多孔非金属材料在阻隔防爆方面的研究进展

邢志祥，杜 贞，欧红香，郝永梅

（常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164）

随着城市建设和工业的发展，易燃易爆危险化学品的生产和使用在工业发展和人民生活中占有越来越重要的地位。然而危险化学品在储存和运输过程中时常发生事故，且造成的损失往往不可估量。因此，用以抑制或减少危险化学品储存和运输过程燃爆现象发生的多孔材料便应运而生。

多孔材料因其自身的结构特点，可抑制火焰和压力波的传播，从而达到阻隔防爆的作用。作为一种新型的阻隔防爆材料，多孔非金属材料具有价格低、使用周期长、质量轻、防氧化等金属材料无可比拟的优点，已在石油化工、航空航天等多个领域得到了广泛应用。目前对多孔非金属阻隔防爆材料的不断开发以及对其防爆机理和防爆性能的深入研究，正不断丰富着人们对多孔非金属防爆材料的认识，也为其今后更好地应用于生产生活奠定了基础。

1 多孔非金属阻隔防爆材料简介

1.1 多孔非金属材料分类及其防爆性能

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料。按孔洞结构不同，可将多孔材料划分为两种：一种是孔洞平面聚集的二维“蜂窝”结构；另一种是孔洞空间聚集的三维“泡沫”结构。多孔材料［1］通常分为多孔金属材料和多孔非金属材料，而多孔非金属材料又可分为无机多孔材料和有机多孔材料两大类。与传统的金属阻隔防爆材料相比，非金属材料具有相对密度小、比表面积大、价格低廉、不易污染介质等优点，常用于油箱、储罐、管道以及矿井等易发生燃爆的地方，具有巨大的市场潜力。目前，常用的多孔非金属材料主要为聚氨酯材料和陶瓷材料，两者研究和应用都较为广泛，但近年来，新型的多孔非金属复合材料（如硅酸铝棉、玻璃棉等）以其自身低价格、高性能的优点在阻隔防爆领域受到越来越广泛的关注和研究。本文对常见多孔非金属材料的性能优劣进行了对比，详见表1。

表1 常见多孔非金属材料性能优劣比较Table 1 Advantages and deficiencies of common porous non-metallic materials

1.2 多孔非金属材料防爆机理

目前针对多孔非金属材料的防爆机理［7］研究较为成熟，但研究并没有统一定论，观点主要集中在多孔材料的“冷壁效应”和“器壁效应”两个方面。“冷壁效应”认为，在火焰传播过程中，非金属材料的巨大比表面积能够快速吸收火焰产生的热量，且多孔材料能将容器分为若干个小室，从而达到分散火焰、阻隔防爆的作用。“器壁效应”认为，多孔非金属材料结构通道具有很大的比表面积，发生爆炸反应时，爆炸通道壁与反应自由基发生碰撞，吸收大量活化自由基，当反应的自由基减少到一定程度时，爆炸反应即终止。当前“冷壁效应”受到广大学者的认可，成为主流防爆机理之一。然而，也有学者认为材料导热性能的提高并不能造成火焰熄灭直径的明显改变，因而“冷壁效应”并非为阻隔防爆的主要原因，“器壁效应”才是阻止火焰传播的主要机理［8］。

2 多孔非金属阻隔防爆材料国内外研究现状

2.1 多孔非金属阻隔防爆材料理论研究进展

国内外学者对多孔非金属阻隔防爆材料的理论研究主要是针对材料防爆机理研究以及多孔材料内部防爆性能参数的计算。多孔非金属材料防爆机理的研究主要侧重于“冷壁效应”，“器壁效应”的研究少有报道，此外防爆机理研究的重点往往在于火焰淬熄作用，对于导致压力波衰减的机理研究并没有给予足够的重视。多孔非金属材料内部防爆性能参数的计算则是通过建立简化模型，计算容器留空率、燃爆极限等参数或是研究各类参数之间的函数关系式。

Edwards［9］通过对多孔非金属材料淬熄过程的研究，对应用于管道或容器中的多种阻火器材料自身的特性与其对应结构进行了分析，并指出合理的多孔非金属材料的孔径大小和单元结构是实现低流体阻力和高淬火性能最佳组合的关键，但其对多孔非金属材料抑爆机理的探讨并不深入，仅对材料自身特性和结构特点对抑爆性能的影响进行了对比讨论。Ciccarelli［10］从能量的角度对直管中可燃气体爆炸过程动能和热能损失进行了理论分析，指出多孔介质阻火性能是由热损失、湍流和可压缩性共同决定的：当传播速度处于亚音速时，多孔材料的热量损失占主导地位，其可以阻碍未燃气体的流动和燃烧产物的释放；而当传播速度处于超音速时，多孔材料的湍流和可压缩性则占主导地位，其将会加速爆炸的传播。

马凯等［11］量化研究了瓦斯爆炸反应与阻火器中泡沫陶瓷结构发生的“器壁效应”，对器壁链引发和断链作用进行了分析，结果表明泡沫陶瓷特殊的三维网格结构有利于瓦斯爆炸自由基的销毁，从而终止反应链，抑制瓦斯的爆炸，同时给出了瓦斯爆炸链载体平均浓度以及断链系数的函数关系式。战仁军等［12］认为网状聚氨酯泡沫能够起到阻燃抑爆作用主要是因为泡沫材料的三维骨架结构能将燃油牢牢吸附其中，限制了火焰前锋的扩大并减小了压力波，并认为其网状结构不仅能够吸附燃油，还能分散火焰，从而遏制火焰传播。该吸油理论的提出较为新颖，为储油领域提供了一种新的安全储油方式。Zhang等［13］将多孔材料的火焰淬熄和抑制压力波能力进行了综合研究，指出气体爆炸是泡沫陶瓷对火焰和压力波相互耦合的结果，泡沫陶瓷对火焰的淬熄能够切断前驱冲击波的能量来源，从而衰减冲击波；同时根据冲击波作用下多孔材料形变状态，将多孔材料能量吸收过程分为三个阶段，从宏观上对其能量的吸收进行了描述。

2.2 多孔非金属阻隔防爆材料实验研究进展

国内外学者对多孔非金属阻隔防爆材料的实验研究相对较为完善，实验成果也较多。当前的实验主要涉及不同材料种类、材料参数、材料填充方式、预混气体种类等对阻隔防爆性能的影响以及材料火焰淬熄和抑制压力波方面防爆机理的研究。

Radulescu等［14］通过对填充多孔非金属材料的管道爆轰过程分析，发现横波是不稳定爆炸的点火和传播的关键，而多孔壁面对横波有一定的削弱作用。Zalosh［15］通过总结军用飞机NFPA 方案中多孔非金属材料的基本原理，对聚合泡沫和铝合金丝网在气体／蒸汽-空气混合物中抑爆性能和机理进行了研究，结果表明：多孔非金属材料壁面具有质量辐散的作用，爆轰越稳定，多孔壁面对横波的削弱越明显，质量辐散作用越突出。Nie等［16］设计了200cm×200cm 的类似煤矿巷道的方形管道，对Al2O3和SiC两种多孔非金属泡沫陶瓷中爆炸火焰进行了实验研究，结果表明两者的微观结构对瓦斯爆炸火焰的淬熄和抑制压力波超压均具有重要作用；同时从链式反应理论、热爆炸理论和横向波抑制机制导致火焰熄灭的可能性角度进行了研究，但并未进行相关实验验证。在Nie研究基础上，Wen等［17］将障碍物对火焰的加速能力与泡沫陶瓷材料对火焰的阻隔能力进行了综合实验研究，设计一个150mm×150 mm×500mm 的管道，通过改变障碍物的数量、多孔材料尺寸及厚度，对存在障碍物情况下多孔介质对气体爆燃淬熄能力进行了研究，结果表明：障碍物对火焰的加速及产生的超压在一定条件下会导致多孔非金属材料淬熄作用失效；此外，更小孔径或更大厚度的多孔介质能够起到更好的淬火效果，并能产生更大的压力波衰减。

Joo等［18］、Ciccarelli［19］通过实验研究了泡沫陶瓷的淬熄能力，结果表明在具有相同流率和当量直径的情况下，等效金属材料的火焰淬熄能力强于泡沫陶瓷材料，并发现多孔介质对火焰会产生双重作用，当其不能熄灭火焰时，内部产生的湍流反而会加速爆炸的升级；同时指出多孔介质中爆炸的传播是由混合气体属性和多孔介质的几何作用共同决定的，而淬熄现象则受热效应、火焰拉伸以及优先扩散的共同影响。喻健良等［20-21］研究了硅酸铝棉长度、管道内衬对管道燃爆压力波和火焰速度的抑制作用，结果表明硅酸铝棉对预混火焰的传播具有双重效果，当硅酸铝棉长度大于临界长度时，对火焰速度及爆炸超压起抑制作用，该结论与Ciccarelli所得的结论一致；同时通过对无内衬、内衬硅酸铝棉、内衬实体障碍物和非变截面硅酸铝棉的4种管道内火焰传播的横向比较发现，内衬非变截面硅酸铝棉对管道出口燃爆压力波的冲击破坏作用抑制效果最为明显。

Sun等［22］通过实验研究指出：丝网和泡沫陶瓷材料具有一定阻燃和减少压力波的能力；丝网的抗冲击损伤能力很强，而泡沫陶瓷材料的抗烧结能力很强；丝网对火焰温度的最高衰减速率可达到60%，阻燃效果高于泡沫陶瓷材料；当金属丝网与泡沫陶瓷组合使用时，对爆炸超压、火焰温度的衰减效果会更加优异，可避免单体使用时各自的缺陷。韩志伟等［23］、雷正等［24］采用卧式激光管对铝合金网状材料、镁铝合金网状材料和非金属球型材料对汽油蒸汽爆炸的抑制作用进行了实验研究，结果表明3种材料中非金属球型材料的抑爆性能最佳；同时通过对非金属球形抑爆材料在丙烷、汽油蒸汽、乙烯与空气混合气体中火焰传播速度的测定，发现其在丙烷中抑爆能力最强，但对于不同材料及不同预混气体中抑爆性能变化的原因并未做进一步的分析。邢志祥等［25-26］对非金属材料防爆机理及其相关标准进行了分析，研究了多孔聚氨酯材料在不同留空率、填充方式、填充物孔径下对抑爆性能的影响，并通过与填充网状铝合金材料后容器内压力峰值的比较，发现填充多孔聚氨酯材料爆炸后，压力随留空率的变化较网状铝合金材料大。

2.3 多孔非金属阻隔防爆材料模拟研究进展

由于爆炸实验成本高、周期长，且受设备精度限制无法准确获得一些参数，因而对多孔非金属阻隔防爆材料的模拟研究便显的十分重要。然而，对于火焰传播和障碍物对火焰加速情况的模拟虽已十分成熟，但对多孔非金属材料阻隔防爆方向的数值模拟却相对较少，这是由模拟过程中多孔非金属材料孔隙尺寸、数量的不确定性以及现有模拟软件的局限性造成的。已有研究成果均为对实际问题的简化而得到的，其精确性有待提高。

Mare等［27］通过实验和数值模拟的方法探讨了碳氢化合物和空气混合后在玻璃棉中的可燃极限，以及可燃极限与固相物质的物理特性和几何特性之间的关系，数值模拟和实验结果均表明相较于多孔介质的物理性能，燃烧极限对其几何特性更为敏感。通过对火焰的结构、动力学作用和传递到固相中的热损失分析，可以更好地了解可能的淬熄机理。Kakutkina等［28］通过对多孔阻燃器中火焰的燃烧进行数值分析，考察了多种多孔阻火元件性能，结果表明：网状结构能够吸收横波、破坏爆炸波的自持稳定性、增加多孔材料热传导效应和长度、减小信道有效尺寸和阻火元件孔径，从而增强多孔介质的阻火效应。高远［29］选用湍流预混火焰模型中的EBU-Arrhenius燃烧模型模拟研究了硅酸铝棉多孔介质对火焰的淬熄和压力波的抑制作用，结果表明：硅酸铝棉长度与火焰传播速度成幂函数关系，与压力值之间成线性关系，而其厚度对火焰传播速度和压力波的影响则较为复杂，随硅酸铝棉厚度的增加而先减小后增加，但对于造成该结论的原因并未进行讨论。

喻健良等［30］对光滑壁面、内衬多孔材料壁面、内衬实体障碍物壁面的管道内火焰传播过程进行了模拟研究，结果表明火焰传播至相同出口截面位置时，内衬多孔材料壁面出口火焰速度最小，且多孔材料对火焰温度和压力均起到削弱作用。该模拟结果将多孔材料及障碍物对爆燃火焰传播的影响进行对比研究，模拟结果与实验结果具有较好的吻合性。Yang等［31-32］对90°弯管中多孔材料对甲烷／空气混合气体抑制火焰及压力波的过程进行了实验和数值模拟研究，结果表明：通过改变硅酸铝棉的长度，发现外弧侧0°到90°测试点超压呈现先降低后升高的趋势；通过模拟内衬硅酸铝棉的弯管，发现弯管外弧面爆炸压力较高，而内弧面火焰速度较快，但弯管内外弧面的爆炸超压均有明显的降低，模拟结果与实验结果具有较好的吻合性；同时通过电子显微镜观察发现，对于高弹性硅酸铝棉，其骨架崩裂和纤维断裂的空间可以吸收压力波，从而衰减爆炸超压。非直管管道中阻隔防爆材料的研究较为新颖，拓宽了对多孔材料阻隔防爆研究的方向。

3 研究缺陷与展望

近年来国内外阻隔防爆材料的研究经历了从多孔金属材料到多孔非金属材料，从材料自身防爆性能到防爆机理，从理论、实验研究到模拟研究的过渡，正不断的向外拓展并深入。然而仍存在一些不足和问题，需要在今后的研究中予以重视：

（1）对多孔非金属材料防爆性能的研究主要依赖于理论和实验，软件模拟方面的研究相对较少，且模拟过程均对多孔非金属材料进行了简化，得到的结果具有一定的局限性。

（2）对多孔非金属材料对火焰抑制作用的研究较多，而对压力波的抑制作用研究相对较少，且对多孔非金属材料抑制压力波以及对火焰淬熄的研究均针对某一方面进行的，难以形成系统的理论。

（3）实验设备的误差、实验环境的影响以及模拟软件的局限性导致实验结果与理论结果之间、模拟结果与实验结果之间存在一定的偏差。

（4）现有多孔非金属阻隔防爆材料种类较多，研究相对较杂且不深入，难以充分利用其研究结果。

（5）已有研究仅给出对留空率、填充密度、材料属性等的定性、半定性研究，缺乏主要影响因素对多孔非金属材料阻隔防爆性能影响规律的定量研究［33］。

多孔非金属阻隔防爆材料防爆性能和防爆机理的深入研究，将有助于更好地开发并应用多孔材料，更好地维护人民的生产、生活安全，因此寻找质量轻、价格低、无污染、不腐蚀的更高性能的阻隔防爆材料是人们追求的目标。高分子复合材料作为一种新型的多孔非金属阻隔防爆材料，具有很好的防爆性能，且价格十分低廉，具有很好的市场前景，对其制备、防爆性能的研究将成为未来多孔非金属阻隔防爆材料发展的一个趋势。同时，由于软件模拟具有方便快捷、节约成本、过程易于观察等特性，应用软件模拟多孔材料内部火焰和压力波的变化过程，必将成为未来对多孔材料研究的一个重要环节。因此提高现有的模拟软件性能，使之更真实地模拟火焰和压力波在多孔材料中的微观过程显得十分重要。通过了解和认识当前阶段理论、实验和模拟方面研究的不足，能够更好地研究阻隔防爆技术，从而为今后多孔非金属阻隔防爆材料的进一步发展奠定基础并指明方向。

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