復(fù)合材料機(jī)身壁板和隔熱隔音棉衍生構(gòu)型發(fā)煙性能研究

沈世元 王天成 宋 楊 韓 峰 馮梓鑫 王 志

(1. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院, 上海 201210; 2. 沈陽航空航天大學(xué), 遼寧沈陽 110136)

0 引言

復(fù)合材料已成為研制大型民用飛機(jī)的一個(gè)技術(shù)制高點(diǎn)。為了在激烈的民機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲勝，國(guó)外的民用航空公司在復(fù)合材料的用量上展開了激烈競(jìng)爭(zhēng)，其在大型客機(jī)或者寬體客機(jī)設(shè)計(jì)中所使用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所占結(jié)構(gòu)比重很高。復(fù)合材料熱穩(wěn)定性優(yōu)異，并且在比模量、比強(qiáng)度、抗疲勞特性等方面具有各種優(yōu)勢(shì)。先進(jìn)復(fù)合材料在機(jī)體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用不僅可以顯著減重，還可以大大提升飛機(jī)結(jié)構(gòu)的其他性能。發(fā)展復(fù)合材料技術(shù)對(duì)于發(fā)展我國(guó)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)材品牌，推動(dòng)我國(guó)航空航天等高精尖技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也具有重要意義。由于復(fù)材的可燃性，將會(huì)進(jìn)一步增加飛機(jī)火災(zāi)的危險(xiǎn)性和復(fù)雜性，因此，材料和結(jié)構(gòu)必須通過嚴(yán)格的防火適航審查，并深入考察復(fù)合材料用于機(jī)身結(jié)構(gòu)時(shí)的發(fā)煙等問題。

研究認(rèn)為，事故發(fā)生時(shí)，乘客難以獲救的原因主要是由于飛機(jī)火災(zāi)事故中碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料在燃燒過程中釋放出大量的熱以及艙內(nèi)材料燃燒造成的缺氧、毒氣和煙霧的綜合作用使旅客窒息死亡。飛機(jī)起飛或著陸墜毀時(shí)客艙外部燃油濺入或發(fā)動(dòng)機(jī)著火進(jìn)入撞毀的機(jī)體，這種火上加油加速了機(jī)體內(nèi)燃燒著的材料引起不可收拾的爆燃，致使旅客失去了生還的機(jī)會(huì)。另外，由于飛機(jī)各艙室之間的連通狀態(tài)，復(fù)合材料在燃燒過程中產(chǎn)生的大量煙塵和毒氣會(huì)很快充斥整個(gè)機(jī)艙，飛機(jī)的高密閉性又使煙霧很難消散，令煙塵充滿飛機(jī)內(nèi)人員肺部，最終造成窒息身亡。上述情況無一不對(duì)材料燃燒的發(fā)煙特性研究提出了更高的要求，對(duì)復(fù)材燃燒及發(fā)煙特性的研究已迫在眉睫。國(guó)外適航標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于艙內(nèi)材料的防火符合性判據(jù)均較為完善；中國(guó)在適航條款方面的工作起步較晚，現(xiàn)行一套方法基本源于FAA或者EASA標(biāo)準(zhǔn)，存在完善空間。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料燃燒性能開展了一定研究。Duy等學(xué)者研究了相關(guān)材料中碳纖維占比對(duì)燃燒發(fā)熱試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響；Maria等人研究了不同組分狀態(tài)下環(huán)氧物質(zhì)等的阻燃特性；馮青對(duì)比研究了環(huán)氧5228A樹脂及碳纖維/環(huán)氧5228A樹脂復(fù)合材料層合板在3種濕熱環(huán)境(水煮、70℃水浸、70℃和85%相對(duì)濕度)中的相關(guān)表現(xiàn)，考察了該條件對(duì)復(fù)合材料相關(guān)力學(xué)性能的影響，并從吸濕特性、物理化學(xué)特性、樹脂力學(xué)性能、濕應(yīng)力等方面分析了不同濕熱環(huán)境下復(fù)合材料性能衰減的機(jī)制；張艷萍以碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為研究對(duì)象，分別采用對(duì)應(yīng)測(cè)試分析方法，研究了熱氧老化物理機(jī)制機(jī)理。分析結(jié)果如下：在熱氧老化條件下，復(fù)合材料的失重率遵循以時(shí)間為自變量的一定函數(shù)關(guān)系。上述工作主要集中在復(fù)合材料熱行為和對(duì)火反應(yīng)性能方面，對(duì)其發(fā)煙特性的測(cè)試分析較少，特別是針對(duì)復(fù)材機(jī)身壁板及其衍生結(jié)構(gòu)發(fā)煙特性的研究鮮有報(bào)道。

本文研究了復(fù)合材料壁板、隔熱隔音棉及其組合構(gòu)型的發(fā)煙特性，驗(yàn)證了某型號(hào)飛機(jī)構(gòu)型所用的復(fù)材壁板衍生構(gòu)型(帶隔熱隔聲層等內(nèi)飾材料)是否符合CCAR-25-R4附錄F第V部分中規(guī)定的煙密度要求，并通過飛機(jī)內(nèi)飾發(fā)煙特性方面的考量，為國(guó)內(nèi)大型客機(jī)的內(nèi)飾設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)件

本文選取某型號(hào)飛機(jī)復(fù)材壁板件和隔熱隔音棉衍生構(gòu)型作為實(shí)驗(yàn)構(gòu)型，依據(jù)CCAR-25-R4附錄F第V部分開展發(fā)煙特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)件包括復(fù)合材料壁板、隔熱隔音棉和復(fù)合材料壁板+隔熱隔音棉組合件。試驗(yàn)前的要求如下：

1) 放置環(huán)境溫度接近21±2℃；

2) 放置環(huán)境相對(duì)濕度須達(dá)到55±10%；

3) 放置時(shí)長(zhǎng)約24 h。

1.2 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)采用FTT-0062煙密度箱，封閉箱體容積為914 mm×610 mm×914 mm。煙密度箱如圖1所示，在其中可以讓平板樣品承受散射熱源的燃燒，并對(duì)所產(chǎn)生煙霧的比光學(xué)密度(DS)加以測(cè)量。準(zhǔn)直射光束垂直向上穿過試驗(yàn)箱，并使用光電倍增管對(duì)光照強(qiáng)度加以測(cè)量。相對(duì)光照強(qiáng)度的變化可連續(xù)記錄。實(shí)驗(yàn)件在施加明火的工況下產(chǎn)生煙氣，當(dāng)光束在煙氣中穿過后，測(cè)量光束的減弱率并通過儀器自帶的軟件對(duì)煙密度和透光率進(jìn)行計(jì)算。具體準(zhǔn)備步驟如下：

1)用毛刷清掃煙箱內(nèi)壁、電爐及支架；用酒精脫脂棉球清潔光窗。

2)接通總電源，校準(zhǔn)交流輸出電壓達(dá)220 V，通過加熱電源及排風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度為35±5℃。

3)采用有焰模式，調(diào)節(jié)丙烷氣和空氣流量分別為(50±3)cm/min和(500±20) cm/min，點(diǎn)燃燃燒器的六個(gè)火焰口。

4)將“空”試驗(yàn)件盒置于試驗(yàn)位置。

5)打開箱門、排氣孔，打開進(jìn)氣孔。

6)接通光源，預(yù)熱10 min后，將透光儀表調(diào)節(jié)到滿刻度，即100%。

圖1 煙密度箱

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1)將“空”試驗(yàn)件盒從爐前推開，立即將被測(cè)試驗(yàn)件推至試驗(yàn)位置，關(guān)閉箱門，同時(shí)開啟計(jì)算機(jī)、打印機(jī)。

2)當(dāng)透光率儀表指針開始移動(dòng)時(shí)，表示已有煙產(chǎn)生，應(yīng)立即關(guān)閉進(jìn)氣孔。

3)試驗(yàn)時(shí)間一般為20 min，達(dá)到最小透光率時(shí)持續(xù)3 min終止試驗(yàn)；若試驗(yàn)進(jìn)行20 min仍未達(dá)到最小透光率，根據(jù)需要可適當(dāng)延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間，并在報(bào)告中注明。

依據(jù)CCAR 25.853和GB/T10671-2008固體材料產(chǎn)煙的比光密度試驗(yàn)方法，全部采取有焰燃燒模式分別測(cè)試復(fù)合材料壁板、隔熱隔音棉和“復(fù)合材料+隔熱隔音棉”三種構(gòu)型的煙密度，其中組合件的考核區(qū)為隔熱隔音層與復(fù)材壁板接縫處，每種構(gòu)型取三次平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料壁板

復(fù)材壁板有焰模式煙密度實(shí)驗(yàn)前后的對(duì)比形貌如圖2所示，實(shí)驗(yàn)后復(fù)材壁板有明顯的火焰燒蝕痕跡，表層有碳化現(xiàn)象，但整體結(jié)構(gòu)均保持相對(duì)完整。實(shí)驗(yàn)中，復(fù)材壁板平均在1 s后開始產(chǎn)煙，在1 s～192 s內(nèi)，平均透光率從100%降到了48.65%，平均煙密度從0升到了43.69，此后煙密度上升速度和透光率下降的速度都趨于平緩，4 min時(shí)的平均煙密度為58.36，并在16.43 min達(dá)到平均煙密度峰值183.60，實(shí)驗(yàn)件平均質(zhì)量損失達(dá)到了14.87%。

(a) 實(shí)驗(yàn)前 (b) 安裝狀態(tài) (c) 實(shí)驗(yàn)后圖2 復(fù)材壁板材料實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比圖

發(fā)煙參數(shù)如表1所示。復(fù)材壁板在4 min后的3個(gè)實(shí)驗(yàn)件煙比光密度平均值為58.36，20 min內(nèi)最大煙比光密度平均值為183.60。復(fù)材壁板的煙比光密度均小于CCAR-25-R4附錄F第V部分提出的4 min后煙比光密度不得超過200的接受準(zhǔn)則。這表明復(fù)材壁板通過了煙密度特性測(cè)試，符合CCAR25.853和GB/T10671-2008固體材料產(chǎn)煙的比光密度試驗(yàn)方法中規(guī)定的煙密度要求。

表1 復(fù)合材料壁板發(fā)煙參數(shù)

2.2 隔熱隔音棉

隔熱隔音棉有焰模式煙密度實(shí)驗(yàn)前后的對(duì)比形貌如圖3所示。實(shí)驗(yàn)后隔熱隔音棉包覆層暴露在火焰下的部分燒蝕缺損嚴(yán)重，火焰口附近的芯體玻璃纖維棉有多個(gè)局部燒蝕孔洞，但沒有明顯收縮或炭化，整體結(jié)構(gòu)保持相對(duì)完整。實(shí)驗(yàn)中隔熱隔音棉1從1 s后開始產(chǎn)煙，在1 s～35 s內(nèi)，透光率從100%降到了88.88%，煙密度從0升到了7.0，此后透光率和煙密度的變化速度都趨于平緩，4 min時(shí)的煙密度為8.54，并在19.94 min達(dá)到煙密度峰值12.99，實(shí)驗(yàn)件質(zhì)量損失達(dá)到了19.13%。

發(fā)煙參數(shù)如表2所示。隔熱隔音棉在4 min后的3個(gè)實(shí)驗(yàn)件煙比光密度平均值為8.54，20 min內(nèi)最大煙比光密度為熱輻射模式下為12.99，均遠(yuǎn)小于CCAR-25-R4附錄F第V部分提出的4 min后煙比光密度不得超過200的接受準(zhǔn)則。這表明隔熱隔音棉通過了煙密度特性測(cè)試，符合CCAR25.853和GB/T10671-2008固體材料產(chǎn)煙的比光密度試驗(yàn)方法中規(guī)定的煙密度要求。

(a) 實(shí)驗(yàn)前 (b) 安裝狀態(tài) (c) 實(shí)驗(yàn)后圖3 隔熱隔音棉實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比圖

表2 隔熱隔音棉發(fā)煙參數(shù)

2.3 復(fù)合材料壁板+隔熱隔音棉

將隔熱隔音層覆于復(fù)材壁板上半部制備成組合件，考核區(qū)為隔熱隔音層與復(fù)材壁板接縫處。組合件的有焰模式煙密度實(shí)驗(yàn)前后的對(duì)比形貌如圖4所示。在火焰沖擊下，上半部分的隔熱隔音棉包覆層部分破損，芯體玻璃纖維棉有火焰燒蝕痕跡，但沒有明顯收縮或碳化，經(jīng)絡(luò)結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞；下半部復(fù)合材料有明顯燒蝕痕跡，表層有碳化痕跡，但整體結(jié)構(gòu)仍保持相對(duì)完整。實(shí)驗(yàn)中，從1 s后開始產(chǎn)煙，在1 s～42 s內(nèi)平均透光率從100%降到了90.91%，平均煙密度從0升到了5.53，此后透光率和煙密度的變化近似呈線性變化，4 min時(shí)的平均煙密度為8.97，并在19.97 min達(dá)到平均煙密度峰值83.73，實(shí)驗(yàn)件平均質(zhì)量損失達(dá)到了9.6%。

發(fā)煙參數(shù)如表3所示。組合件在4 min后的3個(gè)實(shí)驗(yàn)件煙比光密度讀數(shù)平均值為8.97，20 min內(nèi)最大煙比光密度為83.73。煙比光密度均遠(yuǎn)小于CCAR-25-R4附錄F第V部分提出的4 min后煙比光密度不得超過200的接受準(zhǔn)則。這表明復(fù)材壁板+隔熱隔聲層組合件通過了煙密度特性測(cè)試，符合CCAR25.853和GB/T10671-2008固體材料產(chǎn)煙的比光密度試驗(yàn)方法中規(guī)定的煙密度要求。

(a) 實(shí)驗(yàn)前 (b) 安裝狀態(tài) (c) 實(shí)驗(yàn)后圖4 復(fù)合材料壁板+隔熱隔音棉實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比圖

表3 復(fù)合材料壁板+隔熱隔音棉發(fā)煙參數(shù)

3 結(jié)論

1)煙密度實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)材壁板、隔熱隔音棉、復(fù)材壁板+隔熱隔音棉組合結(jié)構(gòu)在4 min后和20 min內(nèi)的最大比光密度讀數(shù)平均值均小于CCAR-25-R4附錄F第V部分提出的4 min后煙比光密度不得超過200的接受準(zhǔn)則。這表明三種構(gòu)型均通過了煙密度特性測(cè)試，符合CCAR25.853和GB/T10671-2008固體材料產(chǎn)煙的比光密度試驗(yàn)方法中規(guī)定的煙密度要求。

2)復(fù)材壁板的發(fā)煙量要遠(yuǎn)高于隔熱隔音材料。鋪設(shè)隔音隔熱棉后，復(fù)材壁板的煙比光密度由4 min時(shí)的58.36降低到8.97，20 min內(nèi)的峰值也從183.60降低到83.73，這表明隔熱隔音棉能夠降低火焰的嚴(yán)酷程度，延緩了復(fù)合材料的熱分解，從而降低了復(fù)材壁板的煙比光密度和煙氣釋放速率。