關(guān)于碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料火災(zāi)危險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)與分析

吉林石化公司碳纖維廠 吉林 吉林 132022

1 引言

航空設(shè)備對(duì)材料的性能要求較高。碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料具有很好的剛度和硬度，因此在航空設(shè)備中應(yīng)用越來越普遍。但是碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料在超過一定溫度后內(nèi)部樹脂基體會(huì)受熱分解，導(dǎo)致材料機(jī)械性能弱化。實(shí)際應(yīng)用中容易引發(fā)火災(zāi)事故。為此，本文對(duì)碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料進(jìn)行了火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析，旨在不斷提升碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料性能。

2 試驗(yàn)材料及方法

材料樣品:單向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料、雙向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料、外邊為雙向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料里邊為泡沫材料制成的夾芯材料。三種材料的環(huán)氧體系相同，且制備過程中均沒有經(jīng)過阻燃處理。

主要試驗(yàn)儀器:錐形量熱儀

試驗(yàn)方法:利用錐形量熱儀對(duì)材料樣品進(jìn)行測(cè)試，包括材料點(diǎn)燃時(shí)間、材料熱量釋放速度、材料生煙速度。試驗(yàn)過程中設(shè)定熱輻射強(qiáng)度相同，均為35kw/m2。

火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指數(shù)主要包括以下幾個(gè):

(1)毒性氣體產(chǎn)生速率指數(shù)T毒(kg/s)，計(jì)算公式如下:

T毒=lg(C×M×103)

公式中，C代表一氧化碳生產(chǎn)率；M代表質(zhì)量損失速率。當(dāng)T毒值越高，材料燃燒毒性氣體在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生量越多。

(2)火勢(shì)燃燒指數(shù)F火(kW/m2·s)，計(jì)算公式如下:

F火=P峰/t

公式中，P峰代表熱釋放速率峰值，t代表峰值出現(xiàn)的時(shí)間。當(dāng)F火值越高，說明材料越容易著火，并產(chǎn)生熱量。

(3)發(fā)煙指數(shù)T發(fā)(m2/s)，計(jì)算公式如下:

T發(fā)=lg(S×M×24)

公式中，S代表比消光面積；M代表質(zhì)量損失速率。當(dāng)T發(fā)值越高，材料燃燒產(chǎn)生的煙量在單位時(shí)間內(nèi)越多。

(4)放熱指數(shù)T放(MJ/m2)，計(jì)算公式如下:

T放=lg(H×0.24)

公式中，H代表熱量釋放速率。當(dāng)T放值越高，說明材料燃燒放熱越多，火場(chǎng)區(qū)域溫度升高越快，熱損失越大。

3 結(jié)果

(1)不同材料樣品的燃燒性能的測(cè)試結(jié)果如下:

單向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的熱量釋放速率峰值為362.35kw/m2；一氧化碳生成率為0.063kg/240s·kg；質(zhì)量損失速率為0.031g/s，比消光面積為895.58m2/kg。

雙向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的熱量釋放速率峰值為357.85kw/m2；一氧化碳生成率為0.064kg/240s·kg；質(zhì)量損失速率為0.064g/s；比消光面積為893.28m2/kg。

夾芯材料的熱量釋放速率峰值為273.73kw/m2；一氧化碳生成率為0.066kg/240s·kg；質(zhì)量損失速率為0.066g/s；比消光面積為893.97 m2/kg。

由上述數(shù)據(jù)可知，夾芯材料的質(zhì)量損失速率比單向和雙向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的質(zhì)量損失速率更少，熱量釋放速度峰值出現(xiàn)時(shí)間更早。

(2)碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的火災(zāi)危險(xiǎn)分析。根據(jù)四項(xiàng)指數(shù)來建立碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。材料火災(zāi)危險(xiǎn)如圖1所示。

根據(jù)四項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算公式得到復(fù)合材料的火災(zāi)危險(xiǎn)指數(shù)如表2所示。

表2 復(fù)合材料火災(zāi)危險(xiǎn)指數(shù)

根據(jù)表1，單向、雙向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的四項(xiàng)火災(zāi)危險(xiǎn)指數(shù)沒有明顯差異，而夾芯材料的四項(xiàng)火災(zāi)危險(xiǎn)指數(shù)中，有三項(xiàng)指數(shù)T毒、T發(fā)、T放比單向和雙向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的對(duì)應(yīng)數(shù)值更小，而F火指數(shù)比單向和雙向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的對(duì)應(yīng)指數(shù)更大。表明夾芯材料比另外兩種材料更容易著火燃燒，更容易產(chǎn)生大量的熱。同時(shí)也說明F火指數(shù)比其他三項(xiàng)指數(shù)更容易辨識(shí)碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料火災(zāi)危險(xiǎn)性。

4 結(jié)語

通過對(duì)單向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料、雙向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料、以及外邊為雙向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料里邊為泡沫材料制成的夾芯材料三種類型的碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料樣品進(jìn)行試驗(yàn)，得到材料的火災(zāi)危險(xiǎn)指數(shù)。結(jié)果表明，單向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料和雙向碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的火災(zāi)危險(xiǎn)綜合指數(shù)接近，差異較小，推測(cè)不同織造方式對(duì)材料火災(zāi)危險(xiǎn)性影響較小。夾芯材料與其他兩種火災(zāi)危險(xiǎn)指數(shù)出現(xiàn)較大差異，說明材料制備方式對(duì)材料火災(zāi)危險(xiǎn)性影響較大。這一試驗(yàn)結(jié)果可為碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的阻燃性能優(yōu)化提供參考。