劉天奇，王 寧，鄭秋雨，蔡之馨，段國升

沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，沈陽 110136

無論是民用客機(jī)還是軍用戰(zhàn)機(jī)，在駕駛艙、客艙等艙室附近區(qū)域會(huì)使用大量隔熱隔音材料，以保證艙室內(nèi)人員處于相對(duì)恒溫、低噪音的環(huán)境.隔熱隔音材料布置的地點(diǎn)屬于相對(duì)隱蔽區(qū)，附近會(huì)分布大量航空線纜[1]，無論是線纜著火引燃隔熱隔音材料，還是隔熱隔音材料著火引燃線纜，均具有嚴(yán)重墜機(jī)風(fēng)險(xiǎn).比如，在1988-09-02，瑞士航空MD-11客機(jī)在巡航狀態(tài)下，由于電線短路引燃隔熱層，造成電氣控制系統(tǒng)失靈，使機(jī)組乘客299人全部遇難.由此可見，雖然飛機(jī)隔熱隔音材料既是阻燃材料，同時(shí)也是不燃材料，但并不代表此類隔熱隔音材料在任何條件下都不會(huì)發(fā)生燃燒，當(dāng)滿足一定的溫度、充足的氧氣條件下，燃燒同樣會(huì)發(fā)生[2-4].而隔熱隔音材料阻燃的作用則體現(xiàn)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能起到相對(duì)延緩和推遲火勢蔓延的作用[5-6]，使得起火時(shí)，隔熱隔音材料不易被燒著，減輕燃燒猛烈程度，縮小燃燒范圍，為及早發(fā)現(xiàn)隱患和及時(shí)救援贏得寶貴時(shí)間.因此，對(duì)飛機(jī)隔熱隔音材料暴露于輻射熱源和明火條件下的燃燒火焰蔓延特性展開研究十分必要.

目前，國內(nèi)外對(duì)飛機(jī)隔熱隔音材料制備技術(shù)展開了大量研究[7-11]，對(duì)其可燃性及燃燒火焰蔓延特性的研究已取得一定進(jìn)展.早在20世紀(jì)90年代，美國聯(lián)邦航空局為降低隔熱隔音材料的燃燒危險(xiǎn)性，制定了多種實(shí)驗(yàn)研究方法[12]；Huang與Zhang[13]基于有限體積法，建立了多孔介質(zhì)熱輻射與熱傳導(dǎo)相結(jié)合的數(shù)值模型，并應(yīng)用于隔熱隔音材料傳熱特征研究，算得多層隔熱材料中的瞬態(tài)溫度與實(shí)測溫度誤差小于6.5%；任德鵬等[14]采用數(shù)值分析法研究了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)冷氣道與隔熱層之間的耦合傳熱過程，得出增加冷氣流量、減小壁面發(fā)射率可有效減小隔熱層溫度；Headley等[15]使用瞬態(tài)平面熱源技術(shù)研究了兩種陶瓷纖維的導(dǎo)熱率，驗(yàn)證了陶瓷纖維可做為隔熱材料被用于航空、軍事等極端高溫、高壓環(huán)境；Lee等[16]、Zhao等[17-19]和楊海龍等[20]研究了高孔隙率纖維隔熱層輻射熱傳遞過程；An等[21]和Huang等[22]分析了聚苯乙烯防火泡沫做為隔熱材料的可燃性.可見，在超細(xì)玻璃纖維棉隔熱隔音材料燃燒火焰蔓延特性方面的研究尚未充分展開.

鑒于此，采用微米級(jí)直徑的超細(xì)玻璃纖維制成的玻璃纖維棉為研究對(duì)象，研究將其暴露在輻射熱源和火焰下的可燃性與火焰蔓延特性.目前，陳照峰等[23]、陳舟[24]對(duì)航空超細(xì)玻璃纖維棉制備的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究.超細(xì)玻璃纖維棉是隔熱隔音性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，具有較好的絕緣性、耐熱性和抗腐蝕性，在航空器保溫、降噪領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.雖然飛機(jī)超細(xì)玻璃纖維棉屬于阻燃材料，但當(dāng)滿足燃燒的條件，同樣會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的火災(zāi)甚至爆炸事故，超細(xì)玻璃纖維棉的阻燃作用就是給火災(zāi)發(fā)生時(shí)爭取更多的時(shí)間，因此，研究超細(xì)玻璃纖維棉可燃性與火焰蔓延特性對(duì)認(rèn)識(shí)飛機(jī)隔熱隔音材料燃燒危險(xiǎn)性與安全穩(wěn)定性具有重要意義.

1 試驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)樣品

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

使用的超細(xì)玻璃纖維棉燃燒火焰蔓延特性測試儀如圖1（a），主要由輻射板試驗(yàn)箱和控制柜兩部分組成，用于測試暴露在輻射熱源和火焰下的隔熱隔音材料火焰蔓延特性.其中，輻射板試驗(yàn)箱長1.4 m，主要包括輻射板、玻璃窗、試樣盤、點(diǎn)火裝置、校準(zhǔn)裝置、測溫裝置及排煙裝置，如圖1（b）.控制柜主要包括觸控屏幕、電氣控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、燃?xì)庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)及各功能控制按鈕.

其中，輻射板尺寸為327 mm×470 mm，由6個(gè)76 mm寬的發(fā)射條組成，可提供700 ℃以上的輻射溫度，以此作為輻射熱源.點(diǎn)火使用的可燃?xì)怏w為純度99.99%的丙烷，先通過電點(diǎn)火將其點(diǎn)燃，再調(diào)節(jié)輻射板試驗(yàn)箱右側(cè)把手，使噴燈火焰與試樣盤成30°夾角，從而令試樣盤中的玻璃纖維棉燃燒，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)功能，控制點(diǎn)火時(shí)間.試驗(yàn)結(jié)束后，啟動(dòng)排煙按鈕將測試箱內(nèi)煙氣安全排出室外.

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

圖1 火焰蔓延特性測試儀.（a）實(shí)物圖；（b）輻射板試驗(yàn)箱示意圖Fig.1 Flame propagation characteristic tester: (a) physical map; (b) diagram of radiation panel test box

選取航空超細(xì)玻璃纖維棉隔熱隔音材料，纖維直徑1.3～4.2 μm，制備過程使用了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的酚醛樹脂粘膠劑，以增強(qiáng)玻璃纖維棉的強(qiáng)度.實(shí)驗(yàn)前，將試樣置于溫度21±2 ℃、相對(duì)濕度55%±10%環(huán)境下24 h.制樣時(shí)，測量樣品厚度為24 mm，如圖2（a）.根據(jù)《CCAR-25 中國民用航空規(guī)章運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》附錄F第Ⅵ部分[25]，為避免玻璃纖維棉芯體材料受外力壓縮變形，可使用熱封裝、縫合、捆扎等方式進(jìn)行預(yù)處理.本實(shí)驗(yàn)采用外部包覆材料縫合的方式，同時(shí)，在試樣框背面朝上條件下把玻璃纖維棉安裝到試樣框時(shí)，盡量不把螺絲釘擰到最緊的位置，使擋板固定住玻璃纖維棉即可，實(shí)驗(yàn)時(shí)再將試樣框正面朝上，使玻璃纖維芯體材料不受擠壓作用，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性.將玻璃纖維棉制成318 mm寬（X軸方向）、584 mm長（Y軸方向），同時(shí)在試樣上沿左邊緣80 mm縱向（X方向）切割51 mm切口，以保證材料內(nèi)部燃燒時(shí)的氧氣供應(yīng)，如圖2（b）.待輻射板溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后，啟動(dòng)點(diǎn)火并將丙烷噴燈調(diào)至與試樣盤 30°夾角位置，如圖2（c）.

2 火焰沿 Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離隨點(diǎn)火時(shí)間變化規(guī)律分析

為描述點(diǎn)火后火焰蔓延的方向和距離，建立X、Y坐標(biāo)軸，如圖2（b）.將火焰蔓延表述為“最遠(yuǎn)距離”，是因?yàn)樵赬軸不同位置，火焰沿Y軸正向蔓延的距離是不一致的，即火焰在玻璃纖維棉上蔓延痕跡的前緣輪廓不是一條垂直于Y軸的直線.另外，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：輻射板溫度設(shè)置為700 ℃，樣品厚度24 mm，點(diǎn)火時(shí)間（記為t）依次設(shè)置為15、25、35、45、55、65、75和85 s.將火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離記為l，則l隨t的變化關(guān)系如圖3.

從圖3分析可知：t為15 s時(shí)，l達(dá)到280 mm（如圖4，根據(jù)標(biāo)尺度數(shù)），當(dāng)t從15 s逐漸增大至85 s過程中l(wèi)逐漸增大，最終達(dá)到435 mm，增幅高達(dá)155 mm，說明增大點(diǎn)火時(shí)間對(duì)火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離具有明顯促進(jìn)作用.從曲線斜率變化角度分析火焰蔓延速率，可知：當(dāng)t在15到85 s內(nèi)不斷增大，火焰蔓延速率整體呈現(xiàn)先減小、后增大、再減小的趨勢，即t在35～55 s內(nèi)火焰蔓延速率k2明顯小于t在15～35 s內(nèi)火焰蔓延速率k1，這主要是由于丙烷噴燈火焰將玻璃纖維棉點(diǎn)燃后，在一定時(shí)間內(nèi)消耗了局部空間的氧氣，使玻璃纖維棉內(nèi)部氧氣濃度快速下降.隨后由于試樣在制樣中切割出切口，使局部氧氣在一定程度上得到補(bǔ)充，導(dǎo)致t在55～65 s內(nèi)火焰蔓延速率k3出現(xiàn)大于k2現(xiàn)象.最終t在65～85 s內(nèi)氧氣被第二次大量消耗，因此火焰蔓延速率k4明顯降低，使火焰蔓延最遠(yuǎn)距離在t為75～85 s內(nèi)僅增大5 mm.

3 輻射板溫度與超細(xì)玻璃纖維棉厚度對(duì)火焰蔓延特性的影響

3.1 不同輻射板溫度下火焰蔓延特性分析

圖2 超細(xì)玻璃纖維棉制樣與點(diǎn)火.（a）樣品厚度；（b）樣品；（c）點(diǎn)火Fig.2 Sample of superfine glass fiber wool and ignition: (a) sample thickness; (b) sample; (c) ignition

圖3 l隨 t變化關(guān)系Fig.3 Relationship between l and t

圖4 火焰蔓延情況（t=15 s）Fig.4 Flame propagation condition (t=15 s)

由上文可知，輻射板溫度為700 ℃、樣品厚度24 mm、點(diǎn)火時(shí)間15 s時(shí)，火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離為280 mm.其中，輻射板作為輻射熱源，提供的熱源溫度是可調(diào)試的.為探究不同的輻射板溫度對(duì)玻璃纖維棉點(diǎn)火后火焰蔓延特性的影響，在此基礎(chǔ)上，增大輻射板溫度分別至720、740、760、780、800和820 ℃，得到火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離l和輻射板溫度T的關(guān)系如圖5.

圖5 l隨T變化關(guān)系Fig.5 Relationship between l and T

從圖5分析可知：隨輻射板溫度T在700～820 ℃范圍內(nèi)不斷增大，火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離l從280 mm隨之不斷增大至390 mm，增幅達(dá)到110 mm，說明增大T對(duì)l具有顯著促進(jìn)作用.從圖5曲線整體走勢看出：當(dāng)T從700增大至720 ℃時(shí)，l從280增大至310 mm，增幅達(dá)30 mm.而在T從720增大至740 ℃、從740增大至760 ℃、從760增大至780 ℃、從780增大至800 ℃、從800增大至820 ℃時(shí)，相應(yīng)l的增幅分別為26、20、16、12和6 mm，說明隨T在700～820 ℃內(nèi)不斷增大，l增長速率在不斷減小.分析認(rèn)為：造成這一現(xiàn)象的原因主要是由于輻射板所提供的溫度雖然對(duì)火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離有明顯作用，但其熱量傳遞的本質(zhì)是熱輻射，而丙烷噴燈點(diǎn)火時(shí)熱量傳遞的本質(zhì)是熱傳導(dǎo)，由于熱輻射僅是由于輻射熱板具有溫度而輻射電磁波，相比于熱傳導(dǎo)是熱量直接從高溫向低溫物體轉(zhuǎn)移，因此T的增加對(duì)l增大作用呈現(xiàn)遞減趨勢.

當(dāng)輻射板溫度T為820 ℃時(shí)，火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離l高達(dá)390 mm（如圖6），為進(jìn)一步探究該條件下玻璃纖維棉內(nèi)部溫度變化情況，在內(nèi)部沿中間厚度位置預(yù)埋了3根熱電偶，其位置坐標(biāo) (x,y)分別為A(140,130)，B(140,260)和C(140,390)，單位是mm.其中，沿X軸140 mm屬于玻璃纖維棉沿X軸方向中間位置，沿Y軸方向130、260和390 mm預(yù)留熱電偶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置玻璃纖維棉內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)讀取.在A、B和C點(diǎn)監(jiān)測到的溫度T0隨時(shí)間t0實(shí)時(shí)變化情況如圖7，可見：A點(diǎn)位置點(diǎn)火后16 s達(dá)到最高溫度2370 ℃，B點(diǎn)位置點(diǎn)火后16 s達(dá)到最高溫度1850 ℃，C點(diǎn)位置點(diǎn)火后17 s達(dá)到最高溫度820 ℃，說明距離點(diǎn)火源越近，監(jiān)測點(diǎn)的溫度整體越高.另外，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)火后出現(xiàn)最高溫度的時(shí)間大于點(diǎn)火時(shí)間15 s，這是由于火焰將玻璃纖維棉燃燒后繼續(xù)沿Y軸正向傳播，當(dāng)停止點(diǎn)火后，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)溫度在達(dá)到局部峰值后均呈迅速下降趨勢，說明火焰燃燒劇烈程度也明顯減小.

圖6 火焰蔓延情況（T=820 ℃）Fig.6 Flame propagation condition（T=820 ℃）

圖7 溫度變化曲線Fig.7 Curves of temperature change

3.2 不同超細(xì)玻璃纖維棉厚度下火焰蔓延特性分析

在上文基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究玻璃纖維棉厚度對(duì)火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離的影響作用.由上文可知，輻射板溫度為700 ℃、樣品厚度24 mm、點(diǎn)火時(shí)間15 s時(shí)，火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離為280 mm.在此基礎(chǔ)上，再依次制取樣品厚度12、18、30、36、42和48 mm的玻璃纖維棉進(jìn)行測試，得到火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離l與玻璃纖維棉厚度d的關(guān)系如圖8.分析可知：根據(jù)l與d在二維平面上構(gòu)成的7個(gè)散點(diǎn)，擬合得到兩者之間的一元二次曲線為l=-0.0843d2+2.0535d+279.2857，判定系數(shù)R2達(dá)到0.988，說明擬合效果良好.該擬合曲線僅是為了從二維平面角度定量分析兩者關(guān)系，并不代表等號(hào)兩端量綱一致，因此在根據(jù)d值計(jì)算l值時(shí)，不考慮量綱問題，僅在最終分析結(jié)果時(shí)考慮量綱.

圖8 l隨d變化關(guān)系Fig.8 Relationship between l and d

由圖8進(jìn)一步分析可知：當(dāng)d為12 mm時(shí)，l為295 mm，隨d在12～48 mm范圍內(nèi)不斷增大，l值不斷減小至180 mm，說明玻璃纖維棉厚度越大，在同等條件下，火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離就越小，說明增大玻璃纖維棉厚度可有效阻止火焰的蔓延與擴(kuò)散.從燃燒機(jī)理角度分析：玻璃纖維棉的厚度越大，一方面隔音效果更好，另一方面在受到同樣火焰溫度作為點(diǎn)火源的條件下，在燃燒局部空間里，有更多的熱量沿著玻璃纖維棉內(nèi)部厚度的方向進(jìn)行傳播和蔓延，一定程度上是對(duì)熱量的耗散，因此就降低了火焰熱量沿Y軸正向的傳播速度和蔓延距離，所以l值會(huì)隨之變小.這一結(jié)果對(duì)探討飛機(jī)上隔熱隔音材料的使用厚度具有重要意義.

4 結(jié)論

（1）增大點(diǎn)火時(shí)間t對(duì)火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離l具有明顯促進(jìn)作用.t從15增至85 s過程中，火焰蔓延速率先減小、后增大、再減小，第一次減小是因?yàn)椴ＡЮw維棉內(nèi)部氧氣被快速消耗，隨后增大是因?yàn)橥獠垦鯕馔ㄟ^試樣切口得到補(bǔ)充，第二次減小是由于局部氧氣被第二次大量消耗.

（2）增大輻射板溫度T對(duì)火焰沿Y軸正向蔓延最遠(yuǎn)距離l具有顯著促進(jìn)作用.隨T在700～820 ℃內(nèi)不斷增大，l增長速率在不斷減小，這主要是由于輻射板傳遞熱量的本質(zhì)是熱輻射，熱輻射僅是由于輻射熱板具有溫度而輻射電磁波，因此T的增加對(duì)l增大作用呈現(xiàn)遞減趨勢.

（3）增大玻璃纖維棉厚度可有效阻止火焰蔓延與擴(kuò)散.從燃燒機(jī)理角度分析認(rèn)為，玻璃纖維棉厚度越大，在燃燒局部空間里有更多熱量沿玻璃纖維棉內(nèi)部厚度方向進(jìn)行傳播和蔓延，因此降低了火焰熱量沿Y軸正向的傳播速度和蔓延距離.