飞机油箱用典型复合材料热传导性能实验研究

佀庆民，王　旭，王　志

（沈阳航空航天大学a.辽宁省通用航空重点实验室；b.安全工程学院，沈阳　110136）

飞机油箱用典型复合材料热传导性能实验研究

佀庆民a，b，王旭b，王志a，b

（沈阳航空航天大学a.辽宁省通用航空重点实验室；b.安全工程学院，沈阳110136）

飞机油箱已开始探索使用先进复合材料，以T300 3K碳纤维环氧树脂复合材料为研究对象，通过接触式恒温加热实验和热导率测试实验，对其导热性能进行了研究。首先对厚度为2 mm、4 mm的T300 3K碳纤维环氧树脂复合材料板分别进行150℃、200℃、250℃、300℃以及350℃的接触式恒温加热实验；然后在实验条件下测得了T300 3K在不同温度下的热导率，并与5A02铝合金材料在不同温度下的热导率进行了比较。研究结果表明：T300 3K的热导率远小于5A02铝合金，其垂直于纤维方向的热导率在10-2数量级，且随着温度的升高而变大；T300 3K作为飞机燃油箱壁板材料虽然隔热性能强于5A02铝合金，但易出现局部过热的情况，造成材料板破坏，强度出现下降。

碳纤维复合材料；飞机燃油箱；热传导；热导率；恒温加热；适航

heating；airworthiness

燃油箱不仅要承担为飞机储存所需燃油的功能，还要具备隔绝外界着火源，降低火灾爆炸危险性的功能［1］。先进的复合材料正越来越多地用于民用飞机结构中［2-4］，为验证复合材料是否满足飞机油箱防火安全性的要求，必须对其导热性能进行研究。依据CCAR25-R4要求，定性、定量或实验测试证实复合材料油箱的耐温性能和阻燃性能达到传统的铝镁合金非加热机翼油箱性能［5-7］。

本文主要研究飞机油箱用复合材料的导热性能，通过实验测试复合材料板材的导热特性，并通过现有设备测出不同温度下板材的热导率，对复合材料和铝镁合金材料的传热特性进行定性和定量比较。

1　油箱用典型复材导热性能实验与分析

主要针对飞机燃油箱用复合材料在接触火焰时的导热规律进行研究，通过控制不同的加热温度对两种典型厚度的复材进行加热，通过合理设计温度测试设备以及数据采集系统对材料板导热情况进行研究与分析。

1.1所用实验设备及实验准备

1）复合材料板的选择

树脂基复合材料是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。军用和民用中主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强树脂复合材料［2，6］。本次实验采用的是T300 3K碳纤维环氧树脂复合材料板，抗拉强度 3 530 MPa，弹性模量230 GPa，伸长率1.70%，纤维布排列属于平纹［8］。

2）温度采集设备

温度采集设备采用K级恺装DBK84热电偶。数据采集系统采用美国IOTECH公司数据采集器Log Book/300和数据采集可视化界面软件LogView。

3）热源的选择

采用恒温加热平台，加热平面规格为100 mm× 100 mm×20 mm，控制温度范围50℃～350℃，恒温稳定误差±1.5℃，如图1所示。

图1　恒温加热平台Fig.1　Constant-temperature heating equipment

4）其他设备

采用铝箔固定热电偶，采用计时器记录时间等以及热电偶的引线（若干）、电源、计算机、铝箔胶带等。

5）实验准备

连接热电偶温度与数据传输通道，将连好的热电偶分别按通道标号调试温度采集设备，测出实验所用档位对应加热平面的实际温度并记录；在复合材料板上布置热电偶使加热台处于材料板宽度的中间位置，如图2所示。

图2　热电偶布置示意图Fig.2　Thermocouple arrangement

1.2实验过程

1）给平台加热通电，等待其达到设定温度档（设定温度档分别为100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃）。

2）按图2在材料板上布置热电偶。

3）使用Log Book，打开热电偶测量的信息通道，进行温度信息采集。同时将材料板按设定位置安放在加热平台上，使材料板与加热板充分接触。

4）根据板材测试稳定时间，稳定接触加热20 min后，关闭采集数据按钮，同时取下材料板。

5）下载并输出采集的温度数据。

1.3实验结果与分析

分别对2 mm、4 mm厚T300 3K复材进行导热性能实验，温度采集数据如表1和表2所示。

表1　2 mm厚材料板加热20 min平均温度/最高温度Tab.1　Average and highest temperature of 2 mm thick materials after heating for 20 min

从实验数据可以看出2、3、4、7号热电偶所测温度有明显的上升，经过一段时间后保持平稳。6、9、10、11号热电偶由于距离加热源较远，温度没有明显变化：当温度档位较低时，相应编号热电偶所测得的最高温度和平均温度与环境温度相当，但是随着温度档位的升高，其温度有所增加。

图3为150℃、200℃、250℃温度档加热台正上方2 mm、4 mm厚板材上表面温度变化曲线（即热电偶2所测温度变化）。可以看出2 mm厚板材明显比4 mm厚板材温度升高速率快，且达到的稳定温度也明显高于后者。说明厚度对复合材料板的传热性能影响很大，可能由于复合材料厚度方向导热系数过低引起的。

表2　4 mm厚材料板加热20 min平均温度/最高温度Tab.2　Average and highest temperature of 4 mm thick materials after heating for 20 min

图3　相同温度下不同厚度板材2号热电偶温度变化曲线Fig.3　Temperature variation curve of No.2 thermocouple of different thickness material under same temperature

表3为4和7，6和9，10和11 3组热电偶上、下表面温度差统计数据表。

从表3中可以看出同一温度档加热同一厚度板时，在一定范围内，随着与热源距离的增加材料板上、下表面温差逐渐降低。对于相同厚度材料板，在与加热源一定距离范围内，温差随加热温度的提高而增加。在距热源130 mm处，材料板温度随着温度档的提高没有明显变化，说明材料板的传热范围小，即沿横向传热能力不强。

图4为150℃、200℃、250℃、300℃、350℃温度档加热20 min，4 mm厚板加热台正上方，复合材料板上表面温度变化曲线。从图中可以看出，在一定范围内，随着温度的升高，板材升温速率和最终的稳定温度都有所增加。其中250℃、300℃、350℃温度档（实际对应温度为236.15℃、276.00℃、337.47℃）升温阶段有较大波动并且出现放缓的迹象，说明板材在升温过程中导热性能发生变化。

图4　不同温度档加热20 min 4 mm厚板2号热电偶温度曲线Fig.4　Temperature variation curve of No.2 thermocouple with 4 mm thick material after heating for 20 min in different temperatures

表3　复合材料板上、下表面温度差统计数据Tab.3　Statistics of temperature contrast between upper and lower surfaces of VCM

考虑到碳纤维耐温可达1 000℃，且此种复合材料耐受温度为180℃～200℃（20 min），说明在这些温度条件下作为基体的环氧树脂达到玻璃化转变温度（Tg），使材料遭到破坏。通过实验现象还可以看出：150℃、200℃温度档加热时材料板从外形来看基本没有变化；250℃、300℃、350℃温度档加热时出现明显破坏迹象，且随着温度的升高破坏程度加剧。

2　油箱用典型复材热导率实验与计算分析

根据相关研究，碳纤维纵向热导率数值约为101～102W/（m·K），是横向热导率的10～102倍。树脂的热导率大约处于10-1～100数量级，随温度增加而上升。由于碳纤维复合材料工艺的影响，各种型号的碳纤维环氧树脂组元的比例、组合铺层方式也各有差异，使得热导率计算有较大的误差。在实际应用中，要获得准确的数据还是需要采用实验测量的方法［9-10］。

根据复合材料在温度档为200℃加热条件下出现不明显的破坏，在250℃加热条件下出现明显破坏的情况，以及热导率随温度升高而升高的规律，设置温度挡为60℃、80℃、100℃、150℃和200℃条件下进行热导率的测量。测量前用热电偶分别测出各档位所对应的测量温度以及铜片参数，如表4、表5所示。

表4　加热板各档位所对应温度Tab.4　Different temperature levels

表5　铜片参数Tab.5　Copper parameters

实验温度记录如表6所示，铜片升至234℃后在空气中散热曲线如图5所示。

图5　234℃铜片冷却温度变化曲线Fig.5　Temperature change curve of copper cooling from 234℃

从温度采集设备所采集的铜片降温数据中筛选出各组T2温度（即铜片温度达到稳态时的数值）在以T2为中点10℃范围内每秒钟对应的温度，再利用数据处理软件将筛选出的数据绘制散点图并拟合成直线，所得直线的斜率即为各组T2所对应的铜片在空气中的散热速率n，具体数据如表6所示。80℃温度挡对应铜片散热速率拟合直线如图6所示。

图6　80℃温度挡对应铜片散热速率拟合直线Fig.6　Cooling rate fit line of copper at 80℃level

将散热速率n和其他参数代入热导率公式［11］，求出热导率见表6。

表6　测量计算结果汇总Tab.6　Summary of measurement results

由于热电偶测量温度有一定的误差，实际测量中ΔT越小误差越大，为尽量避免误差数据影响，在此设定ΔT＞5℃时为有效数据，故排除60℃组的测量数据。取T1、T2的平均值作为材料板的实际温度，画出实际温度对应的热导率曲线如图7所示。

图7　T300 3K复材5A02铝镁合金热导率随温度变化曲线Fig.7　Thermal conductivity curve of T300 3K and 5A02 with changing temperature

3　T300 3K复材与5A02铝合金导热性能对比

铝镁合金和复合材料的传热特性迥异，5A02铝合金在各个方向导热性都很好，而T300 3K在X、Y方向热导率较大，但具体数值仍然远低于5A02铝合金。并且实际使用的复合材料X、Y方向宽度远大于Z向厚度，使得材料板中的热量横向扩散很少，主要通过其厚度方向来传递热量。

对比5A02铝镁合金热导率随温度变化曲线，如图7所示［12］。T300 3K复材在厚度方向热导率远低于相同温度下5A02铝合金热导率。因此，外界热量通过T300 3K复材传递给油箱内部介质要比通过5A02铝合金更难，即T300 3K复材对油箱外部热量的阻碍作用强于5A02铝合金。

但是由于T300 3K复材耐受温度相对较低，且导热性能较差，容易出现局部过热的情况，复合材料经过长时间高温烘烤、烧蚀或造成复合材料表面温度达到Tg后，在飞机振动或晃动作用下，可能出现部分开裂、分层、脱胶、渗漏和变形等失效造成二次事故。这一问题的解决有待于对复材厚度、铺层结构与载热性能关系的进一步深入研究。

4　结语

燃油箱是飞机的核心部件，其安全性也一直受到各方的重视［13］。随着复合材料在飞机结构上应用的普及，复材型燃油箱的安全性能正受到飞行管理、飞机设计以及相关研究工作者的重视。复材型燃油箱的耐温性、阻燃性以及结构强度等特性，是否能够超过传统铝（镁）合金材质，且满足飞机适航标准的要求，以保证飞行安全，是一个关键问题。

本文主要研究了飞机油箱用典型复合材料热传导性能，包括导热性能实验、热导率实验与计算以及与铝合金导热性能对比3个方面。总结如下：

1）采用恒温加热台对T300 3K复材板下表面加热时，加热面正上方复材板上表面的升温速率和达到的稳定温度随着加热台设定温度的提高而变大；当温度一定时，在一定范围内随着与受热面距离的增加，材料板上、下表面温差逐渐减小；材料板沿受热面平行方向传热范围小；4 mm厚的板材垂直于受热面的方向导热性能明显不如2 mm厚的板材，说明沿厚度方向材料的导热性能较差。

2）当温度达到环氧树脂基体玻璃化转变温度（Tg）后，板材的导热性能出现较大波动，并且温度越高波动越大；当温度达到环氧树脂基体玻璃化转变温度时，材料板靠近加热面的地方开始遭到破坏。

3）实验条件下测得T300 3K复材板垂直于纤维方向的热导率在75.18℃～181.60℃的范围内随温度的升高而变大，保持在10-2数量级，沿纤维方向的热导率虽然大于垂直于纤维方向的热导率，但仍然远小于5A02铝合金的热导率；复合材料板对热量的阻碍作用强于5A02铝合金，但易造成局部过热的情况出现，过热导致问题的解决有待于对复材厚度、铺层结构与载热性能关系的进一步深入研究。

该实验研究可以模拟飞机燃油箱外部元件故障发热时，复合材料油箱壁板本身吸收热量在壁板内部的热传导过程，可以为采用复合材料油箱的飞机进行适航性认证实验提供方法参考。

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（责任编辑：刘智勇）

Experimental study on heat-conducting performance of typical ACM used in aircraft fuel tank

SI Qingmina，b，WANG Xub，WANG Zhia，b
（a.Liaoning Key Laboratory of General Aviation；b.School of Safety Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

ACM（advanced composite materials）has been used in aircraft fuel tanks.Heat-conducting performances of carbon fiber epoxy composite T300 3K are studied through the following experiments：contact constant-temperature heating experiment and thermal conductivity test experiment.Contact constant-temperature heating experiments are firstly taken on 2 mm and 4mm thick T300 3K carbon fiber epoxy composites at the temperature of 150℃，200℃，250℃，300℃and 350℃.Then，the thermal conductivities of T300 3K are tested at different temperatures under the presupposition experimental conditions.Those results are compared with the thermal conductivities of 5A02 aluminum alloy material at different temperatures.Research results show that the thermal conductivities of T300 3K is much smaller than that of 5A02 aluminum alloy.In vertical direction to the fiber，the thermal conductivity of T300 3K keeps in 10-2magnitude.And it becomes larger with the increase of temperature.As aircraft fuel tank panel material，T300 3K is easy to occur in the case of local overheating，causing material damage，and resulting in the decrease of its strength，although the thermal insulation performance of T3003K is stronger than 5A02 aluminum alloy.

carbon fiber epoxy composite；aircraft fuel tank；heat-conducting；thermal conductivity；constant-temperature

V258；X949

A

1674-5590（2016）03-0047-05

2015-10-27；

2015-11-24基金项目：沈阳航空航天大学青年成长基金项目（201201Y）

佀庆民（1983—），男，辽宁沈阳人，讲师，工学硕士，研究方向为适航安全性、系统安全理论与技术、风险评价.