飛機隔熱隔音超細玻璃纖維棉燃燒火焰蔓延特性

劉天奇，王 寧，鄭秋雨，蔡之馨，段國升

沈陽航空航天大學安全工程學院，沈陽 110136

無論是民用客機還是軍用戰(zhàn)機，在駕駛艙、客艙等艙室附近區(qū)域會使用大量隔熱隔音材料，以保證艙室內(nèi)人員處于相對恒溫、低噪音的環(huán)境.隔熱隔音材料布置的地點屬于相對隱蔽區(qū)，附近會分布大量航空線纜[1]，無論是線纜著火引燃隔熱隔音材料，還是隔熱隔音材料著火引燃線纜，均具有嚴重墜機風險.比如，在1988-09-02，瑞士航空MD-11客機在巡航狀態(tài)下，由于電線短路引燃隔熱層，造成電氣控制系統(tǒng)失靈，使機組乘客299人全部遇難.由此可見，雖然飛機隔熱隔音材料既是阻燃材料，同時也是不燃材料，但并不代表此類隔熱隔音材料在任何條件下都不會發(fā)生燃燒，當滿足一定的溫度、充足的氧氣條件下，燃燒同樣會發(fā)生[2-4].而隔熱隔音材料阻燃的作用則體現(xiàn)在火災發(fā)生時，能起到相對延緩和推遲火勢蔓延的作用[5-6]，使得起火時，隔熱隔音材料不易被燒著，減輕燃燒猛烈程度，縮小燃燒范圍，為及早發(fā)現(xiàn)隱患和及時救援贏得寶貴時間.因此，對飛機隔熱隔音材料暴露于輻射熱源和明火條件下的燃燒火焰蔓延特性展開研究十分必要.

目前，國內(nèi)外對飛機隔熱隔音材料制備技術(shù)展開了大量研究[7-11]，對其可燃性及燃燒火焰蔓延特性的研究已取得一定進展.早在20世紀90年代，美國聯(lián)邦航空局為降低隔熱隔音材料的燃燒危險性，制定了多種實驗研究方法[12]；Huang與Zhang[13]基于有限體積法，建立了多孔介質(zhì)熱輻射與熱傳導相結(jié)合的數(shù)值模型，并應用于隔熱隔音材料傳熱特征研究，算得多層隔熱材料中的瞬態(tài)溫度與實測溫度誤差小于6.5%；任德鵬等[14]采用數(shù)值分析法研究了飛機發(fā)動機冷氣道與隔熱層之間的耦合傳熱過程，得出增加冷氣流量、減小壁面發(fā)射率可有效減小隔熱層溫度；Headley等[15]使用瞬態(tài)平面熱源技術(shù)研究了兩種陶瓷纖維的導熱率，驗證了陶瓷纖維可做為隔熱材料被用于航空、軍事等極端高溫、高壓環(huán)境；Lee等[16]、Zhao等[17-19]和楊海龍等[20]研究了高孔隙率纖維隔熱層輻射熱傳遞過程；An等[21]和Huang等[22]分析了聚苯乙烯防火泡沫做為隔熱材料的可燃性.可見，在超細玻璃纖維棉隔熱隔音材料燃燒火焰蔓延特性方面的研究尚未充分展開.

鑒于此，采用微米級直徑的超細玻璃纖維制成的玻璃纖維棉為研究對象，研究將其暴露在輻射熱源和火焰下的可燃性與火焰蔓延特性.目前，陳照峰等[23]、陳舟[24]對航空超細玻璃纖維棉制備的關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)研究.超細玻璃纖維棉是隔熱隔音性能優(yōu)異的無機非金屬材料，具有較好的絕緣性、耐熱性和抗腐蝕性，在航空器保溫、降噪領(lǐng)域應用廣泛.雖然飛機超細玻璃纖維棉屬于阻燃材料，但當滿足燃燒的條件，同樣會引發(fā)嚴重的火災甚至爆炸事故，超細玻璃纖維棉的阻燃作用就是給火災發(fā)生時爭取更多的時間，因此，研究超細玻璃纖維棉可燃性與火焰蔓延特性對認識飛機隔熱隔音材料燃燒危險性與安全穩(wěn)定性具有重要意義.

1 試驗原理與實驗樣品

1.1 實驗原理

使用的超細玻璃纖維棉燃燒火焰蔓延特性測試儀如圖1（a），主要由輻射板試驗箱和控制柜兩部分組成，用于測試暴露在輻射熱源和火焰下的隔熱隔音材料火焰蔓延特性.其中，輻射板試驗箱長1.4 m，主要包括輻射板、玻璃窗、試樣盤、點火裝置、校準裝置、測溫裝置及排煙裝置，如圖1（b）.控制柜主要包括觸控屏幕、電氣控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、燃氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)及各功能控制按鈕.

其中，輻射板尺寸為327 mm×470 mm，由6個76 mm寬的發(fā)射條組成，可提供700 ℃以上的輻射溫度，以此作為輻射熱源.點火使用的可燃氣體為純度99.99%的丙烷，先通過電點火將其點燃，再調(diào)節(jié)輻射板試驗箱右側(cè)把手，使噴燈火焰與試樣盤成30°夾角，從而令試樣盤中的玻璃纖維棉燃燒，同時啟動計時功能，控制點火時間.試驗結(jié)束后，啟動排煙按鈕將測試箱內(nèi)煙氣安全排出室外.

1.2 實驗樣品

圖1 火焰蔓延特性測試儀.（a）實物圖；（b）輻射板試驗箱示意圖Fig.1 Flame propagation characteristic tester: (a) physical map; (b) diagram of radiation panel test box

選取航空超細玻璃纖維棉隔熱隔音材料，纖維直徑1.3～4.2 μm，制備過程使用了質(zhì)量分數(shù)為5%的酚醛樹脂粘膠劑，以增強玻璃纖維棉的強度.實驗前，將試樣置于溫度21±2 ℃、相對濕度55%±10%環(huán)境下24 h.制樣時，測量樣品厚度為24 mm，如圖2（a）.根據(jù)《CCAR-25 中國民用航空規(guī)章運輸類飛機適航標準》附錄F第Ⅵ部分[25]，為避免玻璃纖維棉芯體材料受外力壓縮變形，可使用熱封裝、縫合、捆扎等方式進行預處理.本實驗采用外部包覆材料縫合的方式，同時，在試樣框背面朝上條件下把玻璃纖維棉安裝到試樣框時，盡量不把螺絲釘擰到最緊的位置，使擋板固定住玻璃纖維棉即可，實驗時再將試樣框正面朝上，使玻璃纖維芯體材料不受擠壓作用，以保證實驗結(jié)果準確性.將玻璃纖維棉制成318 mm寬（X軸方向）、584 mm長（Y軸方向），同時在試樣上沿左邊緣80 mm縱向（X方向）切割51 mm切口，以保證材料內(nèi)部燃燒時的氧氣供應，如圖2（b）.待輻射板溫度達到目標溫度后，啟動點火并將丙烷噴燈調(diào)至與試樣盤 30°夾角位置，如圖2（c）.

2 火焰沿 Y軸正向蔓延最遠距離隨點火時間變化規(guī)律分析

為描述點火后火焰蔓延的方向和距離，建立X、Y坐標軸，如圖2（b）.將火焰蔓延表述為“最遠距離”，是因為在X軸不同位置，火焰沿Y軸正向蔓延的距離是不一致的，即火焰在玻璃纖維棉上蔓延痕跡的前緣輪廓不是一條垂直于Y軸的直線.另外，實驗參數(shù)為：輻射板溫度設置為700 ℃，樣品厚度24 mm，點火時間（記為t）依次設置為15、25、35、45、55、65、75和85 s.將火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離記為l，則l隨t的變化關(guān)系如圖3.

從圖3分析可知：t為15 s時，l達到280 mm（如圖4，根據(jù)標尺度數(shù)），當t從15 s逐漸增大至85 s過程中l(wèi)逐漸增大，最終達到435 mm，增幅高達155 mm，說明增大點火時間對火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離具有明顯促進作用.從曲線斜率變化角度分析火焰蔓延速率，可知：當t在15到85 s內(nèi)不斷增大，火焰蔓延速率整體呈現(xiàn)先減小、后增大、再減小的趨勢，即t在35～55 s內(nèi)火焰蔓延速率k2明顯小于t在15～35 s內(nèi)火焰蔓延速率k1，這主要是由于丙烷噴燈火焰將玻璃纖維棉點燃后，在一定時間內(nèi)消耗了局部空間的氧氣，使玻璃纖維棉內(nèi)部氧氣濃度快速下降.隨后由于試樣在制樣中切割出切口，使局部氧氣在一定程度上得到補充，導致t在55～65 s內(nèi)火焰蔓延速率k3出現(xiàn)大于k2現(xiàn)象.最終t在65～85 s內(nèi)氧氣被第二次大量消耗，因此火焰蔓延速率k4明顯降低，使火焰蔓延最遠距離在t為75～85 s內(nèi)僅增大5 mm.

3 輻射板溫度與超細玻璃纖維棉厚度對火焰蔓延特性的影響

3.1 不同輻射板溫度下火焰蔓延特性分析

圖2 超細玻璃纖維棉制樣與點火.（a）樣品厚度；（b）樣品；（c）點火Fig.2 Sample of superfine glass fiber wool and ignition: (a) sample thickness; (b) sample; (c) ignition

圖3 l隨 t變化關(guān)系Fig.3 Relationship between l and t

圖4 火焰蔓延情況（t=15 s）Fig.4 Flame propagation condition (t=15 s)

由上文可知，輻射板溫度為700 ℃、樣品厚度24 mm、點火時間15 s時，火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離為280 mm.其中，輻射板作為輻射熱源，提供的熱源溫度是可調(diào)試的.為探究不同的輻射板溫度對玻璃纖維棉點火后火焰蔓延特性的影響，在此基礎(chǔ)上，增大輻射板溫度分別至720、740、760、780、800和820 ℃，得到火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離l和輻射板溫度T的關(guān)系如圖5.

圖5 l隨T變化關(guān)系Fig.5 Relationship between l and T

從圖5分析可知：隨輻射板溫度T在700～820 ℃范圍內(nèi)不斷增大，火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離l從280 mm隨之不斷增大至390 mm，增幅達到110 mm，說明增大T對l具有顯著促進作用.從圖5曲線整體走勢看出：當T從700增大至720 ℃時，l從280增大至310 mm，增幅達30 mm.而在T從720增大至740 ℃、從740增大至760 ℃、從760增大至780 ℃、從780增大至800 ℃、從800增大至820 ℃時，相應l的增幅分別為26、20、16、12和6 mm，說明隨T在700～820 ℃內(nèi)不斷增大，l增長速率在不斷減小.分析認為：造成這一現(xiàn)象的原因主要是由于輻射板所提供的溫度雖然對火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離有明顯作用，但其熱量傳遞的本質(zhì)是熱輻射，而丙烷噴燈點火時熱量傳遞的本質(zhì)是熱傳導，由于熱輻射僅是由于輻射熱板具有溫度而輻射電磁波，相比于熱傳導是熱量直接從高溫向低溫物體轉(zhuǎn)移，因此T的增加對l增大作用呈現(xiàn)遞減趨勢.

當輻射板溫度T為820 ℃時，火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離l高達390 mm（如圖6），為進一步探究該條件下玻璃纖維棉內(nèi)部溫度變化情況，在內(nèi)部沿中間厚度位置預埋了3根熱電偶，其位置坐標 (x,y)分別為A(140,130)，B(140,260)和C(140,390)，單位是mm.其中，沿X軸140 mm屬于玻璃纖維棉沿X軸方向中間位置，沿Y軸方向130、260和390 mm預留熱電偶可以實現(xiàn)對不同位置玻璃纖維棉內(nèi)部溫度的實時讀取.在A、B和C點監(jiān)測到的溫度T0隨時間t0實時變化情況如圖7，可見：A點位置點火后16 s達到最高溫度2370 ℃，B點位置點火后16 s達到最高溫度1850 ℃，C點位置點火后17 s達到最高溫度820 ℃，說明距離點火源越近，監(jiān)測點的溫度整體越高.另外，3個監(jiān)測點點火后出現(xiàn)最高溫度的時間大于點火時間15 s，這是由于火焰將玻璃纖維棉燃燒后繼續(xù)沿Y軸正向傳播，當停止點火后，3個監(jiān)測點溫度在達到局部峰值后均呈迅速下降趨勢，說明火焰燃燒劇烈程度也明顯減小.

圖6 火焰蔓延情況（T=820 ℃）Fig.6 Flame propagation condition（T=820 ℃）

圖7 溫度變化曲線Fig.7 Curves of temperature change

3.2 不同超細玻璃纖維棉厚度下火焰蔓延特性分析

在上文基礎(chǔ)上，進一步探究玻璃纖維棉厚度對火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離的影響作用.由上文可知，輻射板溫度為700 ℃、樣品厚度24 mm、點火時間15 s時，火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離為280 mm.在此基礎(chǔ)上，再依次制取樣品厚度12、18、30、36、42和48 mm的玻璃纖維棉進行測試，得到火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離l與玻璃纖維棉厚度d的關(guān)系如圖8.分析可知：根據(jù)l與d在二維平面上構(gòu)成的7個散點，擬合得到兩者之間的一元二次曲線為l=-0.0843d2+2.0535d+279.2857，判定系數(shù)R2達到0.988，說明擬合效果良好.該擬合曲線僅是為了從二維平面角度定量分析兩者關(guān)系，并不代表等號兩端量綱一致，因此在根據(jù)d值計算l值時，不考慮量綱問題，僅在最終分析結(jié)果時考慮量綱.

圖8 l隨d變化關(guān)系Fig.8 Relationship between l and d

由圖8進一步分析可知：當d為12 mm時，l為295 mm，隨d在12～48 mm范圍內(nèi)不斷增大，l值不斷減小至180 mm，說明玻璃纖維棉厚度越大，在同等條件下，火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離就越小，說明增大玻璃纖維棉厚度可有效阻止火焰的蔓延與擴散.從燃燒機理角度分析：玻璃纖維棉的厚度越大，一方面隔音效果更好，另一方面在受到同樣火焰溫度作為點火源的條件下，在燃燒局部空間里，有更多的熱量沿著玻璃纖維棉內(nèi)部厚度的方向進行傳播和蔓延，一定程度上是對熱量的耗散，因此就降低了火焰熱量沿Y軸正向的傳播速度和蔓延距離，所以l值會隨之變小.這一結(jié)果對探討飛機上隔熱隔音材料的使用厚度具有重要意義.

4 結(jié)論

（1）增大點火時間t對火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離l具有明顯促進作用.t從15增至85 s過程中，火焰蔓延速率先減小、后增大、再減小，第一次減小是因為玻璃纖維棉內(nèi)部氧氣被快速消耗，隨后增大是因為外部氧氣通過試樣切口得到補充，第二次減小是由于局部氧氣被第二次大量消耗.

（2）增大輻射板溫度T對火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離l具有顯著促進作用.隨T在700～820 ℃內(nèi)不斷增大，l增長速率在不斷減小，這主要是由于輻射板傳遞熱量的本質(zhì)是熱輻射，熱輻射僅是由于輻射熱板具有溫度而輻射電磁波，因此T的增加對l增大作用呈現(xiàn)遞減趨勢.

（3）增大玻璃纖維棉厚度可有效阻止火焰蔓延與擴散.從燃燒機理角度分析認為，玻璃纖維棉厚度越大，在燃燒局部空間里有更多熱量沿玻璃纖維棉內(nèi)部厚度方向進行傳播和蔓延，因此降低了火焰熱量沿Y軸正向的傳播速度和蔓延距離.