復合材料機身壁板和隔熱隔音棉衍生構型發煙性能研究

沈世元 王天成 宋 楊 韓 峰 馮梓鑫 王 志

(1. 上海飛機設計研究院, 上海 201210; 2. 沈陽航空航天大學, 遼寧沈陽 110136)

0 引言

復合材料已成為研制大型民用飛機的一個技術制高點。為了在激烈的民機市場競爭中獲勝，國外的民用航空公司在復合材料的用量上展開了激烈競爭，其在大型客機或者寬體客機設計中所使用的復合材料結構所占結構比重很高。復合材料熱穩定性優異，并且在比模量、比強度、抗疲勞特性等方面具有各種優勢。先進復合材料在機體結構中的應用不僅可以顯著減重，還可以大大提升飛機結構的其他性能。發展復合材料技術對于發展我國自有知識產權的復材品牌，推動我國航空航天等高精尖技術產業的發展也具有重要意義。由于復材的可燃性，將會進一步增加飛機火災的危險性和復雜性，因此，材料和結構必須通過嚴格的防火適航審查，并深入考察復合材料用于機身結構時的發煙等問題。

研究認為，事故發生時，乘客難以獲救的原因主要是由于飛機火災事故中碳纖維環氧復合材料在燃燒過程中釋放出大量的熱以及艙內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。飛機起飛或著陸墜毀時客艙外部燃油濺入或發動機著火進入撞毀的機體，這種火上加油加速了機體內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會。另外，由于飛機各艙室之間的連通狀態，復合材料在燃燒過程中產生的大量煙塵和毒氣會很快充斥整個機艙，飛機的高密閉性又使煙霧很難消散，令煙塵充滿飛機內人員肺部，最終造成窒息身亡。上述情況無一不對材料燃燒的發煙特性研究提出了更高的要求，對復材燃燒及發煙特性的研究已迫在眉睫。國外適航標準對于艙內材料的防火符合性判據均較為完善；中國在適航條款方面的工作起步較晚，現行一套方法基本源于FAA或者EASA標準，存在完善空間。

國內外學者對碳纖維/環氧復合材料燃燒性能開展了一定研究。Duy等學者研究了相關材料中碳纖維占比對燃燒發熱試驗性能指標的影響；Maria等人研究了不同組分狀態下環氧物質等的阻燃特性；馮青對比研究了環氧5228A樹脂及碳纖維/環氧5228A樹脂復合材料層合板在3種濕熱環境(水煮、70℃水浸、70℃和85%相對濕度)中的相關表現，考察了該條件對復合材料相關力學性能的影響，并從吸濕特性、物理化學特性、樹脂力學性能、濕應力等方面分析了不同濕熱環境下復合材料性能衰減的機制；張艷萍以碳纖維/環氧樹脂復合材料為研究對象，分別采用對應測試分析方法，研究了熱氧老化物理機制機理。分析結果如下：在熱氧老化條件下，復合材料的失重率遵循以時間為自變量的一定函數關系。上述工作主要集中在復合材料熱行為和對火反應性能方面，對其發煙特性的測試分析較少，特別是針對復材機身壁板及其衍生結構發煙特性的研究鮮有報道。

本文研究了復合材料壁板、隔熱隔音棉及其組合構型的發煙特性，驗證了某型號飛機構型所用的復材壁板衍生構型(帶隔熱隔聲層等內飾材料)是否符合CCAR-25-R4附錄F第V部分中規定的煙密度要求，并通過飛機內飾發煙特性方面的考量，為國內大型客機的內飾設計提供參考。

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型作為實驗構型，依據CCAR-25-R4附錄F第V部分開展發煙特性實驗。實驗件包括復合材料壁板、隔熱隔音棉和復合材料壁板+隔熱隔音棉組合件。試驗前的要求如下：

1) 放置環境溫度接近21±2℃；

2) 放置環境相對濕度須達到55±10%；

3) 放置時長約24 h。

1.2 試驗前準備

實驗采用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，并對所產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記錄。實驗件在施加明火的工況下產生煙氣，當光束在煙氣中穿過后，測量光束的減弱率并通過儀器自帶的軟件對煙密度和透光率進行計算。具體準備步驟如下：

1)用毛刷清掃煙箱內壁、電爐及支架；用酒精脫脂棉球清潔光窗。

2)接通總電源，校準交流輸出電壓達220 V，通過加熱電源及排風機調節箱內溫度為35±5℃。

3)采用有焰模式，調節丙烷氣和空氣流量分別為(50±3)cm/min和(500±20) cm/min，點燃燃燒器的六個火焰口。

4)將“空”試驗件盒置于試驗位置。

5)打開箱門、排氣孔，打開進氣孔。

6)接通光源，預熱10 min后，將透光儀表調節到滿刻度，即100%。

圖1 煙密度箱

1.3 實驗方法

1)將“空”試驗件盒從爐前推開，立即將被測試驗件推至試驗位置，關閉箱門，同時開啟計算機、打印機。

2)當透光率儀表指針開始移動時，表示已有煙產生，應立即關閉進氣孔。

3)試驗時間一般為20 min，達到最小透光率時持續3 min終止試驗；若試驗進行20 min仍未達到最小透光率，根據需要可適當延長試驗時間，并在報告中注明。

依據CCAR 25.853和GB/T10671-2008固體材料產煙的比光密度試驗方法，全部采取有焰燃燒模式分別測試復合材料壁板、隔熱隔音棉和“復合材料+隔熱隔音棉”三種構型的煙密度，其中組合件的考核區為隔熱隔音層與復材壁板接縫處，每種構型取三次平行實驗結果的算術平均值作為實驗結果。

2 結果與討論

2.1 復合材料壁板

復材壁板有焰模式煙密度實驗前后的對比形貌如圖2所示，實驗后復材壁板有明顯的火焰燒蝕痕跡，表層有碳化現象，但整體結構均保持相對完整。實驗中，復材壁板平均在1 s后開始產煙，在1 s～192 s內，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時的平均煙密度為58.36，并在16.43 min達到平均煙密度峰值183.60，實驗件平均質量損失達到了14.87%。

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

發煙參數如表1所示。復材壁板在4 min后的3個實驗件煙比光密度平均值為58.36，20 min內最大煙比光密度平均值為183.60。復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的接受準則。這表明復材壁板通過了煙密度特性測試，符合CCAR25.853和GB/T10671-2008固體材料產煙的比光密度試驗方法中規定的煙密度要求。

表1 復合材料壁板發煙參數

2.2 隔熱隔音棉

隔熱隔音棉有焰模式煙密度實驗前后的對比形貌如圖3所示。實驗后隔熱隔音棉包覆層暴露在火焰下的部分燒蝕缺損嚴重，火焰口附近的芯體玻璃纖維棉有多個局部燒蝕孔洞，但沒有明顯收縮或炭化，整體結構保持相對完整。實驗中隔熱隔音棉1從1 s后開始產煙，在1 s～35 s內，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時的煙密度為8.54，并在19.94 min達到煙密度峰值12.99，實驗件質量損失達到了19.13%。

發煙參數如表2所示。隔熱隔音棉在4 min后的3個實驗件煙比光密度平均值為8.54，20 min內最大煙比光密度為熱輻射模式下為12.99，均遠小于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的接受準則。這表明隔熱隔音棉通過了煙密度特性測試，符合CCAR25.853和GB/T10671-2008固體材料產煙的比光密度試驗方法中規定的煙密度要求。

(a) 實驗前 (b) 安裝狀態 (c) 實驗后圖3 隔熱隔音棉實驗前后對比圖

表2 隔熱隔音棉發煙參數

2.3 復合材料壁板+隔熱隔音棉

將隔熱隔音層覆于復材壁板上半部制備成組合件，考核區為隔熱隔音層與復材壁板接縫處。組合件的有焰模式煙密度實驗前后的對比形貌如圖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，經絡結構未發生破壞；下半部復合材料有明顯燒蝕痕跡，表層有碳化痕跡，但整體結構仍保持相對完整。實驗中，從1 s后開始產煙，在1 s～42 s內平均透光率從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時的平均煙密度為8.97，并在19.97 min達到平均煙密度峰值83.73，實驗件平均質量損失達到了9.6%。

發煙參數如表3所示。組合件在4 min后的3個實驗件煙比光密度讀數平均值為8.97，20 min內最大煙比光密度為83.73。煙比光密度均遠小于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的接受準則。這表明復材壁板+隔熱隔聲層組合件通過了煙密度特性測試，符合CCAR25.853和GB/T10671-2008固體材料產煙的比光密度試驗方法中規定的煙密度要求。

(a) 實驗前 (b) 安裝狀態 (c) 實驗后圖4 復合材料壁板+隔熱隔音棉實驗前后對比圖

表3 復合材料壁板+隔熱隔音棉發煙參數

3 結論

1)煙密度實驗表明，復材壁板、隔熱隔音棉、復材壁板+隔熱隔音棉組合結構在4 min后和20 min內的最大比光密度讀數平均值均小于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的接受準則。這表明三種構型均通過了煙密度特性測試，符合CCAR25.853和GB/T10671-2008固體材料產煙的比光密度試驗方法中規定的煙密度要求。

2)復材壁板的發煙量要遠高于隔熱隔音材料。鋪設隔音隔熱棉后，復材壁板的煙比光密度由4 min時的58.36降低到8.97，20 min內的峰值也從183.60降低到83.73，這表明隔熱隔音棉能夠降低火焰的嚴酷程度，延緩了復合材料的熱分解，從而降低了復材壁板的煙比光密度和煙氣釋放速率。