大型战舰动力源源不断，得靠这种材料保证
出品| 网易新闻 作者| 鸿鹄，科技爱好者生活中，砖头是一种特别不起眼的材料，然而我们今天要介绍的耐火砖，却可以称得上“砖中黄金”，因
出品| 网易新闻 作者| 鸿鹄，科技爱好者
生活中，砖头是一种特别不起眼的材料，然而我们今天要介绍的耐火砖，却可以称得上“砖中黄金”，因为它使用的地方非常金贵——舰用燃油锅炉。
要知道，锅炉可是包括航母在内的大型舰艇动力推进装置的心脏，直接关系着舰艇的战斗力，炉膛的耐火砖一旦受损坍塌，战舰就会丧失动力，而且短时间内难以修复。
关于这种砖，你想了解的都在这儿了。
（一）舰船动力持久输出的关键，在耐火砖
相比于大型柴油机功率小及燃气轮机单发动力不足，在未解决核动力的设计要求之前，锅炉+蒸汽轮机的组合就成了大型水面舰艇、航母动力装置的最优选择之一。中国的001A型航母就采用了4台国产化的TB-12型蒸汽轮机作为其动力系统（单台输出功率为4.5万马力）。
蒸汽轮机的动力来源于蒸汽，要产生蒸汽就离不开锅炉，锅炉烧得好不好，直接影响着战舰的战斗力。而好锅炉也需要好的保障，耐火砖正是提供耐火隔热保障的一种材料。
锅炉分“锅”和“炉”两部分，其中“炉”是进行燃料燃烧的场所，由燃烧设备、燃烧室炉膛及烟道组成。燃烧室和烟道由炉墙围成，炉墙的内侧要受到火焰的高温辐射，需要用耐高温的耐火砖来砌成，炉膛的耐火砖一旦受损坍塌，其外的保温层和锅炉外壳就无法承受高温而被破坏，运用锅炉的战舰便丧失动力。
所以，要保证锅炉正常运转，产生源源不断的动力，是离不开耐火砖的，即使采用了核动力，核反应堆产生的高温与外界的阻隔也需要靠耐火砖实现。
（二）对于舰用燃油锅炉，“护心镜”的要求有多高？
耐火砖是一种常见的定型耐火材料，形状与普通建筑用砖相似，使用简单，常用于建筑窑炉、核反应堆和各种热工设备，而且能够在很高的温度下保持化学和物理性质稳定，是高温工业中必不可少的基础材料。
高温工业使用中要求耐火砖的耐火温度不低于1580℃，而决定耐火砖品质的首要是其化学组成（配方），其次是其烧结后的致密性。当耐火砖的使用温度超过其极限之后，就可能会产生变形，而使用环境中的应力、振动等也会引起其破坏。
对于耐火砖和其他耐火材料而言，技术含量相对较低，所以造出来并不难，但想要造好却很有挑战，特别是舰用燃油锅炉等产品上使用的军用耐火砖，因为使用环境的原因，要求比普通的高温工业更加严苛。
锅炉产生蒸汽，到轮机涡轮转动输出功，完成整个循环的过程，被称为郎肯循环，其效率的提高需要升高进气口蒸汽温度或者能量及降低排气口温度核能量两点来保证。
排气口温度的降低依靠冷凝器实现，对于热机效率提升可操作空间有限，所以主要靠尽可能的提高蒸汽压力和温度来保证高的效率。而想要获得高温高压的蒸汽，炉膛中燃烧的熊熊烈火温度就得高而且持久，显然对锅炉和耐火砖的要求也更高。
大型水面舰艇一般采用重油作为燃料，锅炉炉膛的燃料持续燃烧后，炉内温度超过1800℃，有时甚至高达两千度。炉内燃烧产生的热量通过传导、辐射和对流的方式将锅炉内的水加热变成高温高压的蒸汽，相比于炉内的高温，六七十度的锅炉房温度已经降低很多了。
既要保证炉内稳定高温来保证轮机的效率，又要让炉内高温不往外蔓延造成锅炉壁的破坏，没有炉膛内壁一层薄薄的耐火砖真还不行。
一般的工业锅炉使用耐火温度超过1500℃的材料就已经足够，舰用耐火砖的使用条件显然更加苛刻。而且工业锅炉安装好之后就不会有太大的外界环境变化，但舰艇因为航行在海面上，锅炉工作环境会受舰艇状态的影响，因此舰船锅炉的工作环境变化也会加速耐火砖的损坏和失效，主要表现在以下几个方面：
(1)重油在燃烧过程中，硫、氟、V2O5 、Fe2O3及碱金属元素等杂质元素生成的烟气灰分，会与硅酸铝质耐火纤维砖或耐火粘土砖发生反应，加速耐火砖损坏和失效；
(2)舰艇航行过程中的变速变向，要求锅炉频繁变负荷工作, 需要经常启、停锅炉，炉膛温度升降速度很快，导致耐火材料工作温度骤冷骤热，形成的热冲击很大；
(3)舰艇航行中，会遭遇大风浪、主炮射击、导弹发射、甚至被炮击等情况，耐火材料需要承受随之而来的机械振动与冲击。
耐火砖是保证锅炉效率和安全工作的重要一环，而想要往上提高耐火砖的使用温度，并使其应用于更加严苛的工作环境，需要克服一系列的技术难题。
（三）中国舰用超高温耐火砖，从受制于人到出口海外
以往中国军舰用锅炉采用硅酸铝质耐火纤维材料，舰艇在主炮射击、导弹发射和大风浪航行时，耐火砖遇到冲击和振动会发生坍塌，而且耐火温度有限，纤维容易粉化剥落、吸湿吸潮，工作寿命短，需要频繁更换，影响了舰艇机动性和在航率的同时，也造成了大量维修经费的浪费。
为研制出满足舰用锅炉要求的高性能耐火砖，避免重点武器装备受制于人，中国科研人员采用了新型陶瓷材料为基的复合材料作为新的解决方案，加入20多种其他材料，以保证耐火砖具备耐热性好、使用寿命长的特点的同时，还具备相当的强度和韧性。
解决耐高温性能只是一方面，而进一步地如何保证耐火砖隔热性能，又是一个新的难题。
陶瓷材料虽然耐热性好，但传热性能也好，很难做到耐火的同时又隔热。传统的做法是在耐火砖中造孔，因为空气是热的不良导体，通过在材料中做出大量微孔的结构来实现隔热，不过怎么做孔，做多大的孔，却有很大的学问。
以往的研究中认为孔结构越大、气孔密度越大的材料，隔热效果越好。但中国的研究人员在研究中却发现，一定范围内气孔直径小的比直径大的隔热效果好。这是因为当气孔尺寸小于空气平均分子自由程（≤70nm），空气的传热就能大大降低，以此做出的纳米孔超级绝热材料在常温和设定的温度下有比空气更低的绝热系数。
气孔的存在有着降低密度和隔热的作用，为了增强隔热效果，孔密度需要很高，然而随着孔密度的增加，材料的耐热性能和强度则会降低，无法满足实用型与工程化需求。为此，新型的舰用耐火砖采用了新型陶瓷耐火材料纳米级微孔的新技术、新工艺，而且为了进一步提高材料的性能，还采用了表面闭孔处理新技术。
新型耐火砖不仅可以在舰船锅炉上使用，还可广泛应用于特种高温设备上，其性能价格均比国外产品占据优势，填补了多项国内空白。
舰用锅炉耐火砖材料的突破，也为日后中国航母上垂直起降舰载机打下了良好的基础。垂直起降的舰载机需要一款强大的发动机，发动机推力提升就意味着更高的燃烧室和涡轮前端的温度，相应的尾喷口出来气体温度、速度、压力都越大。
如此高温高速的气体直接作用在航母甲板上，如果不加以保护，甲板极容易被高温气体烧蚀，而且甲板受高温以后，耐冲击性能下降，可能又会引发事故。所以必须加上一层涂层保护甲板，而这就需要既能耐高温又能抗冲击的耐火材料来保证了。
此外，在满足自用的基础上，中国的各种耐火砖还出口到了其他国家，性能优秀而且价格公道的耐火砖，得到了广泛的好评，也引起了国外同行的嫉妒和诋毁。印度从俄罗斯购买的二手航母“维克拉马蒂亚”号在进行海试的过程中发生了发动机锅炉爆炸的严重事故，两国就曾诬赖中国产的耐火砖性能落后，拖了先进的俄罗斯航母制造技术和印度高超航母使用技术的后腿，但中国却从未对两国出口过军用耐火砖。
结语
随着中国工业发展水平不断提高，对耐火材料的需求越来越大，在市场需求的拉动下，中国耐火材料工业发展迅速，生产工艺技术和装备水平不断提升（机械化和自动化技术引入到耐火材料的生产中）。
相比于过去的耐火材料产品质量稳定性较差、创新不够，如今中国的耐火材料质量与品种都得到很大的提高与发展，技术水平也在迅速接近国际先进水平，产量和出口量都稳居世界第一。
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编辑| 史文慧
