復合材料機身壁板和隔熱隔音棉衍生構(gòu)型熱釋放速率性能試驗研究

沈世元 王天成 張 誠 徐俊偉 趙華勇 王 志

(1.上海飛機設計研究院 上海 201210; 2. 沈陽航空航天大學 安全工程學院 沈陽 110136 )

0 引言

熱釋放率(Heat Release Rate，簡稱HRR)是指在規(guī)定的試驗條件下，在單位時間內(nèi)材料燃燒時向外釋放的熱量，單位為“瓦特”，是衡量火災危害程度的一個重要參數(shù)之一。國內(nèi)外多數(shù)科研人員通過數(shù)值模擬和理論分析針對熱釋放率相關領域進行研究。徐亮[1]針對熱塑性裝飾材料的火災行為進行了熱釋放速率、質(zhì)量損失速率和熱解動力學等方面的研究。趙峰[2]在國內(nèi)首次建立了一套較完整的公路隧道運營風險評估體系和評估方法，針對火災模型提出了不同火災的參數(shù)取值和熱釋放率增長曲線。孔得朋[3]基于拉丁超立方抽樣(LHS)的Monte Carlo模擬分析，建立了分析熱釋放速率不確定性對可用安全疏散時間(ASET)影響的方法，并提出了一種火災安全設計中火災規(guī)模的定量計算方法和將安全系數(shù)與目標失效概率聯(lián)系起來的計算方法。許彬等人[4-5]是以歐洲標準火之一的正庚烷火(TF5)為主要研究對象，在全尺寸實驗裝置內(nèi)對正庚烷火相關的熱釋放速率進行測量與研究。易亮等人[6]在一些柴油油池火試驗數(shù)據(jù)的基礎之上，分析了油池火初期增長過程以及影響油池火燃燒的因素。Welker[7]的研究表明，某些有機化學物質(zhì)的燃燒速率與風速成反比，與油池直徑成正比。Koseki等[8]研究了燃燒區(qū)域特征尺度對熱釋放速率各種影響；Chatri[9]給出了可燃物質(zhì)穩(wěn)定階段的熱釋放速率和油池特征尺度之間的相互聯(lián)系。Huffman等人[10]研究了火源間距離和燃燒速率之間的關系。上述專家分別從燃燒物種類和油池特征尺度等多方面研究了熱釋放率特性，但是尚未存在聚焦航空相關的材料或者部件進行的針對性研究。

本文開創(chuàng)性地研究了航空領域復合材料機身壁板本身和隔熱隔音棉加上復材壁板的組合構(gòu)型的熱釋放速率特性，驗證了航空用復材壁板及其相應衍生構(gòu)型(帶隔熱隔聲層等內(nèi)飾材料)是否符合CCAR25附錄F第IV部分中規(guī)定的客艙材料熱釋放速率要求，并通過飛機相關部件熱釋放速率方面的研究，指導大型民用客機的客艙設計。

1 實驗部分

1.1 實驗件

本文選取某型號飛機復材壁板件和隔熱隔音棉衍生構(gòu)型作為實驗構(gòu)型，依據(jù)CCAR-25-R4附錄F第IV部分開展熱釋放速率實驗。實驗件包括復合材料壁板和復合材料壁板+隔熱隔音棉組合件，其中隔熱隔音棉前后分別包覆耐火焰蔓延包覆層和耐火焰燒穿包覆層保護膜。將所有試樣置于接近21 ℃±2 ℃和55%±10%相對濕度的環(huán)境中24 h；用厚度為0.03 mm的單層鋁箔包住試樣，使試樣朝向光澤面。試驗之前，應預先裁剪鋁箔，使其能包覆試樣的底面和側(cè)面，并將多余的鋁箔廢棄處理。鋁箔不應該超過試樣上表面3 mm。用鋁箔包覆試樣之后，將試樣放進安裝架，并蓋上定位架。

1.2 試驗前準備

(1)檢查二氧化碳過濾器和水分過濾器。

(2)按規(guī)定要求調(diào)節(jié)輻射錐下表面和試樣上表面之間的距離。

(3)接通輻射錐電源和風機電源。

(4)調(diào)節(jié)環(huán)境排氣流量至(0.024±0.002)m3/s。

(5)按標定程序進行標定。

在試驗間歇期間和升溫期間，建議在稱重設備上方放置一層隔熱層以阻斷熱通量，避免過多的熱量傳遞到稱重設備。

1.3 實驗方法

實驗設備采用FTT-0242錐型量熱儀，它是一種基于燃燒過程中釋放的熱量與燃燒過程中耗氧量直接相關的火災測試工具，可以測量熱釋放速率、有效燃燒熱、熱失重速率、點燃時間等參數(shù)；實驗方法采用BS ISO 5660-1：2015、GB/T 16172-2007建筑材料熱釋放速率試驗方法，按工況(熱打火，輻射熱通量35 kW/m2)分別測試復合材料壁板和“復合材料+隔熱隔音棉”兩種構(gòu)型的熱釋放速率和總發(fā)熱量。每種構(gòu)型取三次平行實驗結(jié)果的算術平均值作為實驗結(jié)果。全部按工況(熱打火，輻射熱通量35 kW/m2)進行試驗。所有錐形試驗按隔熱隔音層置于復材壁板上方進行試驗。

圖1 錐形量熱儀

錐形量熱儀如圖1所示，它是一種基于燃燒過程中釋放的熱量與燃燒過程中耗氧量直接相關的火災測試工具。符合BS ISO 5660-1：2015、GB/T 16172-2007等國內(nèi)外標準，可以測量熱釋放速率、有效燃燒熱、熱失重速率、點燃時間等參數(shù)。煙密度箱如圖5.1(b)所示，它是一個具有固定容積(914 mm×610 mm×914 mm)的封閉箱體，在其中可以讓平板樣品承受散射熱源的燃燒，并對所產(chǎn)生煙霧的比光學密度(DS)加以測量。準直射光束垂直向上穿過試驗箱，并使用光電倍增管對光照強度加以測量。相對光照強度的變化可連續(xù)記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 復合材料壁板

復材壁板熱釋放速率試驗前后的對比形貌分別如圖2所示。實驗點火149 s時產(chǎn)生火焰，并開始持續(xù)燃燒，整個燃燒過程平均持續(xù)205 s，并在355 s時火焰熄滅，隨后直到試驗結(jié)束再無明火現(xiàn)象。試驗結(jié)束后，復材表面有明顯燒蝕痕跡，但材料的結(jié)構(gòu)形貌保存較完整。

(a)試驗前 (b)安裝狀態(tài) (c)試驗后圖2 復材壁板材料實驗前后對比圖

復材壁板的熱釋放速率曲線如圖3所示。在初始階段，熱釋放速率持續(xù)上升；當熱釋放速率到達一定值后，曲線開始呈下降趨勢，直到試驗結(jié)束。分析認為：復材壁板在剛受到熱輻射時，材料沒有達到燃點之前，有較少的熱釋放，隨著熱量的積累，達到復材壁板的燃點之后，復材開始燃燒，并且釋放出大量的熱，達到熱釋放速率峰值，隨著材料中可燃物的減少，熱釋放緩慢降低，在600 s之后逐漸趨于平緩。測得的熱釋放速率以及總放熱量分別為59.88 kW/m2和283.76 kW·min/m2。

圖3 復材壁板熱釋放速率均值曲線圖

2.2 復合材料壁板+隔熱隔音棉

隔熱隔音棉與復材壁板尺寸一致，將隔熱隔音棉覆于復材壁板之上制備成組合件，考核組合件的熱釋放速率性能。按照包覆層面向熱源的情況分為兩種工況：耐火焰蔓延包覆層面向熱源(工況1)和耐火焰燒穿包覆層面向熱源(工況2)，試驗前后對比形貌如圖4和圖5所示。

(a)試驗前 (b)安裝狀態(tài) (c)試驗后圖4 組合件工況1實驗前后對比圖

(a)試驗前 (b)安裝狀態(tài) (c)試驗后圖5 組合件工況2實驗前后對比圖

工況1，點火器移到材料上方3 s ～5 s時，隔音棉表面耐火焰蔓延包覆層被點燃，發(fā)生閃燃現(xiàn)象，持續(xù)2 s～4 s，然后火焰熄滅，之后一直到試驗結(jié)束再無明火現(xiàn)象，在持續(xù)的熱輻射過程中，材料表面顏色逐漸變紅，并且有輕微膨脹的現(xiàn)象發(fā)生。試驗結(jié)束之后，表面耐火焰蔓延包覆層被完全燒毀，四周形成的殘?zhí)浚魺岣袈晫又械拿扌韭懵对谕狻９r2，點火器移到材料上方時，隔音棉表面的包覆層出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，隨即在6 s～31 s被點燃，發(fā)生燃燒現(xiàn)象，持續(xù)25 s ～26 s，然后火焰熄滅，之后一直到試驗結(jié)束再無明火現(xiàn)象，在持續(xù)的熱輻射過程中，材料表面顏色逐漸變紅，并且有輕微膨脹的現(xiàn)象發(fā)生。試驗結(jié)束后，耐火焰燒穿包覆層基本完整，僅出現(xiàn)局部孔洞，形貌如圖5(c)所示。

熱釋放速率曲線如圖6所示，兩種工況都是熱釋放速率先持續(xù)上升，當熱釋放速率到達一定值后開始呈下降趨勢。工況1表面的耐火焰蔓延包覆層可燃，包覆層及隔音棉可燃成分受熱分解釋放熱量，可分解部分消耗殆盡后熱釋放過程結(jié)束。工況2中隔音棉可燃成分受熱分解產(chǎn)生可燃煙氣，達到一定壓力后突破耐火焰燒穿包覆層后被點燃，出現(xiàn)峰值后開始下降，受包覆層阻擋的影響，熱釋放速率的衰減速度要小于工況1。在30 min的實驗中，兩種工況后續(xù)均未再出現(xiàn)峰值，可認為由于隔音棉的隔熱作用，抑制了后續(xù)復材壁板的分解。表1是組合件兩種工況的熱釋放速率參數(shù)表。

(a)工況1

表1 組合件構(gòu)型熱釋放速率參數(shù)

3 結(jié)論

(1)復材壁板峰值熱釋放速率以及總放熱量均值分別為59.88 kW/m2和283.76 kW·min/m2。峰值熱釋放速率低于適航標準要求的65 kW/m2限值，但總放熱量值高于適航標準中總放熱量65 kW·min/m2的限值。這表明：復材壁板的熱釋放速率符合適航標準中規(guī)定的峰值熱釋放速率要求，但總放熱量不滿足適航標準要求。

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(2)鋪設隔音隔熱棉后，復材壁板在隔熱隔聲層的保護作用下沒有發(fā)生熱解燃燒，實驗中產(chǎn)生的熱釋放主要來源于隔熱隔音棉本身和包覆膜。兩種鋪設工況產(chǎn)生的峰值熱釋放速率和總放熱量都遠低于適航標準要求的65 kW/m2和65 kW·min/m2的限值。由于耐火焰蔓延包覆層可以被點燃，增加了熱釋放量，因此當耐火焰蔓延包覆層面向輻射錐時，試樣的峰值熱釋放速率均略大于耐火焰燒穿包覆層面向輻射錐時的峰值。這表明：復材壁板+隔熱隔聲層組合件衍生構(gòu)型能夠滿足適航標準中規(guī)定的峰值熱釋放速率和總放熱量要求。對于結(jié)論(1)和結(jié)論(2)的可視化描述，如圖7所示。

圖7 復材壁板單構(gòu)型與隔熱隔音棉衍生構(gòu)型HRR對比

(3)對比研究了耐火焰蔓延包覆層和耐火焰燒穿包覆層兩種包覆層面向熱源時對熱釋放速率的影響。結(jié)果表明：由于耐火焰蔓延包覆層可以被點燃，增加了熱釋放量，因此當耐火焰蔓延包覆層面向熱源時，試樣的峰值熱釋放速率和總放熱量均略大于耐火焰燒穿包覆層面向熱源時的峰值。