濕熱老化對航空電線電纜防火性能的影響研究

張思宇，王 志，曲 芳

（沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136）

飛機中一般鋪設的航空線纜達數百米，這是保證飛機內部的電能傳輸和信號控制的關鍵。相比于其他故障類型，航空電線電纜的老化是長期、復雜、連續的特殊狀態，老化是大多數材料不可避免的過程[1]。在老化種類中，濕熱老化是最基本的一種老化方式，也是易造成嚴重危害的老化形式。

然而，專門針對老化航空電線電纜的火災危險性的實驗及分析相對較少，可參照的實驗數據不足。因此，本文研究濕熱老化對航空線纜的防火性能評估實驗是非常有意義的，很大程度上可以保證飛機正常運行和飛行安全。

國內對阻燃防火線纜的研究多集中在國內外公開標準的比對、具體試驗方法的研究、飛機使用材料整體的適航符合性探討，也給出了當前線纜環保的發展趨勢，但對飛機上選用何種線纜能滿足適航規章的要求，以及滿足適航要求的試驗方法的選用很少有系統性的研究。

國外發達國家對線纜標準有著更嚴格的要求，主要有歐盟標準、美國標準和IEC 標準，在日漸完善的電纜標準和環保規范被推出過程中，復合材料和新型材料的安全性也越來越高，特別是在電線電纜行業，低煙無鹵阻燃性的電線電纜已經是主流，以往傳統的電纜材料正面臨著前所未有的挑戰[2]。因此各國的電線電纜材料及其相配合的產品的安全性和環保性也正在趨于更高的水平，新的復合材料新的技術涌現在市場上，以滿足未來的新的發展需要。

由于含氟聚合物材料的應用日益廣泛，人們對該材料的性能測試及老化問題的研究更加重視，相關方面的研究工作也在不斷完善和發展中[3]。

1 實驗部分

1.1 主要原料和設備

實驗主要原料如下：聚全氟乙丙烯航空線纜（AFSXE150-250V，安徽安盛特種電纜有限公司）、熱重-差熱同步分析儀（DTG-60（AH），日本島津公司）、電子天平（FA2204B，上海佑科儀器有限公司）。

實驗主要設備如下：溫濕度鹽霧淋雨綜合箱，由上海品頓實驗設備有限公司生產；FTT 標準型錐形量熱儀（CONE Calorimeter，美國建筑與火災研究所）。

1.2 實驗方法

依據GJB 17.15—1984《航空電線電纜試驗方法—耐潮試驗》標準，利用溫濕度鹽霧淋雨綜合箱對樣品進行為期15 d 的人工加速濕熱老化處理[4]。

將2 種材質的電纜截斷成長10 cm 的長度大小各10 組，其中將各材質電纜中的5 組進行老化試驗，另外5 組留作常規對比，總計20 組。

將試樣放入實驗箱內的網板上，仔細關好試驗箱。給蒸汽發生器注入足夠的蒸餾水或無礦物水。

在2 h 內將溫度升至70 ℃，相對濕度達到95%，在此溫度和濕度條件下保持6 h，切斷電源，在之后的16 h 內箱內溫度應降至38 ℃以下。完成這一實驗過程稱作一個實驗循環。實驗循環應重復進行15 次，即總實驗時間為360 h。

2 性能測定

2.1 熱解特性測定

稱取3～5 mg 樣品，將DTG-60（AH）型熱重-差熱同步分析儀升溫至800 ℃，分別以30 ℃/min 和50 ℃/min 的升溫速率進行實驗，環境氣氛為氮氣，氣體流速為50 mL/min[5]。實驗結束后將所獲得的數據通過Origin 軟件進行繪圖，得到能夠表征材料熱穩定性的圖像曲線。得到2 種形態樣品質量隨溫度變化的TG曲線及失重速率DTG 曲線。

2.2 燃燒特性測定

實驗材料按照ISO5660-1—2002 國際標準化組織標準，將100 mm 的電纜鋪設滿100 mm×100 mm 的實驗鐵盒，如圖1 所示。設置熱輻射強度為70 kW/m2，研究老化前后FEP 航空電線電纜在結構完整的情況下的燃燒性能變化[6]。

圖1 電線電纜鋪滿錐形量熱儀的實驗鐵盒

3 實驗結果

3.1 熱解特性

30 ℃/min 升溫速率FEP 老化前后TG 曲線、DTG曲線對比如圖2、圖3 所示。50 ℃/min 升溫速率FEP老化前后TG 曲線、DTG 曲線對比如圖4、圖5 所示。

圖2 30 ℃/min 升溫速率FEP 老化前后TG 曲線對比圖

圖3 30 ℃/min 升溫速率FEP 老化前后DTG 曲線對比圖

圖4 50 ℃/min 升溫速率FEP 老化前后TG 曲線對比圖

圖5 50 ℃/min 升溫速率FEP 老化前后DTG 曲線對比圖

由TG 曲線可知，隨著試驗的進行，溫度不斷升高，試樣的質量逐漸下降，到達一定溫度，質量急劇下降，在實驗溫度達到設定的最高溫度前，已經發生降解現象。試驗結束后，質量損失接近100%[7]，幾乎沒有殘留。在30 ℃/min 升溫速率下，經過濕熱老化處理材料的熱解溫度和未處理的材料熱解溫度分別為441 ℃、478 ℃；在50 ℃/min 升溫速率下，濕熱老化處理過的材料的熱解溫度和未處理的材料的熱解溫度分別為450 ℃、483 ℃。熱解的起始溫度降低37 ℃、33 ℃，說明濕熱老化使FEP 材質航空線纜防火性能有所下降。

由DTG 曲線可知，實驗進行過程中，隨著溫度的升高，會出現質量急劇下降的階段，曲線中出現了2個波谷，存在2 個波峰，即發生過2 次失重現象，在這2 個階段中，2 種速率下的峰值點均向左有輕微偏移，即發生失重現象的質量變化速率最快的溫度變小了[8]。這說明濕熱老化使樣品發生熱解速度最快的溫度降低，濕熱老化對航空線纜防火性能存在負面影響。

3.2 燃燒特性

老化前后FPE 航空線纜的熱釋放速率曲線如圖6所示。從圖中可以看出，濕熱老化后的FEP 航空線纜的最大熱釋放速率為233 kW/m2，未處理的航空線纜的最大熱釋放速率為191 kW/m2，相比之下，濕熱老化之后的最大熱釋放速率提高了42 kW/m2，但二者出現最大熱釋放速率的時間基本沒有改變。說明FEP 在實際火災中的熱量釋放更多，危害更大，且FEP 濕熱老化前后的最大熱釋放速率差值較大，說明FEP 的耐受性差[9]。從燃燒時間上看，老化前的整個燃燒過程時間為148 s，老化后的燃燒時間為144 s，說明15 d 的濕熱老化對燃燒時間影響并不明顯，基本維持相同的燃燒時長[10]。

圖6 老化前后FEP 航空線纜的熱釋放速率曲線

從熱釋放速率曲線來看，理論上可以證實濕熱老化對航空含氟聚合物電線電纜的防火性能并無顯著的影響，表現出含氟聚合物優異的熱性能。但一定程度上濕熱老化也確實加快了實際火災中線纜燃燒的速度，且因為老化后的熱釋放速率增大，也說明濕熱老化后的線纜火災的熱釋放量越大火災的危害性越大。

4 結論

經過15 d 人工加速濕熱老化的聚全氟乙丙烯（FEP）航空電線電纜（型號AFSXF150-250V），其熱解溫度提前10～35 ℃，熱解溫度隨著升溫速率的升高而不斷提高。老化前航空線纜失重現象隨著升溫速率的升高變得不明顯，但老化后樣品的失重現象仍然明顯。FEP航空線纜濕熱老化后熱釋放速率變大。

綜上所述，經過15 d 人工加速濕熱老化的聚全氟乙丙烯（FEP）航空電線電纜（型號AFSXF150～250 V），火災危險性增強，防火性能有所下降。