空客320货舱衬板复合材料的热解和燃烧特性

贾旭宏 杨晓光 徐松涛 马俊豪 薛杨武

（中国民用航空飞行学院民航安全工程学院，广汉 618307）

文 摘 使用热重分析仪和锥形量热仪在相同条件下分析对比两种试验材料空客320货舱衬板（玻璃纤维/酚醛树脂）和3240 玻纤板-FR4（玻璃纤维/环氧树脂）的热解和燃烧特性。试验结果表明：空客320 货舱衬板和3240 玻纤板-FR4 的热解分为4 个和3 个阶段，货舱衬板的初始热分解温度、点燃时间及燃烧时长均小于3240 玻纤板-FR4。3240 玻纤板-FR4 的有烟时间、产烟率（RSR）及总产烟量（TSR）大于货舱衬板，且产烟率（RSR）及总产烟量（TSR）分别是货舱衬板的2 倍、3.45 倍；3240 玻纤板-FR4 的热释放速率（HRR）及总热释放量（THR）大于货舱衬板，且热释放速率峰值（pk-HRR）及总热释放量（THR）分别是货舱衬板的1.47 倍、1.94倍。故空客320货舱衬板在火灾发生后对人的生命安全及飞机的运行安全危险性小。

0 引言

进入21世纪以来，我国航空航天事业发展迅速，航空货运周转量的增长速度大于客运周转量的增长速度。由于货舱起火时而发生，所以我国民航行业标准MH/T 6086—2012 要求货舱衬板材料的耐烧穿时间必须大于5 min，以提供足够的时间启动灭火系统［1］，用不同材料就会导致预期之外的火灾发生［2］。玻璃纤维树脂基复合材料因其优良的性能被广泛用于航空航天、轨道交通等领域。在飞机舱内不同位置材料对成本、烟雾量及耐火性的要求不同，环氧树脂体系在早期广泛应用于货舱衬板，酚醛树脂体系由于优良的耐火性及低烟排放开始取代环氧树脂。因此，对复合材料性能要求也不断提高［3-6］。

张鹏飞等［7］根据FAR 25.853飞机材料的燃烧实验方法，测试飞机结构物质（玻璃纤维/酚醛树脂、碳纤维/环氧树脂）的燃烧特性，相比于碳纤维/环氧树脂，玻璃纤维/酚醛树脂的阻燃性能更好。杜宇等［8］和李胜等［9］通过合成一种阻燃环氧树脂，有效地评估阻燃剂对环氧树脂的燃烧性能，是否产生协同效应。CHEN 等［10］采用锥形量热仪对玻璃纤维/酚醛树脂复合材料的着火及燃烧特性开展了实验研究，得出了质量损失率（MLR）和热释放率峰值（pk-HRR）与热通量转化点火时间的线性关系。黄娜等［11］研究了氨酚醛树脂的热解反应下，改变升温速率对复合材料的表观活化能的影响。

货舱的火灾危险严重影响着飞机的安全运行。本试验用热重分析仪和锥形量热仪研究典型货舱壁板材料的热解和燃烧特性，降低火灾发生的潜在危险，为我国研发用于飞机货舱衬板的阻燃材料指明方向及防火灭火提供理论依据。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

空客320 货舱衬板（玻璃纤维/酚醛树脂）；3240玻纤板-FR4（玻璃纤维/环氧树脂）。

1.2 试验仪器

TGA 4000 型热重分析仪，美国PerkinElmer 公司；CCT型锥形量热仪，中国莫帝斯公司。

1.3 试验制备

材料自身厚度限制，燃烧测试样品尺寸为100 mm×100 mm×1 mm 的2 种样品做3 组平行试验；热性能分析称重样品大约10 mg

1.4 试验方法

（1）热解特性：用热重分析法在空气环境，温度范围30～800 ℃，升温速率10 ℃/min，取样品大约10 mg

（2）燃烧分析：用锥形量热仪在辐射强度为35 kW/m2下进行测定，分析对比两种材料的平均点燃时间、热释放速率、总热释放量、产烟速率、总烟释放量。

2 结果与讨论

2.1 热解特性

树脂基复合材料在一定热流条件下持续受热时，首先发生表层树脂热分解，释放出小分子气体，生成炭化层、热解层，其树脂的裂解，向外引射分解气体，对炭层起到一定保护作用［12］。

由图1可知，酚醛树脂基体的初始热分解温度是251.2 ℃。该材料在251.2～384.6 ℃和385～574.6 ℃均存在明显热失重，由DTG 曲线得知A1和A2峰值温度分别为337.7 和541.1 ℃。图2 可知，空客320 货舱衬板材料的初始热分解温度是131.7 ℃，热解行为是在连续失重的情况下发生的，该失重依次由四个峰D1、D2、D3和D4组成。在131.7～290 ℃下的TG 曲线相对平缓，有轻微重量损失，对应的DTG 曲线有两个热分解小峰D1和D2，峰值温度分别为197.1 ℃和282.5 ℃。货舱衬板材料在290～375 ℃和376～685 ℃均存在明显热失重，由DTG 曲线得知D3和D4峰值温度分别为326.7 和532.2 ℃。这与酚醛树脂基体热分解温度相似。290～375 ℃货舱衬板材料失重率为5.7%；在376～685 ℃货舱衬板材料失重率为25.5%，此阶段货舱衬板材料质量损失最多，热分解速率最快，是主要分解阶段。根据TG 曲线得空客320 货舱衬板材料800 ℃剩余量为67.74%。

由图3可知，环氧树脂基体的初始热分解温度是376.8 ℃。该材料在376.8～446.7 ℃和498.1～635.4 ℃均存在明显热失重，由DTG曲线得知B1和B2峰值温度分别为407.1和568.7 ℃。图4可知，3240玻纤板-FR4材料的初始热分解温度是219.2 ℃，热解行为是在连续失重的情况下发生的，该失重依次由三个峰P1，P2和P3组成。材料在352～461.6 ℃和479.4～583.8 ℃均存在明显热失重，由DTG曲线得知P1和P2峰值温度分别为413.1和513.2 ℃。这与环氧树脂基体热分解温度相似。材料在479.4～583.8 ℃失重率为9.86%；而在219.2～461.6 ℃3240 玻纤板-FR4 材料失重率为17.39%，此阶段3240玻纤板-FR4材料质量损失最多，热分解速率最快，是主要分解阶段。在615.4～719.8 ℃下的TG曲线相对平缓，有轻微重量损失，根据DTG曲线有一个热分解小峰P3，峰值温度分别为684.9 ℃。根据TG 曲线得3240 玻纤板-FR4 材料800 ℃剩余量为71.81%。

综上所述，树脂基体加入阻燃剂和纤维等能促进材料的热分解，使其初始热分解温度降低。空客320货舱衬板和3240玻纤板-FR4复合材料热失重过程取决于树脂基体热分解行为，因为玻璃纤维的熔化温度在1 300 ℃左右［13］。

2.2 燃烧特性分析

2.2.1 点燃时间及燃烧时长

点燃时间与燃烧时长是评价固体材料燃烧性能的重要指标［14］。表1 为空客320 货舱衬板和3240 玻纤板-FR4 复合材料在热辐射强度下的点燃时间和燃烧时长。表1 可知：2 种材料在较短时间内能够被点燃，空客320 货舱衬板相比于3240 玻纤板-FR4 复合材料的点燃时间和燃烧时长较短。

表1 两种复合材料的点燃时间及燃烧时长Tab.1 Ignition time and burning time of two composites

2.2.2 RSR、TSR分析

2种材料在火灾环境中持续受热分解生成大量的烟气颗粒和NOx、H2S、CO等有毒气体，其在货舱两侧短时间内扩散到客舱，危害到乘客人员的生命健康。产烟率（RSR）和总产烟量（TSR）是评估火灾危害程度的重要参数。图5和图6为空客320货舱衬板和3240玻纤板-FR4复合材料在热辐射强度下的产烟率和总产烟量曲线。图5可知，2种复合材料在点燃之后空客320货舱衬板在42 s到达产烟率峰值0.015 m²/s，3240玻纤板-FR4在76 s到达产烟率峰值0.029 m²/s且大约是空客320货舱衬板的2倍。这是因为与3240玻纤板-FR4（玻璃纤维/环氧树脂）相比，空客320货舱衬板（玻璃纤维/酚醛树脂）在燃烧热分解时有较强的热稳定性和炭化趋势，炭层的形成使得可燃裂解产物避免转换成气体燃料，抑制了聚合物材料的燃烧［15］。由于辐射温度的持续作用，使材料处于阴燃状态一直会产生烟气。所以，空客320货舱衬板和3240玻纤板-FR4分别在29～73和35～144 s持续产生烟气，且有烟时间分别是44和109 s。图6可知，空客320货舱衬板和3240玻纤板-FR4的总产烟量分别为0.447和1.541 m²，其后者总产烟量是前者的3.45倍。因此，可以看出2种复合材料开始产烟时间相差6 s，对3240玻纤板-FR4（玻璃纤维/环氧树脂）而言，空客320货舱衬板（玻璃纤维/酚醛树脂）的有烟时间、产烟率及总产烟量明显降低。

2.2.3 HRR、THR分析

聚合物燃烧一定会释放大量的热量，而热释放速率是衡量火灾危险性中最重要的单一变量［16］。图7 和图8 为空客320 货舱衬板和3240 玻纤板-FR4 复合材料在热辐射强度下的热释放速率和总热释放量曲线。图7 可知，2 种复合材料在点燃之后空客320货舱衬板在63 s 达到热释放速率峰值（pk-HRR）83.28 kW/m²，3240玻纤板-FR4在83 s达到热释放速率峰值（pk-HRR）122.32 kW/m²且短时间内释放大量热量，是空客320货舱衬板的1.47倍。这是因为2种复合材料的表面在持续施加热辐射温度的作用下短时间内释放出大量热量。而对于空客320 货舱衬板（玻璃纤维/酚醛树脂）而言，在材料表面热量的聚集促使温度升高，内部孔隙率随密度的降低而增高，且酚醛树脂在热解过程中会产生大量的炭层，使得热释放速率逐渐减少［17］。图8可知，聚合物燃烧是有焰燃烧和无焰燃烧的一个持续过程，空客320货舱衬板和3240 玻纤板-FR4 的总热释放量分别为3 981.2和7 726.2 MJ/m²。其后者总热释放量是前者的1.94倍。综上，空客320 货舱衬板（玻璃纤维/酚醛树脂）的热释放速率峰值、总热释放量均少于3240玻纤板-FR4（玻璃纤维/环氧树脂）。

3 结论

（1）空客320 货舱衬板和3240 玻纤板-FR4 复合材料在空气气氛下热解过程分别为4 个和3 个阶段，且前者的初始分解温度低于后者。两种复合材料的剩余量分别为67.74%和71.81%。

（2）在相同热辐射强度条件下进行火灾模拟，得出3240 玻纤板-FR4 的产烟率及总产烟量分别是货舱衬板的2 倍、3.45 倍；3240 玻纤板-FR4 的热释放速率峰值及总热释放量分别是货舱衬板的1.47 倍、1.94 倍。通过对比分析有烟时间、RSR、TSR、pk-HRR、THR 结果表明，空客320 货舱衬板（玻璃纤维/酚醛树脂）有很好的低烟雾性、低毒性和耐火性。

（3）相比3240玻纤板-FR4（玻璃纤维/环氧树脂）而言，空客320 货舱衬板（玻璃纤维/酚醛树脂）在火灾发生后对人的生命安全及飞机的运行安全危险性小。