其是在其吸潮或者老化之后，导致其使用温度维持在650 ℃～850 ℃之间，现有的大部分岩棉材料未达到Ａ级耐火分隔材料的标准。除此之外，岩棉材料还存在憎水性较差、淋雨后易散掉、抗振动性差、在施工过程中易产生粉尘、刺激施工人员的皮肤等缺点。 

1.1.2 陶瓷棉

船用陶瓷棉是由天然焦宝石或氧化铝和氧化硅粉末等陶瓷质材料经高温熔融、压缩空气吹制，再由集棉器制备而成的耐火纤维，耐高温极限温度可以达到1000℃~1200 ℃。具有纤维细、重量轻、强度高、弹性好、隔热防火、隔音、耐腐蚀、耐机械振动等优势，在船舶热防护等级中能达到船舶防护等级标准。 陶瓷棉取代了石棉板、珍珠岩板、蛙石板等易破碎的传统保温材料被用作A、B级分隔，舱壁、甲板的防火绝缘材料及A、B级防火绝热材料。 跟岩棉相比，陶瓷棉在使用过程中能够有效减小结构的空间位置，有助于节约用料成本。而它对人体皮肤刺激性小、便于施工和维护的特点使得它在船体中被大量使用，应用非常广泛。 

1.1.3 玻璃棉

玻璃棉主要是石英砂、石灰石、白云石等作为主要原料，加上一些纯碱、硼砂等化工原料混合熔融后，借助高温气体喷吹，得到一种人造无碱超细玻璃纤维。

• 具有以下诸多优点：它纤维直径细（可以达到1μm左右）、容重低（低至20 kg/m3）；其次，它在高温和低温条件下均有良好的保温隔热性能、热导率低（0.034 W/mK）；最后，它加工性能好、吸音性能好、耐腐蚀、耐老化、渣球含量低。

 因此，早在20世纪70年代，玻璃棉作为一种绝缘材料，被美国广泛应用于海军舰船的舱室及潜艇的围壳。 

• 然而，玻璃棉的使用温度较低，通常在500 ℃~600 ℃之间，因此无碱超细玻璃棉还不能直接用作A级耐火分隔材料。

 1.2  有机类

常见的保温材料还包括有机聚合物材料发泡形成的多孔材料，例如聚氨酯泡沫（PU）、聚酰亚胺（PI）泡沫和酚醛（PF）泡沫。 1.2.1 PU泡沫类隔热材料
PU是聚氨酯经过添加催化剂、发泡剂反应发泡而成。船舶上常用的聚氨酯泡沫以闭孔的硬质PU为主。PU具有优异的隔热保冷性能（导热系数为0.023 3~0.025 6 W/mK），尤其是在低温和超低温环境中，因此在远航船舶的冷库建设时较为常见。

• 优点：此外，它具有高强度抗压（0.196 MPa）特性，温度适用范围较窄（-110 ℃~130 ℃），适用于绝热保温、冷藏冷冻设备及冷库、绝热板材、墙体保温、管道保温、储罐的绝热填缝材料等方面。
• 劣势：PU的防火性能与其他绝热材料相比而言，其效果较为不佳，使得它的应用受到了一定的限制。

1.2.2 PI泡沫隔热材料

PI泡沫隔热材料是聚酰亚胺与发泡剂、稳定剂通过发泡反应生成的泡沫材料，开发以来被应用于航天航空的隔热保温，是有机泡沫隔热材料中价格最为昂贵且综合性能最优的一种泡沫材料。

其特点是容重低（5~8 kg/m3），可大大减轻船舰重量。

PI泡沫隔热材料温度范围为-260 ℃~350 ℃，在过高温度下聚酰亚胺会发生分解。 

1.2.3 PF泡沫隔热材料

PF是甲醛和苯酚产生反应生成预聚物后由交联发泡形成的泡沫隔热材料。酚醛泡沫具备宽温适应性和高效绝热性，主要用于低温设施的保温和中高温的热力管道方面。 其唯一的不足之处在于脆性较大，因此为了更好的发挥其优势，在应用于舰船领域隔热保温时，添加如聚硅氧烷等韧性好的聚合物对其进行化学改性，提高它的力学性能。 

 1.3  无机矿物类

除上述无机纤维类材料之外，还有多孔性隔热材料，例如以硅藻土、消石灰等为主要原料，添加纤维后经过多种工艺制成的硅酸钙制品，可用于船舶的防火围壁和高能管道方面。 

膨胀珍珠岩

纯天然珍珠岩矿砂在预热后，瞬时高温焙烧膨胀会得到一种内部为蜂窝状结构的白色颗粒状的材料——膨胀珍珠岩，也是一种被广泛应用的保温多孔材料（导热系数约为0.076 W/mK）。 

• 优点：膨胀珍珠岩具有良好的保温效能、防火性能、环保性能以及化学稳定性能，应用范围广，在很多领域都具有普遍适用性并且表现出相当优异的成绩。

• 缺点：然而，该材料耐水性差、吸水率高的特性会导致其在后期出现易开裂、保温性能降低的现象，并影响硬化后的相关技术性能。因此，常在生产过程中使用无机溶剂和助剂有效增加它的耐潮湿、耐腐蚀性能。

无机矿物类隔热材料作为一种新型无机保温材料，有其特殊的优势：

• 第一，相较于传统无机纤维类材料，在隔热效率上有明显提升；

• 第二，无机矿物材料通常耐高温，具有良好的化学稳定性和防火性能；

• 第三，大多数无机矿物材料原料丰富，生产过程中对环境的影响较小，符合可持续发展的理念；

• 第四，密度较低，重量轻，通常在10-20 kg/m3。

 然而，利弊随性，这类材料的缺点也随之可见：

• 第一，无机矿物类材料的导热系数一般在0.03-0.05 W/(m K)左右，与有机材料相比导热系数较高，可能影响保温效果；

• 第二，无机矿物类材料通常不具备良好的可塑性，可能难以适应船舶管路复杂的形状和结构；

• 第三，无机矿物类材料通常较硬，施工时需要专业的技术和设备，施工难度较大；

• 第四，材料合成过程中的高腐蚀性化学物质残留不仅存在一定的使用安全隐患，也增加了后期维护保养成本。

2 气凝胶材料的优势 

 2.1  低导热系数

目前，最轻的固体材料是气凝胶，拥有极低的导热系数（常温下小于0.015 W/mK，是一种绝佳的绝热材料。气凝胶包括氧化物气凝胶（包括SiO2、Al2O3等）、碳化物气凝胶等，目前工艺较为成熟的是SiO2氧化物气凝胶。 一方面气凝胶在制备过程中形成的低孔径纳米结构能有效延长热量的传导，这也是气凝胶具有极低的导热系数的原因，但是高孔隙率、低密度的特点导致气凝胶有很大的脆性，在高温时红外射线容易辐射透过，增大导热，很难直接使用。 

为了达到更好的使用效果，通常与纤维、遮光剂等进行复合，如气凝胶和玻璃纤维进行复合，复合后的材料导热系数为0.018~0.021 W/mK，远低于传统保温材料的导热系数值（0.018~0.48 W/mK）（见表1）。相比于传统保温材料，复合材料的节能效果可提升30%~50%，有利于其被应用在管道、建筑保温等领域。

  2.2  防火性能
船用防火隔热材料使用环境主要是维持舱室适宜的工作和生活环境、对防火及热力管道等进行隔热保温。其性能的优劣会直接影响舰船舒适性、安全性以及服役寿命，甚至是部队的战斗力。因此，使用该材料时需要展开多方面的综合性能评价。 船舶耐火分隔等级包括Ａ级、Ｂ级和C级三级，气凝胶作为一种无机材料，具有防火性强、宽温度使用范围、耐温差冲击的特点，有A级的耐火性，在耐火性要求很高的船舶场合非常适用，在火灾或意外发生时能够很好的保护装置。气凝胶可以达到不燃性要求，硅基气凝胶作为一种绿色的材料具有低播焰性、无毒性，符合船舶使用要求。
  2.3  减少保温层厚度
气凝胶复合材料不仅导热系数低，而且在同等保温效果时，它的使用厚度仅为传统材料的1/4到1/2，温度越高差距越明显。因此气凝胶复合材料在密集管线和狭窄的空间，可以大大降低保温层厚度，提高空间利用率，降低运输负荷，能有效增大船体空间。 

 2.4  抗老化能力
气凝胶的憎水率不低于98%，体积吸水率则不大于1%，拥有极强的憎水性。但是气凝胶独特的多孔结构拥有透气性，这有效避免设备和管道腐蚀，提高设备安全。 此外，稳定的性能相比传统保温材料，气凝胶有更强的抗老化能力，数据表明其寿命是常规材料的8~10倍，后续只需更少的维护成本就可达到可靠的绝热效果。 在施工方面，气凝胶绝对憎水，在运输和施工时无特殊防水需求，且雨水浸泡也不会导致解体沉降，即使在潮湿环境下也能存储。最后是它的超强机械性能，这是由于基材赋予它良好的柔性、韧性及抗压性，在一些管道、支撑件以及管托均可以使用，可以满足各种设计及施工安装需求。

3 案例分析 
对某船厂船只烟道使用气凝胶材料进行保温改造，分析对比了气凝胶保温结构和传统矿质棉的保温效果，为船舶保温工程应用提供一定的借鉴。 

 3.1  工况概括

船舶管道温度：600 ℃；管道外径：1 240 mm；管长度：1.5 m；风速0 m/s；平均环境温度：25 ℃。 
 3.2  保温方案
改造方案是使用150 mm的气凝胶毡（内部60 mm陶瓷纤维，外部90 mm玻璃纤维）代替200 mm的矿棉。 
 3.3  保温效果
根据GB 50 264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》分别计算改造前后保温层厚度、表面温度、热损失、年散热量，计算结果如表2所示。数据表明，采用气凝胶方案的优势有： 

• 第一，保温层厚度减小，150 mm的气凝胶厚度可以符合保温要求，保温后直径减少100 mm，减少了管道的占用空间，提高管廊利用；

• 第二，气凝胶保温方案的表面温度为45.03 ℃，远低于矿棉（56.61 ℃），随着运行时间增长，矿棉的表面温度逐渐增高，现场测得数据超过60 ℃。

• 第三，气凝胶方案的散热损失和管线年散热量比矿棉节省30%，有利于节能；

• 第四，气凝胶的施工难度低，安装简单，后期维护费用低。结合气凝胶强度高，稳定性好，能够长期保持良好的绝热保温效果，不会出现层下塌或是上薄下厚的现象，使用寿命更长。

4 结论 
目前，常规的气凝胶产品在国内已相对成熟，未来会朝着轻量化、耐高温、低成本的方向发展。 气凝胶作为一种新型的防火隔热材料，应用于船舶管道隔热保温系统可有效提高绝热性能，减小能量损耗；在同样的保温效果下，使用气凝胶可大大节约材料成本，减少管道包覆厚度和管道所占用的排布空间；轻量化的气凝胶产品还可以进一步减少船系统的整体重量；同时，随着成本的降低，气凝胶产品在经济性上较传统材料更有优势。相信不远的将来，气凝胶产品会在船舶领域有更大范围的应用和延伸。