大型戰艦動力源源不斷，得靠這種材料保證

出品| 網易新聞 作者| 鴻鵠，科技愛好者

生活中，磚頭是一種特別不起眼的材料，然而我們今天要介紹的耐火磚，卻可以稱得上「磚中黃金」，因為它使用的地方非常金貴——艦用燃油鍋爐。

要知道，鍋爐可是包括航母在內的大型艦艇動力推進裝置的心臟，直接關係著艦艇的戰鬥力，爐膛的耐火磚一旦受損坍塌，戰艦就會喪失動力，而且短時間內難以修復。

關於這種磚，你想了解的都在這兒了。

（一）艦船動力持久輸出的關鍵，在耐火磚

相比於大型柴油機功率小及燃氣輪機單發動力不足，在未解決核動力的設計要求之前，鍋爐+蒸汽輪機的組合就成了大型水面艦艇、航母動力裝置的最優選擇之一。中國的001A型航母就採用了4台國產化的TB-12型蒸汽輪機作為其動力系統（單台輸出功率為4.5萬馬力）。

蒸汽輪機的動力來源於蒸汽，要產生蒸汽就離不開鍋爐，鍋爐燒得好不好，直接影響著戰艦的戰鬥力。而好鍋爐也需要好的保障，耐火磚正是提供耐火隔熱保障的一種材料。

鍋爐分「鍋」和「爐」兩部分，其中「爐」是進行燃料燃燒的場所，由燃燒設備、燃燒室爐膛及煙道組成。燃燒室和煙道由爐牆圍成，爐牆的內側要受到火焰的高溫輻射，需要用耐高溫的耐火磚來砌成，爐膛的耐火磚一旦受損坍塌，其外的保溫層和鍋爐外殼就無法承受高溫而被破壞，運用鍋爐的戰艦便喪失動力。

所以，要保證鍋爐正常運轉，產生源源不斷的動力，是離不開耐火磚的，即使採用了核動力，核反應堆產生的高溫與外界的阻隔也需要靠耐火磚實現。

（二）對於艦用燃油鍋爐，「護心鏡」的要求有多高？

耐火磚是一種常見的定型耐火材料，形狀與普通建築用磚相似，使用簡單，常用於建築窯爐、核反應堆和各種熱工設備，而且能夠在很高的溫度下保持化學和物理性質穩定，是高溫工業中必不可少的基礎材料。

高溫工業使用中要求耐火磚的耐火溫度不低於1580℃，而決定耐火磚品質的首要是其化學組成（配方），其次是其燒結後的緻密性。當耐火磚的使用溫度超過其極限之後，就可能會產生變形，而使用環境中的應力、振動等也會引起其破壞。

對於耐火磚和其他耐火材料而言，技術含量相對較低，所以造出來並不難，但想要造好卻很有挑戰，特別是艦用燃油鍋爐等產品上使用的軍用耐火磚，因為使用環境的原因，要求比普通的高溫工業更加嚴苛。

鍋爐產生蒸汽，到輪機渦輪轉動輸出功，完成整個循環的過程，被稱為郎肯循環，其效率的提高需要升高進氣口蒸汽溫度或者能量及降低排氣口溫度核能量兩點來保證。

排氣口溫度的降低依靠冷凝器實現，對於熱機效率提升可操作空間有限，所以主要靠儘可能的提高蒸汽壓力和溫度來保證高的效率。而想要獲得高溫高壓的蒸汽，爐膛中燃燒的熊熊烈火溫度就得高而且持久，顯然對鍋爐和耐火磚的要求也更高。

大型水面艦艇一般採用重油作為燃料，鍋爐爐膛的燃料持續燃燒後，爐內溫度超過1800℃，有時甚至高達兩千度。爐內燃燒產生的熱量通過傳導、輻射和對流的方式將鍋爐內的水加熱變成高溫高壓的蒸汽，相比於爐內的高溫，六七十度的鍋爐房溫度已經降低很多了。

既要保證爐內穩定高溫來保證輪機的效率，又要讓爐內高溫不往外蔓延造成鍋爐壁的破壞，沒有爐膛內壁一層薄薄的耐火磚真還不行。

一般的工業鍋爐使用耐火溫度超過1500℃的材料就已經足夠，艦用耐火磚的使用條件顯然更加苛刻。而且工業鍋爐安裝好之後就不會有太大的外界環境變化，但艦艇因為航行在海面上，鍋爐工作環境會受艦艇狀態的影響，因此艦船鍋爐的工作環境變化也會加速耐火磚的損壞和失效，主要表現在以下幾個方面：

(1)重油在燃燒過程中，硫、氟、V2O5 、Fe2O3及鹼金屬元素等雜質元素生成的煙氣灰分，會與硅酸鋁質耐火纖維磚或耐火粘土磚發生反應，加速耐火磚損壞和失效；

(2)艦艇航行過程中的變速變向，要求鍋爐頻繁變負荷工作, 需要經常啟、停鍋爐，爐膛溫度升降速度很快，導致耐火材料工作溫度驟冷驟熱，形成的熱衝擊很大；

(3)艦艇航行中，會遭遇大風浪、主炮射擊、導彈發射、甚至被炮擊等情況，耐火材料需要承受隨之而來的機械振動與衝擊。

耐火磚是保證鍋爐效率和安全工作的重要一環，而想要往上提高耐火磚的使用溫度，並使其應用於更加嚴苛的工作環境，需要克服一系列的技術難題。

（三）中國艦用超高溫耐火磚，從受制於人到出口海外

以往中國軍艦用鍋爐採用硅酸鋁質耐火纖維材料，艦艇在主炮射擊、導彈發射和大風浪航行時，耐火磚遇到衝擊和振動會發生坍塌，而且耐火溫度有限，纖維容易粉化剝落、吸濕吸潮，工作壽命短，需要頻繁更換，影響了艦艇機動性和在航率的同時，也造成了大量維修經費的浪費。

為研製出滿足艦用鍋爐要求的高性能耐火磚，避免重點武器裝備受制於人，中國科研人員採用了新型陶瓷材料為基的複合材料作為新的解決方案，加入20多種其他材料，以保證耐火磚具備耐熱性好、使用壽命長的特點的同時，還具備相當的強度和韌性。

解決耐高溫性能只是一方面，而進一步地如何保證耐火磚隔熱性能，又是一個新的難題。

陶瓷材料雖然耐熱性好，但傳熱性能也好，很難做到耐火的同時又隔熱。傳統的做法是在耐火磚中造孔，因為空氣是熱的不良導體，通過在材料中做出大量微孔的結構來實現隔熱，不過怎麼做孔，做多大的孔，卻有很大的學問。

以往的研究中認為孔結構越大、氣孔密度越大的材料，隔熱效果越好。但中國的研究人員在研究中卻發現，一定範圍內氣孔直徑小的比直徑大的隔熱效果好。這是因為當氣孔尺寸小於空氣平均分子自由程（≤70nm），空氣的傳熱就能大大降低，以此做出的納米孔超級絕熱材料在常溫和設定的溫度下有比空氣更低的絕熱係數。

氣孔的存在有著降低密度和隔熱的作用，為了增強隔熱效果，孔密度需要很高，然而隨著孔密度的增加，材料的耐熱性能和強度則會降低，無法滿足實用型與工程化需求。為此，新型的艦用耐火磚採用了新型陶瓷耐火材料納米級微孔的新技術、新工藝，而且為了進一步提高材料的性能，還採用了表面閉孔處理新技術。

新型耐火磚不僅可以在艦船鍋爐上使用，還可廣泛應用於特種高溫設備上，其性能價格均比國外產品佔據優勢，填補了多項國內空白。

艦用鍋爐耐火磚材料的突破，也為日後中國航母上垂直起降艦載機打下了良好的基礎。垂直起降的艦載機需要一款強大的發動機，發動機推力提升就意味著更高的燃燒室和渦輪前端的溫度，相應的尾噴口出來氣體溫度、速度、壓力都越大。

如此高溫高速的氣體直接作用在航母甲板上，如果不加以保護，甲板極容易被高溫氣體燒蝕，而且甲板受高溫以後，耐衝擊性能下降，可能又會引發事故。所以必須加上一層塗層保護甲板，而這就需要既能耐高溫又能抗衝擊的耐火材料來保證了。

此外，在滿足自用的基礎上，中國的各種耐火磚還出口到了其他國家，性能優秀而且價格公道的耐火磚，得到了廣泛的好評，也引起了國外同行的嫉妒和詆毀。印度從俄羅斯購買的二手航母「維克拉馬蒂亞」號在進行海試的過程中發生了發動機鍋爐爆炸的嚴重事故，兩國就曾誣賴中國產的耐火磚性能落後，拖了先進的俄羅斯航母製造技術和印度高超航母使用技術的後腿，但中國卻從未對兩國出口過軍用耐火磚。

結語

隨著中國工業發展水平不斷提高，對耐火材料的需求越來越大，在市場需求的拉動下，中國耐火材料工業發展迅速，生產工藝技術和裝備水平不斷提升（機械化和自動化技術引入到耐火材料的生產中）。

相比於過去的耐火材料產品質量穩定性較差、創新不夠，如今中國的耐火材料質量與品種都得到很大的提高與發展，技術水平也在迅速接近國際先進水平，產量和出口量都穩居世界第一。

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編輯| 史文慧