飛機油箱用典型復合材料熱傳導性能實驗研究

佀慶民，王　旭，王　志

（沈陽航空航天大學a.遼寧省通用航空重點實驗室；b.安全工程學院，沈陽　110136）

飛機油箱用典型復合材料熱傳導性能實驗研究

佀慶民a，b，王旭b，王志a，b

（沈陽航空航天大學a.遼寧省通用航空重點實驗室；b.安全工程學院，沈陽110136）

飛機油箱已開始探索使用先進復合材料，以T300 3K碳纖維環氧樹脂復合材料為研究對象，通過接觸式恒溫加熱實驗和熱導率測試實驗，對其導熱性能進行了研究。首先對厚度為2 mm、4 mm的T300 3K碳纖維環氧樹脂復合材料板分別進行150℃、200℃、250℃、300℃以及350℃的接觸式恒溫加熱實驗；然后在實驗條件下測得了T300 3K在不同溫度下的熱導率，并與5A02鋁合金材料在不同溫度下的熱導率進行了比較。研究結果表明：T300 3K的熱導率遠小于5A02鋁合金，其垂直于纖維方向的熱導率在10-2數量級，且隨著溫度的升高而變大；T300 3K作為飛機燃油箱壁板材料雖然隔熱性能強于5A02鋁合金，但易出現局部過熱的情況，造成材料板破壞，強度出現下降。

碳纖維復合材料；飛機燃油箱；熱傳導；熱導率；恒溫加熱；適航

heating；airworthiness

燃油箱不僅要承擔為飛機儲存所需燃油的功能，還要具備隔絕外界著火源，降低火災爆炸危險性的功能［1］。先進的復合材料正越來越多地用于民用飛機結構中［2-4］，為驗證復合材料是否滿足飛機油箱防火安全性的要求，必須對其導熱性能進行研究。依據CCAR25-R4要求，定性、定量或實驗測試證實復合材料油箱的耐溫性能和阻燃性能達到傳統的鋁鎂合金非加熱機翼油箱性能［5-7］。

本文主要研究飛機油箱用復合材料的導熱性能，通過實驗測試復合材料板材的導熱特性，并通過現有設備測出不同溫度下板材的熱導率，對復合材料和鋁鎂合金材料的傳熱特性進行定性和定量比較。

1　油箱用典型復材導熱性能實驗與分析

主要針對飛機燃油箱用復合材料在接觸火焰時的導熱規律進行研究，通過控制不同的加熱溫度對兩種典型厚度的復材進行加熱，通過合理設計溫度測試設備以及數據采集系統對材料板導熱情況進行研究與分析。

1.1所用實驗設備及實驗準備

1）復合材料板的選擇

樹脂基復合材料是技術比較成熟且應用最為廣泛的一類復合材料。軍用和民用中主要使用的是T300級和T700級小絲束碳纖維增強樹脂復合材料［2，6］。本次實驗采用的是T300 3K碳纖維環氧樹脂復合材料板，抗拉強度 3 530 MPa，彈性模量230 GPa，伸長率1.70%，纖維布排列屬于平紋［8］。

2）溫度采集設備

溫度采集設備采用K級愷裝DBK84熱電偶。數據采集系統采用美國IOTECH公司數據采集器Log Book/300和數據采集可視化界面軟件LogView。

3）熱源的選擇

采用恒溫加熱平臺，加熱平面規格為100 mm× 100 mm×20 mm，控制溫度范圍50℃～350℃，恒溫穩定誤差±1.5℃，如圖1所示。

圖1　恒溫加熱平臺Fig.1　Constant-temperature heating equipment

4）其他設備

采用鋁箔固定熱電偶，采用計時器記錄時間等以及熱電偶的引線（若干）、電源、計算機、鋁箔膠帶等。

5）實驗準備

連接熱電偶溫度與數據傳輸通道，將連好的熱電偶分別按通道標號調試溫度采集設備，測出實驗所用檔位對應加熱平面的實際溫度并記錄；在復合材料板上布置熱電偶使加熱臺處于材料板寬度的中間位置，如圖2所示。

圖2　熱電偶布置示意圖Fig.2　Thermocouple arrangement

1.2實驗過程

1）給平臺加熱通電，等待其達到設定溫度檔（設定溫度檔分別為100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃）。

2）按圖2在材料板上布置熱電偶。

3）使用Log Book，打開熱電偶測量的信息通道，進行溫度信息采集。同時將材料板按設定位置安放在加熱平臺上，使材料板與加熱板充分接觸。

4）根據板材測試穩定時間，穩定接觸加熱20 min后，關閉采集數據按鈕，同時取下材料板。

5）下載并輸出采集的溫度數據。

1.3實驗結果與分析

分別對2 mm、4 mm厚T300 3K復材進行導熱性能實驗，溫度采集數據如表1和表2所示。

表1　2 mm厚材料板加熱20 min平均溫度/最高溫度Tab.1　Average and highest temperature of 2 mm thick materials after heating for 20 min

從實驗數據可以看出2、3、4、7號熱電偶所測溫度有明顯的上升，經過一段時間后保持平穩。6、9、10、11號熱電偶由于距離加熱源較遠，溫度沒有明顯變化：當溫度檔位較低時，相應編號熱電偶所測得的最高溫度和平均溫度與環境溫度相當，但是隨著溫度檔位的升高，其溫度有所增加。

圖3為150℃、200℃、250℃溫度檔加熱臺正上方2 mm、4 mm厚板材上表面溫度變化曲線（即熱電偶2所測溫度變化）。可以看出2 mm厚板材明顯比4 mm厚板材溫度升高速率快，且達到的穩定溫度也明顯高于后者。說明厚度對復合材料板的傳熱性能影響很大，可能由于復合材料厚度方向導熱系數過低引起的。

表2　4 mm厚材料板加熱20 min平均溫度/最高溫度Tab.2　Average and highest temperature of 4 mm thick materials after heating for 20 min

圖3　相同溫度下不同厚度板材2號熱電偶溫度變化曲線Fig.3　Temperature variation curve of No.2 thermocouple of different thickness material under same temperature

表3為4和7，6和9，10和11 3組熱電偶上、下表面溫度差統計數據表。

從表3中可以看出同一溫度檔加熱同一厚度板時，在一定范圍內，隨著與熱源距離的增加材料板上、下表面溫差逐漸降低。對于相同厚度材料板，在與加熱源一定距離范圍內，溫差隨加熱溫度的提高而增加。在距熱源130 mm處，材料板溫度隨著溫度檔的提高沒有明顯變化，說明材料板的傳熱范圍小，即沿橫向傳熱能力不強。

圖4為150℃、200℃、250℃、300℃、350℃溫度檔加熱20 min，4 mm厚板加熱臺正上方，復合材料板上表面溫度變化曲線。從圖中可以看出，在一定范圍內，隨著溫度的升高，板材升溫速率和最終的穩定溫度都有所增加。其中250℃、300℃、350℃溫度檔（實際對應溫度為236.15℃、276.00℃、337.47℃）升溫階段有較大波動并且出現放緩的跡象，說明板材在升溫過程中導熱性能發生變化。

圖4　不同溫度檔加熱20 min 4 mm厚板2號熱電偶溫度曲線Fig.4　Temperature variation curve of No.2 thermocouple with 4 mm thick material after heating for 20 min in different temperatures

表3　復合材料板上、下表面溫度差統計數據Tab.3　Statistics of temperature contrast between upper and lower surfaces of VCM

考慮到碳纖維耐溫可達1 000℃，且此種復合材料耐受溫度為180℃～200℃（20 min），說明在這些溫度條件下作為基體的環氧樹脂達到玻璃化轉變溫度（Tg），使材料遭到破壞。通過實驗現象還可以看出：150℃、200℃溫度檔加熱時材料板從外形來看基本沒有變化；250℃、300℃、350℃溫度檔加熱時出現明顯破壞跡象，且隨著溫度的升高破壞程度加劇。

2　油箱用典型復材熱導率實驗與計算分析

根據相關研究，碳纖維縱向熱導率數值約為101～102W/（m·K），是橫向熱導率的10～102倍。樹脂的熱導率大約處于10-1～100數量級，隨溫度增加而上升。由于碳纖維復合材料工藝的影響，各種型號的碳纖維環氧樹脂組元的比例、組合鋪層方式也各有差異，使得熱導率計算有較大的誤差。在實際應用中，要獲得準確的數據還是需要采用實驗測量的方法［9-10］。

根據復合材料在溫度檔為200℃加熱條件下出現不明顯的破壞，在250℃加熱條件下出現明顯破壞的情況，以及熱導率隨溫度升高而升高的規律，設置溫度擋為60℃、80℃、100℃、150℃和200℃條件下進行熱導率的測量。測量前用熱電偶分別測出各檔位所對應的測量溫度以及銅片參數，如表4、表5所示。

表4　加熱板各檔位所對應溫度Tab.4　Different temperature levels

表5　銅片參數Tab.5　Copper parameters

實驗溫度記錄如表6所示，銅片升至234℃后在空氣中散熱曲線如圖5所示。

圖5　234℃銅片冷卻溫度變化曲線Fig.5　Temperature change curve of copper cooling from 234℃

從溫度采集設備所采集的銅片降溫數據中篩選出各組T2溫度（即銅片溫度達到穩態時的數值）在以T2為中點10℃范圍內每秒鐘對應的溫度，再利用數據處理軟件將篩選出的數據繪制散點圖并擬合成直線，所得直線的斜率即為各組T2所對應的銅片在空氣中的散熱速率n，具體數據如表6所示。80℃溫度擋對應銅片散熱速率擬合直線如圖6所示。

圖6　80℃溫度擋對應銅片散熱速率擬合直線Fig.6　Cooling rate fit line of copper at 80℃level

將散熱速率n和其他參數代入熱導率公式［11］，求出熱導率見表6。

表6　測量計算結果匯總Tab.6　Summary of measurement results

由于熱電偶測量溫度有一定的誤差，實際測量中ΔT越小誤差越大，為盡量避免誤差數據影響，在此設定ΔT＞5℃時為有效數據，故排除60℃組的測量數據。取T1、T2的平均值作為材料板的實際溫度，畫出實際溫度對應的熱導率曲線如圖7所示。

圖7　T300 3K復材5A02鋁鎂合金熱導率隨溫度變化曲線Fig.7　Thermal conductivity curve of T300 3K and 5A02 with changing temperature

3　T300 3K復材與5A02鋁合金導熱性能對比

鋁鎂合金和復合材料的傳熱特性迥異，5A02鋁合金在各個方向導熱性都很好，而T300 3K在X、Y方向熱導率較大，但具體數值仍然遠低于5A02鋁合金。并且實際使用的復合材料X、Y方向寬度遠大于Z向厚度，使得材料板中的熱量橫向擴散很少，主要通過其厚度方向來傳遞熱量。

對比5A02鋁鎂合金熱導率隨溫度變化曲線，如圖7所示［12］。T300 3K復材在厚度方向熱導率遠低于相同溫度下5A02鋁合金熱導率。因此，外界熱量通過T300 3K復材傳遞給油箱內部介質要比通過5A02鋁合金更難，即T300 3K復材對油箱外部熱量的阻礙作用強于5A02鋁合金。

但是由于T300 3K復材耐受溫度相對較低，且導熱性能較差，容易出現局部過熱的情況，復合材料經過長時間高溫烘烤、燒蝕或造成復合材料表面溫度達到Tg后，在飛機振動或晃動作用下，可能出現部分開裂、分層、脫膠、滲漏和變形等失效造成二次事故。這一問題的解決有待于對復材厚度、鋪層結構與載熱性能關系的進一步深入研究。

4　結語

燃油箱是飛機的核心部件，其安全性也一直受到各方的重視［13］。隨著復合材料在飛機結構上應用的普及，復材型燃油箱的安全性能正受到飛行管理、飛機設計以及相關研究工作者的重視。復材型燃油箱的耐溫性、阻燃性以及結構強度等特性，是否能夠超過傳統鋁（鎂）合金材質，且滿足飛機適航標準的要求，以保證飛行安全，是一個關鍵問題。

本文主要研究了飛機油箱用典型復合材料熱傳導性能，包括導熱性能實驗、熱導率實驗與計算以及與鋁合金導熱性能對比3個方面。總結如下：

1）采用恒溫加熱臺對T300 3K復材板下表面加熱時，加熱面正上方復材板上表面的升溫速率和達到的穩定溫度隨著加熱臺設定溫度的提高而變大；當溫度一定時，在一定范圍內隨著與受熱面距離的增加，材料板上、下表面溫差逐漸減小；材料板沿受熱面平行方向傳熱范圍小；4 mm厚的板材垂直于受熱面的方向導熱性能明顯不如2 mm厚的板材，說明沿厚度方向材料的導熱性能較差。

2）當溫度達到環氧樹脂基體玻璃化轉變溫度（Tg）后，板材的導熱性能出現較大波動，并且溫度越高波動越大；當溫度達到環氧樹脂基體玻璃化轉變溫度時，材料板靠近加熱面的地方開始遭到破壞。

3）實驗條件下測得T300 3K復材板垂直于纖維方向的熱導率在75.18℃～181.60℃的范圍內隨溫度的升高而變大，保持在10-2數量級，沿纖維方向的熱導率雖然大于垂直于纖維方向的熱導率，但仍然遠小于5A02鋁合金的熱導率；復合材料板對熱量的阻礙作用強于5A02鋁合金，但易造成局部過熱的情況出現，過熱導致問題的解決有待于對復材厚度、鋪層結構與載熱性能關系的進一步深入研究。

該實驗研究可以模擬飛機燃油箱外部元件故障發熱時，復合材料油箱壁板本身吸收熱量在壁板內部的熱傳導過程，可以為采用復合材料油箱的飛機進行適航性認證實驗提供方法參考。

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（責任編輯：劉智勇）

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基金項目：沈陽航空航天大學青年成長基金項目（201201Y）

佀慶民（1983—），男，遼寧沈陽人，講師，工學碩士，研究方向為適航安全性、系統安全理論與技術、風險評價.