關于碳纖維環氧復合材料火災危險綜合評價與分析

吉林石化公司碳纖維廠 吉林 吉林 132022

1 引言

航空設備對材料的性能要求較高。碳纖維環氧復合材料具有很好的剛度和硬度，因此在航空設備中應用越來越普遍。但是碳纖維環氧復合材料在超過一定溫度后內部樹脂基體會受熱分解，導致材料機械性能弱化。實際應用中容易引發火災事故。為此，本文對碳纖維環氧復合材料進行了火災危險評價分析，旨在不斷提升碳纖維環氧復合材料性能。

2 試驗材料及方法

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

主要試驗儀器:錐形量熱儀

試驗方法:利用錐形量熱儀對材料樣品進行測試，包括材料點燃時間、材料熱量釋放速度、材料生煙速度。試驗過程中設定熱輻射強度相同，均為35kw/m2。

火災危險性評價指數主要包括以下幾個:

(1)毒性氣體產生速率指數T毒(kg/s)，計算公式如下:

T毒=lg(C×M×103)

公式中，C代表一氧化碳生產率；M代表質量損失速率。當T毒值越高，材料燃燒毒性氣體在單位時間內產生量越多。

(2)火勢燃燒指數F火(kW/m2·s)，計算公式如下:

F火=P峰/t

公式中，P峰代表熱釋放速率峰值，t代表峰值出現的時間。當F火值越高，說明材料越容易著火，并產生熱量。

(3)發煙指數T發(m2/s)，計算公式如下:

T發=lg(S×M×24)

公式中，S代表比消光面積；M代表質量損失速率。當T發值越高，材料燃燒產生的煙量在單位時間內越多。

(4)放熱指數T放(MJ/m2)，計算公式如下:

T放=lg(H×0.24)

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

3 結果

(1)不同材料樣品的燃燒性能的測試結果如下:

單向碳纖維環氧復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；質量損失速率為0.031g/s，比消光面積為895.58m2/kg。

雙向碳纖維環氧復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；質量損失速率為0.066g/s；比消光面積為893.97 m2/kg。

由上述數據可知，夾芯材料的質量損失速率比單向和雙向碳纖維環氧復合材料的質量損失速率更少，熱量釋放速度峰值出現時間更早。

(2)碳纖維環氧復合材料的火災危險分析。根據四項指數來建立碳纖維環氧復合材料火災危險評價體系。材料火災危險如圖1所示。

根據四項指標計算公式得到復合材料的火災危險指數如表2所示。

表2 復合材料火災危險指數

根據表1，單向、雙向碳纖維環氧復合材料的四項火災危險指數沒有明顯差異，而夾芯材料的四項火災危險指數中，有三項指數T毒、T發、T放比單向和雙向碳纖維環氧復合材料的對應數值更小，而F火指數比單向和雙向碳纖維環氧復合材料的對應指數更大。表明夾芯材料比另外兩種材料更容易著火燃燒，更容易產生大量的熱。同時也說明F火指數比其他三項指數更容易辨識碳纖維環氧復合材料火災危險性。

4 結語

通過對單向碳纖維環氧復合材料、雙向碳纖維環氧復合材料、以及外邊為雙向碳纖維環氧復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氧復合材料樣品進行試驗，得到材料的火災危險指數。結果表明，單向碳纖維環氧復合材料和雙向碳纖維環氧復合材料的火災危險綜合指數接近，差異較小，推測不同織造方式對材料火災危險性影響較小。夾芯材料與其他兩種火災危險指數出現較大差異，說明材料制備方式對材料火災危險性影響較大。這一試驗結果可為碳纖維環氧復合材料的阻燃性能優化提供參考。