基于層次分析法的軌道車輛車體用碳纖維復(fù)合材料火災(zāi)危險性綜合評價

倪延強，于全蕾，趙震，李旭光，黃國斌

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

隨著軌道交通的快速發(fā)展，對軌道車輛輕量化的需求也越來越高[1-2]。碳纖維復(fù)合材料作為一種高性能輕量化復(fù)合材料，在軌道車輛上得到一定的研究和應(yīng)用[3]。但就目前的應(yīng)用寬度和廣度而言，其仍然受到了很大的限制。這主要是受限于碳纖維復(fù)合材料的工藝成本較高、生產(chǎn)效率較低等問題，除此之外，其防火阻燃性能也是一個重要的考察因素。與傳統(tǒng)的車體金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料自身具有可燃性，一旦起火，火勢會迅速擴大，同時釋放大量的熱，產(chǎn)生有毒煙氣，對人員生命和財產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，火災(zāi)危險性較大[4]。

目前的研究報道對碳纖維復(fù)合材料的火災(zāi)危險性研究不多，主要集中于航空航天領(lǐng)域，在軌道交通領(lǐng)域未見報道。陳松華等[5]選取3 種典型通用航空碳纖維復(fù)合材料，通過錐形量熱儀測試得到的熱釋放速率、質(zhì)量損失速率等火反應(yīng)特性參數(shù)，運用層次分析法建立了火災(zāi)危險性綜合評價模型，得出泡沫夾芯復(fù)合材料的火災(zāi)危險性最高。李祿超等[6]建立了包含4 個火災(zāi)危險性評價指數(shù)的火災(zāi)評價體系，以層次分析法為基礎(chǔ)，結(jié)合錐形量熱儀試驗數(shù)據(jù)對3種碳纖維復(fù)合材料的火災(zāi)危險性進行了綜合評價。上述研究采用層次分析法進行火災(zāi)危險性的分析，層次分析法是一種有效的將定性與定量分析結(jié)合起來的多準(zhǔn)則決策方法[7-9]，對于在實際火災(zāi)過程中的煙、熱、毒耦合相互作用的復(fù)雜危險情況比較適用。舒中俊等[10]選取錐形量熱儀實驗數(shù)據(jù)，運用層次分析法確定了4個方面權(quán)重指標(biāo)，對16種商用塑料的火災(zāi)危險性進行了評價和分析。馮俊峰等[11]運用層次分析法，建立了以火勢增長指數(shù)、放熱指數(shù)、發(fā)煙指數(shù)、毒性氣體生成速率指數(shù)以及火焰蔓延指數(shù)為因素的鋪地材料火災(zāi)危險性綜合評價模型，對幾種典型的鋪地材料進行了火災(zāi)危險性綜合評價。劉晨等[12]以靜態(tài)管式爐、穩(wěn)態(tài)管式爐和錐形量熱儀中的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進一步細分了火災(zāi)煙氣中不同毒性氣體對于火災(zāi)風(fēng)險的影響，并運用層次分析法綜合評價了熱塑性聚氨酯及其復(fù)合材料的火災(zāi)危險性。

大多數(shù)關(guān)于材料基于層次分析法的火災(zāi)危險性的研究報道，主要依據(jù)錐形量熱儀的各種實驗數(shù)據(jù)，然后加權(quán)計算特定指標(biāo)得到。近期的研究報道逐漸開始通過引入多種測試表征手段[11-12]，增加其他權(quán)重指標(biāo)，從而使得火災(zāi)危險性分析的全面性得以加強。采用多種綜合考量與測試表征相結(jié)合的方式，對材料的燃燒行為和火災(zāi)危險性進行全面的綜合評價，是一種發(fā)展趨勢。

對軌道車輛來說，EN 45545-2-2020 作為指導(dǎo)鐵路車輛制造的一項重要防火通用標(biāo)準(zhǔn)[13]，涵蓋材料防火測試的多種試驗方法，主要包括煙室法測定煙密度、錐形量熱儀法測定熱釋放速率、火焰橫向蔓延法測試火焰蔓延性、煙室法和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)法測定毒性氣體等，其中毒性氣體的測定范圍較廣，包含燃燒產(chǎn)生煙霧中的CO，CO2，NOx(NO，NO2)，HCN，HF，HCl，HBr，SO2共計8種有毒氣體?；馂?zāi)危險性分析是一個復(fù)雜多因素耦合相互作用的過程，單一測試方法大多只能反映出材料的某一種火災(zāi)特性，不能較好反映材料真實的火災(zāi)情況，引入多種測試方法可以提高火災(zāi)危險性評價的全面性和準(zhǔn)確性。EN 45545-2-2020標(biāo)準(zhǔn)中提到的多種測試方法在材料燃燒特性以及火災(zāi)危險性評價方面研究報道很少，考慮到其與實際車輛材料選型息息相關(guān)，可為軌道車輛火災(zāi)危險性綜合評價提供新思路。

以輕量化軌道車輛為研究對象，選取4 種典型結(jié)構(gòu)的車體用碳纖維復(fù)合材料，結(jié)合EN 45545-2-2020標(biāo)準(zhǔn)，避免單一測試方法的局限性，通過引入4種測試方法，依據(jù)其在傅里葉變換紅外煙氣毒性測試系統(tǒng)、NBS 煙密度箱、火焰蔓延測試儀和錐形量熱儀中的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，以毒性指數(shù)作為毒性危險指標(biāo)，以煙密度峰值作為煙氣危險指標(biāo)，以火焰蔓延最遠距離作為火焰蔓延危險指標(biāo)，以平均熱釋放速率峰值和熱釋放總量作為放熱危險指標(biāo)，運用層次分析法建立碳纖維復(fù)合材料的火災(zāi)危險性綜合評價模型，通過計算各指標(biāo)權(quán)重，對其火災(zāi)危險性進行綜合評價。

1 試驗部分

1.1 主要原材料

層壓板結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料(CFRP-層壓板)：由聚丙烯腈(PAN)基碳纖維和環(huán)氧樹脂組成的T700環(huán)氧織物預(yù)浸料，鋪貼后經(jīng)熱壓罐固化成型工藝得到，厚度為4.0 mm。

聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫夾層結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料(CFRP-PMI 夾層)：“三明治”夾層結(jié)構(gòu)，上下面板為T700環(huán)氧織物預(yù)浸料組成的層壓板結(jié)構(gòu)，中間夾層結(jié)構(gòu)為PMI-C75 泡沫，總厚度分別為50 mm和25 mm，其中上下面板厚度各為2.0 mm。

聚對苯二甲酸乙二酯(PET)泡沫夾層結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料(CFRP-PET 夾層)：“三明治”夾層結(jié)構(gòu)，其中上下面板為T700 環(huán)氧織物預(yù)浸料組成的層壓板結(jié)構(gòu)，中間夾層結(jié)構(gòu)為PET-C100 泡沫，總厚度分別為50 mm 和25 mm，其中上下面板厚度各為2.0 mm。

多腔結(jié)構(gòu)型材碳纖維復(fù)合材料(CFRP-多腔)：拉擠型材結(jié)構(gòu)，采用環(huán)氧樹脂T700碳纖維布拉擠固化成型得到，其中板材厚度為2.0 mm，總厚度分別為50 mm和25 mm。

4種結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料試樣均與實際裝車產(chǎn)品材料成分及結(jié)構(gòu)組成一致，試樣厚度符合EN 45545-2-2020中各方法的要求。

1.2 主要儀器及設(shè)備

火焰蔓延測試儀：SFT型，昆山莫帝斯科燃燒技術(shù)儀器有限公司；

NBS 煙密度試驗箱：FTT0064 型，英國FTT 公司；

錐形量熱儀：FTT0242型，英國FTT公司；

傅里葉變換紅外煙氣毒性測試系統(tǒng)：ACF5000型，瑞典ABB公司。

1.3 測試與表征

(1)火焰蔓延試驗。

按照ISO 5658-2-2006 進行測試，試樣尺寸為800 mm×155 mm×相應(yīng)厚度，取3 次測試的算術(shù)平均值記錄結(jié)果。

(2)煙密度試驗。

按照ISO 5659-2-2017 進行測試，試樣尺寸為75 mm×75 mm×相應(yīng)厚度，熱輻射通量為50 kW/m2，在無引燃條件下持續(xù)10 min，取3 次測試的算術(shù)平均值記錄結(jié)果。

(3)毒性氣體試驗。

按照ISO 5659-2-2017 和EN 17084-2018 進行測試，試樣尺寸同煙密度試驗，熱輻射通量為50 kW/m2，在無引燃條件下持續(xù)10 min，取3 次測試的算術(shù)平均值記錄結(jié)果。

(4)熱釋放速率試驗。

按照ISO 5660-1-2015 進行測試，試樣尺寸為100 mm×100 mm×相應(yīng)厚度，熱輻射通量為50 kW/m2，測試持續(xù)20 min，取3次測試的算術(shù)平均值記錄結(jié)果。

1.4 試驗結(jié)果

(1)火焰蔓延試驗結(jié)果。

在引燃條件下，通過火焰在試樣垂直表面的橫向蔓延燃燒行為，測試得到平均持續(xù)燃燒熱(Qsb)、火焰蔓延最遠距離(L)、火焰臨界熄滅熱通量(CFE)等火焰蔓延性能，通?；鹧媛幼钸h距離越大，CFE值越低，則說明火焰燃燒傳播越容易。4 種試樣的測試結(jié)果見表1。由表1可知，CFRP-PMI夾層的火焰蔓延距離最短，CFE 值最大，表明其火焰蔓延性能最優(yōu)；而CFRP-多腔的火焰蔓延距離最長，可達462 mm，表明一旦發(fā)生火災(zāi)，其會迅速燃燒，并擴大火焰蔓延范圍，存在較大的火災(zāi)風(fēng)險。

表1 火焰蔓延試驗結(jié)果

(2)煙密度試驗結(jié)果。

煙密度峰值(Dsmax)為在10 min 測試時間內(nèi)煙密度箱內(nèi)的最大煙霧比光密度，反映可燃物燃燒時的煙氣濃度，4種試樣的測試結(jié)果見表2。由表2可知，CFRP-層壓板的Dsmax最小，表明其煙密度性能最優(yōu)。

表2 煙密度試驗結(jié)果

(3)毒性氣體試驗結(jié)果。

通過FTIR 儀分析測定試樣燃燒產(chǎn)生煙霧中的CO，CO2，NOx(NO，NO2)，HCN，HF，HCl，HBr，SO2共計8 種有毒氣體的含量，以美國職業(yè)安全與健康研究所的IDLH 值為基準(zhǔn)濃度，根據(jù)定義的固定火災(zāi)模型，以有毒氣體的實測濃度與基準(zhǔn)濃度之間的比值計算得到毒性指數(shù)(X)，計算公式如式(1)所示。

式中：ci—煙室內(nèi)第i種氣體的濃度，mg/m3；

Ci—第i種氣體的基準(zhǔn)濃度，mg/m3。

4 種試樣的X 測試結(jié)果列于表3，由表3 可知，CFRP-層壓板的X 最小，表明其毒性性能最優(yōu)。此外，四者在4 min 和8 min 時的X 差別不大，說明在產(chǎn)煙過程中毒性氣體成分一直在持續(xù)釋放。

表3 毒性氣體試驗結(jié)果

(4)熱釋放速率試驗結(jié)果。

熱釋放速率是評價材料燃燒性能的重要參數(shù)之一[14]，采用錐形量熱儀進行熱釋放速率的測試，主要的測試參數(shù)有平均熱釋放速率峰值(MARHE)、熱釋放速率峰值(pHRR)、熱釋放總量(THR)、點燃時間(ti)等，MARHE 和THR 數(shù)值越大，說明其燃燒放熱越多，4種試樣的具體測試結(jié)果見表4。

表4 熱釋放速率試驗結(jié)果

2 火災(zāi)危險性綜合評價

2.1 層次結(jié)構(gòu)模型建立

層次分析法作為一種多目標(biāo)分析方法，其原理是將經(jīng)驗判斷和數(shù)字分析有機結(jié)合起來，按照不同屬性和規(guī)律依次羅列相關(guān)因素，通過確定各因素的重要性，進而對多因素整體進行綜合評價[15]。層次分析法一般可分為三個步驟：首先，根據(jù)因素間的相互關(guān)系，將因素按照不同層次聚集組合，建立一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型；其次，根據(jù)經(jīng)驗和主觀判斷，就每一層次因素的相對重要性進行量化分析；最后，利用數(shù)學(xué)方法構(gòu)造判斷矩陣和求解矩陣，并進行一致性檢驗，若不滿足一致性條件，則修改判斷矩陣，直至滿足為止。

筆者將碳纖維復(fù)合材料的火災(zāi)危險性作為目標(biāo)層，將毒性危險、煙氣危險、火焰蔓延危險以及放熱危險共4 方面作為基準(zhǔn)層，以毒性指數(shù)作為毒性危險指標(biāo)，以煙密度峰值作為煙氣危險指標(biāo)，以火焰蔓延最遠距離作為火焰蔓延危險指標(biāo)，以MARHE 和THR 作為放熱危險指標(biāo)，建立的火災(zāi)危險層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 碳纖維復(fù)合材料火災(zāi)危險性層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 層次分析法計算

(1)構(gòu)建判斷矩陣。

據(jù)統(tǒng)計表明，火災(zāi)中70%～75%的死亡是由有毒氣體及煙塵吸入導(dǎo)致的[16]。軌道車輛的封閉性較高，一旦起火，車體結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾結(jié)構(gòu)中的可燃物被引燃后，大量有毒氣體會迅速釋放出來，人員吸入后，或因中毒很快身亡，或因窒息很快身亡，因此毒性危險和煙氣危險在火災(zāi)危險性評價中具有相當(dāng)高的重要度。同時，軌道車輛車體較長，材料一旦燃燒起火，就會在整個表面迅速蔓延，進而在短時間內(nèi)發(fā)展為全面火災(zāi)，因此火焰蔓延危險在火災(zāi)危險性評價中具有較高的重要度。此外，材料在燃燒過程中也會釋放出大量的熱，對人員安全也有很大影響，因此放熱危險在火災(zāi)危險性評價中具有一定的重要度，放熱危險包括MARHE 和THR 兩個指標(biāo)，碳纖維復(fù)合材料的燃燒反應(yīng)，一般為持續(xù)性長時間燃燒，在狹小空間內(nèi)瞬時地MARHE 對人體危害性更大，因此MARHE 相對于THR 的重要度更大?；谏鲜鲕壍儡囕v的結(jié)構(gòu)和運行特點，并結(jié)合典型的火災(zāi)事故危險結(jié)果分析[17]，一般可定性認為煙氣毒性危險性＞生煙危險性＞火蔓延危險性＞放熱危險性。

采用1～9 標(biāo)度法(見表5[18])，得到各評價指數(shù)之間的相對重要度標(biāo)度值，列于表6。由表6可以得出碳纖維復(fù)合材料火災(zāi)危險性評價的判斷矩陣A，如式(2)所示。

表6 判斷矩陣的相對標(biāo)度值

(2)求解特征向量和最大特征根。

各行元素幾何平均值bj的計算公式如式(3)所示。

對bj(i=1，2，…，n)進行歸一化，即求得最大特征值對應(yīng)的特征向量Wj，如式(4)所示。

帶入數(shù)據(jù)(n=5)進行計算得到式(5)、式(6)、式(7)：

求得判斷矩陣的最大特征根λmax如式(8)所示。

(3)判斷矩陣一致性檢驗。

式(9)為判斷矩陣一致性檢驗的計算公式，判定矩陣A 滿足一致性的條件為CR＜0.1，如果判定不一致，則需要重新對矩陣A進行調(diào)整。

RI 為隨機一致性指標(biāo)，可由1～9 階隨機平均一致性指數(shù)表查詢得到，當(dāng)n=5 時，RI=1.12。CI 為一致性檢驗指標(biāo)，計算公式見式(10)。

帶入數(shù)據(jù)進行計算可得：

由計算結(jié)果可知，矩陣A滿足一致性檢驗，則可以使用特征向量W作為火災(zāi)危險性評價的權(quán)重指標(biāo)，見表7。

表7 火災(zāi)危險性評價指標(biāo)權(quán)重值

2.3 綜合評價

對火災(zāi)危險性評價涉及到的各指標(biāo)試驗值進行匯總，列于表8。

表8 火災(zāi)危險性評價指標(biāo)試驗值

首先對表8 的試驗值進行歸一化處理，隨后將每個評價指標(biāo)歸一化后的數(shù)值與其對應(yīng)的總目標(biāo)權(quán)重值(見表7)乘積相加，便可以得到每種碳纖維復(fù)合材料的火災(zāi)危險性綜合指數(shù)，分值越高說明其火災(zāi)危險性越高，計算得到的火災(zāi)危險性綜合指數(shù)見表9。

表9 不同材料的火災(zāi)危險性綜合指數(shù)

由表9可知，4種結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料的火災(zāi)危險性綜合指數(shù)：CFRP-多腔＞CFRP-PMI 夾層＞CFRP-PET夾層＞CFRP-層壓板，CFRP-多腔結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危險性綜合指數(shù)最大，遠大于CFRP-層壓板結(jié)構(gòu)，兩種夾層結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料的火災(zāi)危險性綜合指數(shù)相差不大，CFRP-PMI 夾層結(jié)構(gòu)略大于CFRP-PET 夾層結(jié)構(gòu)。因此，火災(zāi)危險性從高到低依次為CFRP-多腔、CFRP-PMI 夾層、CFRP-PET 夾層、CFRP-層壓板。

3 結(jié)論

(1)依據(jù)EN 45545-2-2020 標(biāo)準(zhǔn)，通過引入4 種測試方法，建立了4 種火災(zāi)危險性指標(biāo)為毒性危險指標(biāo)、煙氣危險指標(biāo)、火焰蔓延危險指標(biāo)、放熱危險指標(biāo)。

(2)基于層次分析法，建立了火災(zāi)危險性綜合評價模型，對軌道車輛車體用碳纖維復(fù)合材料的潛在火災(zāi)危險性進行較為全面、合理的量化評價。

(3)基于火災(zāi)危險性綜合評價模型，計算得到4種典型結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料的火災(zāi)危險性綜合指數(shù)分別為：CFRP-多腔結(jié)構(gòu)為0.342，CFRP-PMI夾層結(jié)構(gòu)為0.312，CFRP-PET 夾層結(jié)構(gòu)為0.250，CFRP-層壓板結(jié)構(gòu)為0.169?；馂?zāi)危險性排序為：CFRP-多腔＞CFRP-PMI 夾層＞CFRP-PET 夾層＞CFRP-層壓板。