摘要：热防护装备是警察面对火灾和高温时保存生存力和提高战斗力的必备装备，因此研究热防护材料的性能和防护机理显得尤为重要。本文分析了在警用领域热防护材料的研究现状，讨论了热防护材料的性能与表征方法，最后对新型热防护材料气凝胶的发展现状进行了介绍。

关键词：热防护材料；防护机理；发展概况；气凝胶

1 引言

目前，国内工业生产中爆炸、火灾等事故频发，犯罪分子利用爆炸、纵火等手段不断威胁公众的安全。因此警察（特别是消防警察）在执勤过程中常常会遇到火焰和高温的威胁。具有优良性能的热防护装备是警察在面对火灾和高温时保存生存力和提高战斗力的必备装备，这就需要提高材料的热防护性能。因此设计开发高性能的热防护材料，提高热防护服的防护水平就成为关键。公安部非常重视热防护材料的研究，于1996年就曾经下达了部级项目《消防员防护服装整体热防护性能评价研究》的研究任务，学者们对新型轻质热防护材料进行了大量的研究。

目前对热防护材料的研究主要集中在航天航空领域^[1]，对警用热防护材料研究较少。本文分析了在警用领域的热防护材料的研究现状，讨论了热防护材料的性能与表征方法，最后对新型热防护材料的发展现状进行了介绍。

2 热防护材料在警用领域的研究现状

2.1 热传递方式及其在警用热防护服中的表现形式

热传递的3种方式是传导、对流和辐射热传导是固体中热传递的主要方式。在气体或液体中，热对流现象比较明显。热辐射是物体由于温度而引起的热量辐射，其大小与热源绝对温度的4次方成正比，辐射的方式传递热量不需要任何介质，因此辐射可以在真空中进行。通常，热量传递的方式是以上3种方式的结合。

热防护服是最常见的警用热防护装备，通常由3层构成，由外至内分别是阻燃层、防渗透层和隔热层^[2]。热防护服的热防护性能与热防护服中热传递的方式有很大关系。在热防护服中，3种热传递方式主要表现形式为：

（1）热传导。热传导主要是指热量通过服装并渗透到服装内部，将热量传递到人体，从而对人体造成伤害。热防护服防热传导性能主要取决于隔热层。

（2）热对流。火焰燃烧产生热量可以通过高温气体或液体流通的方式传递到人体。织物防热对流性能主要与织物的重量、密度、透气性等密切相关。增加织物的密度和重量可以减少热对流。同时，多层织物比单层织物具有更好的防热对流效果。对于有多层结构热防护服而言，防热对流性能主要取决于防渗透层。

（3）热辐射。热量可以通过辐射的方式透过织物传递到人体。织物防热辐射性能与织物重量、厚度、密度及织物表面状况有直接关系。重或厚的织物具有较高的防热辐射性能；同时，在纤维表面镀铝，在织物中夹杂一些碎铝箔，或在织物表面复合铝片，使织物表面具有较高的反射率，可以大大提高织物的防热辐射性能。

2.2 热防护材料的分类及防护机理

按照热防护机理的不同，热防护材料可分为4类^[3]；一是热容吸热式热防护材料，此种材料具有较高的热导率、高熔点和大比热等特点。当外界温度急剧变化时，该材料能迅速吸热或散热，如镣、铜、被等金属；二是辐射式热防护材料，该材料具有高辐射系数和高熔点，当热防护材料表面的温度升高时，通过再辐射作用实现散热目的，如一些难熔金属板以及陶瓷涂层；三是烧蚀热防护材料，在高温下这种材料能热解、汽化，从而达到散热的效果。烧蚀防热的优点是安全可靠，适应外部加热变化的能力较强，并可以承受高热流。其缺点是一次性使用，并会发生烧蚀变形。最常见的烧蚀材料是纤维增强酚醛复合材料；四是隔热材料，隔热材料具有很低的热导率，可以使热传递大幅度降低。隔热材料按形态可分为多孔状隔热材料、纤维状隔热材料、粉末状隔热材料和层状隔热材料4种^[4]。多孔状隔热材料主要有泡沫塑料（热导率为0.030~0.047W/（m•K））和泡沫玻璃（热导率为0.036~0.174W/（m•K））。纤维状隔热材料主要有石棉、岩棉、玻璃棉、矿渣棉及陶瓷纤维等，其热导率一般低于0.07W/（m•K），使用温度在300~1，260℃。粉末状隔热材料主要有蛭石粉与珍珠岩等，其热导率约0.047~0.07W/（m•K）。层状隔热材料主要有金属箔及金属镀膜多层复合结构，热导率较低，主要应用于航空航天领域。

2.3 热防护服中使用的热防护材料及其特性

在高温情况下，可能对人体造成伤害的主要因素是接触热、高温气体和液体以及熔融金属滴产生的对流热、热量透过衣服产生的传导热以及辐射热。因此热防护服中的材料须满足以下要求：阻燃性、隔热性、高温完整性和防渗透性等特性。

目前生产热防护服的材料一般分为4类^[5]：分别是热辐射防护材料、隔热材料、阻燃材料和耐熔融抗金属溅射材料。在热防护织物中应用的纤维材料有间位芳纶、聚苯并咪哩、聚苯硫醚纤维等有机耐高温纤维和玻璃纤维、碳纤维、硅纤维等无机耐高温纤维。

热防护服的热防护性能与热量转移的方式有很大关系。总的来说，热防护服主要是通过隔热、反射、吸收、碳化隔离等屏蔽作用来实现防护目的。热防护服的防护原理是降低热转移速度，使外界的热量缓慢而少量转移至皮肤。因此热防护服中的热防护材料一般需要具有以下特性^[6]。

2.3.1 阻燃性

阻燃性是指织物遇到高温或火焰时难燃或不燃。在火灾中热防护服如果着火，由此引起的对警员的二度烧伤将会非常严重。因此，阻燃性是热防护服最重要的热防护性能之一。间位芳纶等织物由于具有较强的阻燃性能，被应用于热防护服的阻燃层。

2.3.2 隔热性

隔热性是指热防护服必须具备较好的减缓和阻止热量向服装内部转移的性能，避免热源对人体造成伤害。因此热防护服的隔热层需要选择热导率较低的织物，以保证热量难以通过隔热层传递到人体。碳纤维等材料具有较好隔热性能，被应用于热防护服的隔热层。

2.3.3 防渗透性

防渗透性是指热防护服阻止热气或水蒸气、高温液体、熔融金属滴等物质透过服装的性能。这些高温气体或液体可能经由织物内的间隙到达人体皮肤，并对人体造成伤害。防渗透层需要采用防渗透织物和耐熔融抗金属溅射织物。

2.3.4 高温完整性

高温完整性是指热防护服在高温条件下能够保持织物原有的外观形态，不发生收缩、熔融和脆性炭化的性能。不具备高温完整性的热防护服在高温下会裂开，使人体直接暴露于热源下。所以高温完整性也是保证热防护服具有良好热防护性和实用性的重要性能指标。除上述必备性能外，热防护织物也应具有必要的强度、耐磨性、穿着舒适性等常规性能。同时材料还必须具有良好的力学性能，如拉伸强度、抗撕裂性能都应比较高，以适应复杂环境条件下的穿着使用。

3 热防护材料的表征与性能研究

热防护材料的主要性能：阻燃性能、隔热性能、高温完整性这3个方面的表征方法如下。

3.1 阻燃性能的表征方法

氧指数是材料在氧氮混合气体中维持稳定有焰燃烧时所需的最小氧浓度，以氧气所占的体积百分比来表示。氧指数是衡量材料阻燃性能的直接指标，该数值越大，则材料的阻燃性越强。氧指数小于22属于易燃材料，在22~27之间为可燃材料，大于27为难燃材料。阻燃材料对材料的氧指数有一定要求，一般热防护服阻燃层使用的织物纤维的氧指数都要达到27以上。除了氧指数外，阻燃性能还有损毁长度（规定方向上材料损毁面积的最大距离）、续燃时间（移开火源后，材料持续有焰燃烧的时间）、阴燃时间（有焰燃烧停止后，或移开火源后，材料持续无焰燃烧的时间）等表征方法。公安标准GA140-1996《消防指挥服》规定阻燃面料在规定的燃烧条件下损毁长度不大于15cm；续燃时间不大于5s；阴燃时间不大于25s；且不应有融滴现象。

3.2 隔热性能的表征方法主要是热导率

热导率是当温度垂直梯度为l℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量，其单位是W/（m•K）。热导率k可以通过以下公式计算得出：

k=C_pλρ （1）

式中Cp为质量定压热容，单位为J/（kg・K）；λ为热扩散系数，单位为m²/s；ρ为样品的密度。在热化学计算中C_p是温度的函数，可以通过Neumann-kopp规则算出：

C_p=a＋b×10^－3T＋c×l0^－2T^－2+d×l0^－6T ² （2）

式中a，b，c，d是物质的特性常数，称为物质的热容温度系数。a，b，c，d的单位分别为J•K^－1•mol^－1， J•K^－2•mol^－1， J•K•mol^－1， J•K^－3•mol^－1。热容温度系数是试验数据的拟合值，有一定的适用温度范围。隔热材料的热导率一般小于0.2W/（m•K）0除了热导率之外，隔热性能还以可用热防护性能来表征。热防护性能（TPP）的定义为到达防护服装表面的热流量值与着装人体皮肤达到二级烧伤所需时间的乘积，也就是能够透过织物引起人体二级烧伤所需要的热能值，其单位为kW•s/m²。热防护性能的值越高，织物的热防护性能越强。

3.3 高温完整性的表征方法

热防护材料在高温下可能会发生烧蚀的情况，也可能由于热膨胀和热应力等原因发生破坏。因此热防护材料的高温稳定性可以通过测量热防护材料烧蚀温度的高低、热防护材料哪个温度区间内能够保持稳定并不发生变形、材料的热膨胀系数及高温强度等方法来表征。因此选用的热防护材料应当具有较高的烧蚀温度，在较大的温度区间内能够保持稳定并不发生变形，并具有较低的热膨胀系数和较高的高温强度。在多层材料构成的热防护结构中，还需要考虑各个热防护层间的结合强度等。

除上述表征方法外，热防护服目前最新的评价方法是美国开发的热人仪热防护试验方法。热人仪热防护试验是将1.8m高的人体模型（由特殊玻璃环氧树脂制作而成）的全身装上多个温度测试器，并穿上热防护服，使其曝露于丙烷火焰喷射器所产生的2cal/（cm²•sec）热源中。电脑根据多个温度测试器所收集的数据资料，模拟出人体皮肤可能受到的'烧伤度及部位。烧伤度越低，则热防护服的热防护性能越好。

4 新型热防护材料的发展

随着新材料、新技术的不断发展，新型高性能热防护材料也不断涌现出来。热防护材料也越来越注重往轻便舒适、强度髙、无毒无害、阻燃性能好、隔热性能好等方向发展。而在新型热防护材料领域中气凝胶成为了新宠。

气凝胶是一种新兴的热防护材料，是目前最好的超级隔热材料，它的固态热导率比相应的玻璃态材料低2～3个数量级。气凝胶的结构如图1所示，它具有胶体粒子相互聚集成的纳米多孔网络结构。气凝胶的密度可在35～00kg/m³范围内变化，孔洞率高达80%～99.8%，典型的胶体粒子尺寸为3～20nm，孔洞尺寸为1～100nm.比表面积可以达到200～1，000m²/g。气凝胶一般可以分为二氧化硅气凝胶、有机气凝胶和碳气凝胶3类^[7]。最常见的气凝胶为二氧化硅气凝胶，其熔点可以达到1，000℃以上，且具有较好的阻燃性能。

图1气凝胶的结构示意图

气凝胶具有的纳米多孔网状结构使得气凝胶具有很多特殊的性质，并广泛地应用于隔热领域^[8]。气凝胶中纤细的纳米多孔网络结构使其能够有效限固态热传导。由于材料内部大部分气孔尺寸小于50nm，气体在气凝胶中难以流动，因此可以消除大部分热对流从而使对流传热大幅度降低^[9]。热辐射的传播路径上，通过增加比表面积会使得热辐射电磁波传播过程中遇到的固体界面增加。固体界面对热辐射电磁波的折射、反射和吸收等作用可以有效阻隔热辐射的传播。气凝胶的比表面积极大，固体界面数量多，这些界面可以通过对热辐射电磁波折射、反射和吸收等作用有效阻隔热辐射的传播^[10]。因此气凝胶具有优异的隔热性能。美国的“火星探路者”运载火箭以及俄罗斯的“和平”号空间站都采用了硅气凝胶作为隔热保护材料。美国典型的气凝胶产品的性能如下：密度为0.2~0.3g/cm³；压缩强度为1.3MPa；使用温度1，000℃。热导率在100℃时为0.022W/（m•K），400℃时为0.029W/（m•K），800℃时为0.043W/（m•K）。

纯气凝胶强度低、脆性大，在热防护服上的应用受到很多限制，这就需要对气凝胶进行增强增韧。目前对气凝胶增强增韧的方法主要是在气凝胶中添加纤维和有机物。在气凝胶中掺入纤维可以提高其机械性能，降低其脆性^[11-13]。纤维可以有效地支撑气凝胶的骨架，并且可以起到增韧的作用^[11]。高庆福等人发现纤维增强的气凝胶复合材料的力学性能明显高于单纯气凝胶力学性能。纤维增强气凝胶的密度为0.202g/cm³时，抗压强度可达0.59MPa^[12]。而纯硅气凝胶的密度在0.112g/cm³时，抗压强度仅为0.018MPa^[13]。Deng^[13]等人发现随着掺入气凝胶中物质数量（例如二氧化钛、陶瓷纤维等）的增加，气凝胶的密度和强度也随之增加，热导率也随之上升，但是仍然保持在一个较低水平。在300K的温度下，纯二氧化硅气凝胶（密度为0.112g/cm³）的热导率为0.012W/（m•K），当纤维掺杂物质的质量分数达到40%时，气凝胶（密度为0.185g/cm³）的热导率约为0.019W/（m•K）。这是由于固体的加入导致固态热传导的增加。Deng等人同时发现气凝胶的热导率随着温度的提高而上升。王衍飞^[10]等人通过试验证明二氧化硅气凝胶在复合纤维后强度大幅提高，但仍然具有较低的热导率。这种纤维增强二氧化硅气凝胶的性能如下：密度为0.35g/cm³，压缩强度为1.14MPa，使用温度小于1，000℃。热导率在400℃时为0.048W/（m•K），800℃时为0.070W/（m•K）。

学者们同时釆用在硅气凝胶中添加有机物链的方法来提高气凝胶的力学性能。有机物链可以在不阻塞气凝胶纳米孔洞的基础上增强气凝胶内部的网络连接，从而起到增强增韧的作用。但有机物链增强的气凝胶仍然具有较低的热导率。例如异氰酸酯交联二氧化硅气凝胶具有非常优异力学性能，其密度为0.48g/cm³，屈服强度可以达到4MPa，且热导率仍然保持较低水平，仅为0.041W/（m•K）^[14]。

由于气凝胶具有优异的隔热与阻燃性能，已经被广泛应用于保温服、隔热毡中。且由于气凝胶的密度极低，因此在同样的热防护性能前提下，采用气凝胶作为隔热材料可使热防护服重量及厚度降低70%以上。因此，将气凝胶应用到热防护服中，可以使热防护服更为轻便，从而大大提高消防警察的火场作业工效[15]。随着气凝胶生产工艺的不断发展，性能的不断提高，气凝胶必将在警用热防护领域发挥更加重要的作用。

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