内容简介
隔热材料是对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。高性能隔热材料研制和开发是解决能源紧缺的有效措施之一，更是解决舰船隔热难题的关键，具有重要的现实意义。
气凝胶高效隔热材料是目前高性能隔热材料研究的主要方向，《舰用新型气凝胶材料》总结作者团队十多年来在气凝胶高效隔热材料领域的研究成果，系统介绍SiO2基、聚酰亚胺基、碳基、SiC基等气凝胶材料的制备工艺、结构和性能表征、隔热机理，以及舰用新型多功能一体化气凝胶材料、舰用新型复合纳米孔绝热材料和气凝胶材料未来的发展方向。
精彩书摘
**章绪论
舰船绝热材料的性能不仅影响舰员的居住环境，更会影响舰船的安全性能和服役寿命。随着国防地位的提升，我军的使命任务日益繁重，这对航行安全提出了更高的要求。舰船动力系统作为安全航行的“心脏”，与其密切相关的绝热材料扮演着重要角色。目前，常用的舰船绝热材料主要有三类，除“三稀”即岩棉、玻璃棉、矿棉、硅酸铝、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫这类材料工艺成熟、成本低廉，但性能有限。与之相比，气凝胶（hydrogel，HA）材料具有密度低、导热系数低、热稳定性高、吸声性能好等性能优势，可作为新一代高性能舰船绝热材料，从而实现航行能力与安全性能的提升。
1.1舰船传统绝热材料
1.1.1纤维类绝热材料
纤维材料是纤维状物质通过纺织加工工艺形成的结构化材料。它的结构十分特别：①纤维材料并不是通常意义上的连续介质，在它的内部存在大量的纤维与纤维、纤维与空气的界面，纤维与纤维之间的连接非常松散，在力学特性上具有十分*特的模量；②纤维材料中的孔隙是纤维之间自然形成的孔隙，这些孔隙都是贯通孔隙，这使得纤维材料的有效孔隙率非常高；③纤维材料是一种长径比很大的物质形态，直径非常小，容易发生弯*变形，因此纤维材料也十分的柔软，形状适应性非常好。在绝热领域，常见的纤维种类有无机纤维、合成纤维及纳米纤维等。
无机纤维是以无机物质为原料制成的化学纤维，主要品种有玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维、金属纤维等。无机纤维材料具有优异的力学性能和耐热性能，可用于高温和高压环境的噪声控制，如碳化硅纤维用于飞机发动机的热端结构。碳化硅纤维是以硅和碳为主要成分的多晶陶瓷纤维，可用气相沉积法和烧结法制备。碳化硅纤维的抗拉强度和抗拉模量高，耐热性优良，在1200℃高温下几乎不与其发生反应，还具有耐化学腐蚀和降辐射等性能。*高使用温度为1500℃，在1200℃下，其拉伸强度和杨氏模量均无明显下降。此外还具有半导体性能，主要用于金属基和陶瓷基复合材料。目前，船舶上应用*广泛的为玻璃纤维和陶瓷纤维。
玻璃纤维由各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度拉丝而成，其成分和结构与普通玻璃相类似，但因加工方法或条件不同，其性质也有所差异。它的伸长率和膨胀系数小，除氢氟酸和热浓碱外，能耐许多其他介质的腐蚀，并且它不能燃烧，耐高温性好，随品种不同，其软化点为680～1000℃。玻璃纤维的缺点是不耐磨，易折损，易受机械损伤，长期放置后强度下降，但价格低廉、品种较多，可作为增强材料用于航空航天、建筑工业及日常用品生产等行业。此外，还有一类特种玻璃纤维，如石英玻璃纤维、高硅氧纤维、高强度纤维、高模量纤维、耐辐射熔丝纤维等，它们各自具有*特的物理化学性能，因而也可用于制作功能复合材料的增强材料。
陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有质量轻、耐高温、热稳定性好、导热系数小、比热小及耐机械振动等优点，在汽车、**、航空航天等领域已有广泛应用。陶瓷纤维按组成，分为耐碱类（非晶态）纤维和多晶（晶态）纤维两大类。玻璃态陶瓷纤维的生产方法是将原料在电阻炉内熔融，高温熔体从出料口流出，流到多头离心机械高速旋转的甩丝辊上，用丝辊的离心力将高温熔体甩成纤维状材料。高温熔体也可以在高速气流喷吹力的作用下骤冷而被吹制成纤维状材料。多晶陶瓷纤维的生产方法有胶体法和先驱体法两种。胶体法是将可溶性的铝盐、硅盐等制成一定黏度的胶体溶液，用膨化有机纤维均匀吸收该胶体溶液，再进行热处理而转变成铝硅氧化物晶体纤维。
作为典型纤维的代表，氧化物纤维因熔点高、耐腐蚀、成本低，以及良好的力学强度在船舶领域中备受关注。已知的氧化物陶瓷纤维主要由二氧化硅（SiO？）、莫来石（3Al？O？？2SiO？）、氧化铝（Al？O？）和氧化锆（ZrO？）等氧化物组成。它们的应用领域取决于其熔点和*高使用温度。例如，铬和市场很大的SiO？基玻璃纤维在250℃以上的温度下无法使用。此外，氧化铝基纤维常被用作耐火绝热材料，*高使用温度可达1600℃。一般来说，氧化物基陶瓷纤维的导热和导电性能较差，热膨胀系数高于非氧化物陶瓷纤维。这些纤维具有优异的绝缘性能，通常被用作高温绝缘材料。与非氧化物陶瓷纤维相比，它们的密度通常更高，而与金属相比，它们的密度相对较低。氧化物基纤维是*常见的氧化物纤维。这类纤维具有优异的热性能、力学性能和电性能，如高强度、高抗热震性和抗蠕变性、高热稳定性、低热膨胀系数和良好的介电性能。此外，氧化物基纤维在氧化性和还原性气氛中具有良好的化学稳定性，可在高达1000℃的高温下使用，因此更受青睐。它们的应用多种多样，如密封垫圈、电绝缘及飞机和航天器的热防护材料。氧化铝基纤维还适用于各种金属、陶瓷和聚合物复合材料的结构加固材料，使其更加坚硬和牢固。
非氧化物陶瓷纤维一般由硼（B）、碳（C）、氮（N）、铝（Al）、硅（Si）等轻元素构成，
目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 舰船传统绝热材料 1
1.1.1 纤维类绝热材料 1
1.1.2 泡沫类绝热材料 4
1.1.3 其余舰用绝热材料 7
1.2 舰船新型气凝胶材料 9
1.2.1 气凝胶材料的结构与特点 10
1.2.2 气凝胶的研究现状及进展 17
1.3 舰船绝热材料的应用特点 23
1.3.1 耐高温 23
1.3.2 绝热 24
1.3.3 隔声 27
1.3.4 吸声 29
1.3.5 疏水 33
参考文献 36
第2章 SiO？基气凝胶复合材料 41
2.1 SiO？气凝胶简介 41
2.1.1 SiO？气凝胶的特点 42
2.1.2 SiO？气凝胶的制备工艺 42
2.1.3 SiO？气凝胶的应用 45
2.1.4 SiO？气凝胶的舰用场景及特点 47
2.2 疏水SiO？气凝胶 48
2.2.1 常压干燥的疏水SiO？气凝胶 48
2.2.2 水溶剂环境的疏水SiO？气凝胶 49
2.2.3 混合溶剂环境下的疏水SiO？气凝胶 50
2.3 纤维增强SiO？气凝胶复合材料 52
2.3.1 短切纤维增强SiO？气凝胶 52
2.3.2 长纤维增强SiO？气凝胶 53
2.3.3 力学强化纤维增强SiO？气凝胶 55
2.4 有机-无机交联气凝胶 56
2.4.1 TEOS基PI-SiO？交联气凝胶 57
2.4.2 MTES基PI-SiO？交联气凝胶 57
2.4.3 BTPA基有机-无机原位杂化气凝胶 61
参考文献 64
第3章 聚酰亚胺基气凝胶材料 66
3.1 聚酰亚胺气凝胶简介 66
3.1.1 聚酰亚胺气凝胶的制备 66
3.1.2 PI气凝胶的结构调控因素 71
3.1.3 PI气凝胶的应用 73
3.2 PI复合气凝胶 75
3.2.1 PI/硅复合气凝胶 75
3.2.2 PI/碳复合气凝胶 76
3.2.3 PI/高分子复合气凝胶 76
3.2.4 PI/其他材料复合气凝胶 77
3.3 PI-SiO？交联气凝胶 78
3.3.1 TEOS基PI-SiO？交联气凝胶的制备原理与工艺 78
3.3.2 组分含量对TEOS基PI-SiO？交联气凝胶性质与结构的影响 80
3.3.3 组分含量对TEOS基PI-SiO？交联气凝胶性能的影响 85
3.4 3D打印PI气凝胶 89
3.4.1 冷冻铸造辅助DIV打印HPI气凝胶 90
3.4.2 HPI气凝胶的墨水性能与结构特征 91
3.4.3 HPI气凝胶的密度与收缩特征 94
3.4.4 HPI气凝胶的力学性能和隔热性能 95
参考文献 96
第4章 碳基气凝胶材料 102
4.1 碳气凝胶简介 102
4.1.1 碳气凝胶的特点及分类 102
4.1.2 碳气凝胶的制备工艺 103
4.1.3 碳气凝胶的舰用场景及特点 105
4.2 酚醛树脂基碳气凝胶 105
4.2.1 原料配比 105
4.2.2 酸碱催化机理 110
4.2.3 老化时间 112
4.2.4 干燥方式 112
4.2.5 碳化温度 114
4.3 模板法制备酚醛树脂基碳气凝胶 115
4.3.1 模板法的种类 115
4.3.2 盐模板法前驱体 116
4.3.3 自牺牲盐模板法 117
4.3.4 纳米多孔结构控制 121
4.4 酚醛树脂基碳气凝胶复合材料 122
4.4.1 物理性质 122
4.4.2 微观结构 123
4.4.3 保温性能 125
4.4.4 力学性能 126
4.4.5 界面蒸发性能 126
4.5 生物质基碳气凝胶 128
4.5.1 碳-石墨烯复合气凝胶 128
4.5.2 Janus双层结构构建 129
4.5.3 结构调控 131
4.5.4 蒸发性能 132
参考文献 137
第5章 SiC基气凝胶材料 143
5.1 SiC气凝胶简介 143
5.1.1 SiC气凝胶的特点 143
5.1.2 SiC气凝胶的制备工艺 144
5.1.3 SiC气凝胶的应用 151
5.1.4 SiC气凝胶的舰用场景及特点 156
5.2 舰用吸波型SiC复合气凝胶 157
5.2.1 舰用吸波型SiC复合气凝胶的制备 157
5.2.2 舰用吸波型SiC复合气凝胶的形成机理 160
5.2.3 舰用吸波型SiC复合气凝胶的吸波性能 166
5.3 舰用高强度SiC气凝胶 173
5.3.1 舰用高强度SiC气凝胶的制备 173
5.3.2 舰用高强度SiC气凝胶的晶须生长机理研究 179
5.3.3 舰用高强度SiC气凝胶的性能 185
5.4 舰用吸波-隔热一体化SiC气凝胶 188
5.4.1 舰用吸波-隔热一体化SiC气凝胶的制备 189
5.4.2 舰用吸波-隔热一体化SiC气凝胶的结构设计与形成机理 192
5.4.3 舰用吸波-隔热一体化SiC气凝胶的性能 196
参考文献 203
第6章 舰用新型多功能一体化气凝胶材料 213
6.1 舰用新型多功能一体化气凝胶材料的概述与研究现状 213
6.1.1 概述 213
6.1.2 研究现状 215
6.2 舰用隔热吸声一体化气凝胶材料 218
6.2.1 PI/SiO？复合气凝胶 218
6.2.2 3D打印PI/SiO？气凝胶 222
6.3 舰用隔热隔声一体化气凝胶材料 226
6.3.1 MTES基SiO？气凝胶 226
6.3.2 短切纤维增强MTES基SiO？
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**章绪论
舰船绝热材料的性能不仅影响舰员的居住环境，更会影响舰船的安全性能和服役寿命。随着国防地位的提升，我军的使命任务日益繁重，这对航行安全提出了更高的要求。舰船动力系统作为安全航行的“心脏”，与其密切相关的绝热材料扮演着重要角色。目前，常用的舰船绝热材料主要有三类，除“三稀”即岩棉、玻璃棉、矿棉、硅酸铝、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫这类材料工艺成熟、成本低廉，但性能有限。与之相比，气凝胶（hydrogel，HA）材料具有密度低、导热系数低、热稳定性高、吸声性能好等性能优势，可作为新一代高性能舰船绝热材料，从而实现航行能力与安全性能的提升。
1.1舰船传统绝热材料
1.1.1纤维类绝热材料
纤维材料是纤维状物质通过纺织加工工艺形成的结构化材料。它的结构十分特别：①纤维材料并不是通常意义上的连续介质，在它的内部存在大量的纤维与纤维、纤维与空气的界面，纤维与纤维之间的连接非常松散，在力学特性上具有十分*特的模量；②纤维材料中的孔隙是纤维之间自然形成的孔隙，这些孔隙都是贯通孔隙，这使得纤维材料的有效孔隙率非常高；③纤维材料是一种长径比很大的物质形态，直径非常小，容易发生弯*变形，因此纤维材料也十分的柔软，形状适应性非常好。在绝热领域，常见的纤维种类有无机纤维、合成纤维及纳米纤维等。
无机纤维是以无机物质为原料制成的化学纤维，主要品种有玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维、金属纤维等。无机纤维材料具有优异的力学性能和耐热性能，可用于高温和高压环境的噪声控制，如碳化硅纤维用于飞机发动机的热端结构。碳化硅纤维是以硅和碳为主要成分的多晶陶瓷纤维，可用气相沉积法和烧结法制备。碳化硅纤维的抗拉强度和抗拉模量高，耐热性优良，在1200℃高温下几乎不与其发生反应，还具有耐化学腐蚀和降辐射等性能。*高使用温度为1500℃，在1200℃下，其拉伸强度和杨氏模量均无明显下降。此外还具有半导体性能，主要用于金属基和陶瓷基复合材料。目前，船舶上应用*广泛的为玻璃纤维和陶瓷纤维。
玻璃纤维由各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度拉丝而成，其成分和结构与普通玻璃相类似，但因加工方法或条件不同，其性质也有所差异。它的伸长率和膨胀系数小，除氢氟酸和热浓碱外，能耐许多其他介质的腐蚀，并且它不能燃烧，耐高温性好，随品种不同，其软化点为680～1000℃。玻璃纤维的缺点是不耐磨，易折损，易受机械损伤，长期放置后强度下降，但价格低廉、品种较多，可作为增强材料用于航空航天、建筑工业及日常用品生产等行业。此外，还有一类特种玻璃纤维，如石英玻璃纤维、高硅氧纤维、高强度纤维、高模量纤维、耐辐射熔丝纤维等，它们各自具有*特的物理化学性能，因而也可用于制作功能复合材料的增强材料。
陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有质量轻、耐高温、热稳定性好、导热系数小、比热小及耐机械振动等优点，在汽车、**、航空航天等领域已有广泛应用。陶瓷纤维按组成，分为耐碱类（非晶态）纤维和多晶（晶态）纤维两大类。玻璃态陶瓷纤维的生产方法是将原料在电阻炉内熔融，高温熔体从出料口流出，流到多头离心机械高速旋转的甩丝辊上，用丝辊的离心力将高温熔体甩成纤维状材料。高温熔体也可以在高速气流喷吹力的作用下骤冷而被吹制成纤维状材料。多晶陶瓷纤维的生产方法有胶体法和先驱体法两种。胶体法是将可溶性的铝盐、硅盐等制成一定黏度的胶体溶液，用膨化有机纤维均匀吸收该胶体溶液，再进行热处理而转变成铝硅氧化物晶体纤维。
作为典型纤维的代表，氧化物纤维因熔点高、耐腐蚀、成本低，以及良好的力学强度在船舶领域中备受关注。已知的氧化物陶瓷纤维主要由二氧化硅（SiO？）、莫来石（3Al？O？？2SiO？）、氧化铝（Al？O？）和氧化锆（ZrO？）等氧化物组成。它们的应用领域取决于其熔点和*高使用温度。例如，铬和市场很大的SiO？基玻璃纤维在250℃以上的温度下无法使用。此外，氧化铝基纤维常被用作耐火绝热材料，*高使用温度可达1600℃。一般来说，氧化物基陶瓷纤维的导热和导电性能较差，热膨胀系数高于非氧化物陶瓷纤维。这些纤维具有优异的绝缘性能，通常被用作高温绝缘材料。与非氧化物陶瓷纤维相比，它们的密度通常更高，而与金属相比，它们的密度相对较低。氧化物基纤维是*常见的氧化物纤维。这类纤维具有优异的热性能、力学性能和电性能，如高强度、高抗热震性和抗蠕变性、高热稳定性、低热膨胀系数和良好的介电性能。此外，氧化物基纤维在氧化性和还原性气氛中具有良好的化学稳定性，可在高达1000℃的高温下使用，因此更受青睐。它们的应用多种多样，如密封垫圈、电绝缘及飞机和航天器的热防护材料。氧化铝基纤维还适用于各种金属、陶瓷和聚合物复合材料的结构加固材料，使其更加坚硬和牢固。
非氧化物陶瓷纤维一般由硼（B）、碳（C）、氮（N）、铝（Al）、硅（Si）等轻元素构成，
