飞机隔热隔音超细玻璃纤维棉燃烧火焰蔓延特性

刘天奇，王 宁，郑秋雨，蔡之馨，段国升

沈阳航空航天大学安全工程学院，沈阳 110136

无论是民用客机还是军用战机，在驾驶舱、客舱等舱室附近区域会使用大量隔热隔音材料，以保证舱室内人员处于相对恒温、低噪音的环境.隔热隔音材料布置的地点属于相对隐蔽区，附近会分布大量航空线缆[1]，无论是线缆着火引燃隔热隔音材料，还是隔热隔音材料着火引燃线缆，均具有严重坠机风险.比如，在1988-09-02，瑞士航空MD-11客机在巡航状态下，由于电线短路引燃隔热层，造成电气控制系统失灵，使机组乘客299人全部遇难.由此可见，虽然飞机隔热隔音材料既是阻燃材料，同时也是不燃材料，但并不代表此类隔热隔音材料在任何条件下都不会发生燃烧，当满足一定的温度、充足的氧气条件下，燃烧同样会发生[2-4].而隔热隔音材料阻燃的作用则体现在火灾发生时，能起到相对延缓和推迟火势蔓延的作用[5-6]，使得起火时，隔热隔音材料不易被烧着，减轻燃烧猛烈程度，缩小燃烧范围，为及早发现隐患和及时救援赢得宝贵时间.因此，对飞机隔热隔音材料暴露于辐射热源和明火条件下的燃烧火焰蔓延特性展开研究十分必要.

目前，国内外对飞机隔热隔音材料制备技术展开了大量研究[7-11]，对其可燃性及燃烧火焰蔓延特性的研究已取得一定进展.早在20世纪90年代，美国联邦航空局为降低隔热隔音材料的燃烧危险性，制定了多种实验研究方法[12]；Huang与Zhang[13]基于有限体积法，建立了多孔介质热辐射与热传导相结合的数值模型，并应用于隔热隔音材料传热特征研究，算得多层隔热材料中的瞬态温度与实测温度误差小于6.5%；任德鹏等[14]采用数值分析法研究了飞机发动机冷气道与隔热层之间的耦合传热过程，得出增加冷气流量、减小壁面发射率可有效减小隔热层温度；Headley等[15]使用瞬态平面热源技术研究了两种陶瓷纤维的导热率，验证了陶瓷纤维可做为隔热材料被用于航空、军事等极端高温、高压环境；Lee等[16]、Zhao等[17-19]和杨海龙等[20]研究了高孔隙率纤维隔热层辐射热传递过程；An等[21]和Huang等[22]分析了聚苯乙烯防火泡沫做为隔热材料的可燃性.可见，在超细玻璃纤维棉隔热隔音材料燃烧火焰蔓延特性方面的研究尚未充分展开.

鉴于此，采用微米级直径的超细玻璃纤维制成的玻璃纤维棉为研究对象，研究将其暴露在辐射热源和火焰下的可燃性与火焰蔓延特性.目前，陈照峰等[23]、陈舟[24]对航空超细玻璃纤维棉制备的关键技术进行了系统研究.超细玻璃纤维棉是隔热隔音性能优异的无机非金属材料，具有较好的绝缘性、耐热性和抗腐蚀性，在航空器保温、降噪领域应用广泛.虽然飞机超细玻璃纤维棉属于阻燃材料，但当满足燃烧的条件，同样会引发严重的火灾甚至爆炸事故，超细玻璃纤维棉的阻燃作用就是给火灾发生时争取更多的时间，因此，研究超细玻璃纤维棉可燃性与火焰蔓延特性对认识飞机隔热隔音材料燃烧危险性与安全稳定性具有重要意义.

1 试验原理与实验样品

1.1 实验原理

使用的超细玻璃纤维棉燃烧火焰蔓延特性测试仪如图1（a），主要由辐射板试验箱和控制柜两部分组成，用于测试暴露在辐射热源和火焰下的隔热隔音材料火焰蔓延特性.其中，辐射板试验箱长1.4 m，主要包括辐射板、玻璃窗、试样盘、点火装置、校准装置、测温装置及排烟装置，如图1（b）.控制柜主要包括触控屏幕、电气控制系统、水冷系统、燃气调节系统及各功能控制按钮.

其中，辐射板尺寸为327 mm×470 mm，由6个76 mm宽的发射条组成，可提供700 ℃以上的辐射温度，以此作为辐射热源.点火使用的可燃气体为纯度99.99%的丙烷，先通过电点火将其点燃，再调节辐射板试验箱右侧把手，使喷灯火焰与试样盘成30°夹角，从而令试样盘中的玻璃纤维棉燃烧，同时启动计时功能，控制点火时间.试验结束后，启动排烟按钮将测试箱内烟气安全排出室外.

1.2 实验样品

图1 火焰蔓延特性测试仪.（a）实物图；（b）辐射板试验箱示意图Fig.1 Flame propagation characteristic tester: (a) physical map; (b) diagram of radiation panel test box

选取航空超细玻璃纤维棉隔热隔音材料，纤维直径1.3～4.2 μm，制备过程使用了质量分数为5%的酚醛树脂粘胶剂，以增强玻璃纤维棉的强度.实验前，将试样置于温度21±2 ℃、相对湿度55%±10%环境下24 h.制样时，测量样品厚度为24 mm，如图2（a）.根据《CCAR-25 中国民用航空规章运输类飞机适航标准》附录F第Ⅵ部分[25]，为避免玻璃纤维棉芯体材料受外力压缩变形，可使用热封装、缝合、捆扎等方式进行预处理.本实验采用外部包覆材料缝合的方式，同时，在试样框背面朝上条件下把玻璃纤维棉安装到试样框时，尽量不把螺丝钉拧到最紧的位置，使挡板固定住玻璃纤维棉即可，实验时再将试样框正面朝上，使玻璃纤维芯体材料不受挤压作用，以保证实验结果准确性.将玻璃纤维棉制成318 mm宽（X轴方向）、584 mm长（Y轴方向），同时在试样上沿左边缘80 mm纵向（X方向）切割51 mm切口，以保证材料内部燃烧时的氧气供应，如图2（b）.待辐射板温度达到目标温度后，启动点火并将丙烷喷灯调至与试样盘 30°夹角位置，如图2（c）.

2 火焰沿 Y轴正向蔓延最远距离随点火时间变化规律分析

为描述点火后火焰蔓延的方向和距离，建立X、Y坐标轴，如图2（b）.将火焰蔓延表述为“最远距离”，是因为在X轴不同位置，火焰沿Y轴正向蔓延的距离是不一致的，即火焰在玻璃纤维棉上蔓延痕迹的前缘轮廓不是一条垂直于Y轴的直线.另外，实验参数为：辐射板温度设置为700 ℃，样品厚度24 mm，点火时间（记为t）依次设置为15、25、35、45、55、65、75和85 s.将火焰沿Y轴正向蔓延最远距离记为l，则l随t的变化关系如图3.

从图3分析可知：t为15 s时，l达到280 mm（如图4，根据标尺度数），当t从15 s逐渐增大至85 s过程中l逐渐增大，最终达到435 mm，增幅高达155 mm，说明增大点火时间对火焰沿Y轴正向蔓延最远距离具有明显促进作用.从曲线斜率变化角度分析火焰蔓延速率，可知：当t在15到85 s内不断增大，火焰蔓延速率整体呈现先减小、后增大、再减小的趋势，即t在35～55 s内火焰蔓延速率k2明显小于t在15～35 s内火焰蔓延速率k1，这主要是由于丙烷喷灯火焰将玻璃纤维棉点燃后，在一定时间内消耗了局部空间的氧气，使玻璃纤维棉内部氧气浓度快速下降.随后由于试样在制样中切割出切口，使局部氧气在一定程度上得到补充，导致t在55～65 s内火焰蔓延速率k3出现大于k2现象.最终t在65～85 s内氧气被第二次大量消耗，因此火焰蔓延速率k4明显降低，使火焰蔓延最远距离在t为75～85 s内仅增大5 mm.

3 辐射板温度与超细玻璃纤维棉厚度对火焰蔓延特性的影响

3.1 不同辐射板温度下火焰蔓延特性分析

图2 超细玻璃纤维棉制样与点火.（a）样品厚度；（b）样品；（c）点火Fig.2 Sample of superfine glass fiber wool and ignition: (a) sample thickness; (b) sample; (c) ignition

图3 l随 t变化关系Fig.3 Relationship between l and t

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

由上文可知，辐射板温度为700 ℃、样品厚度24 mm、点火时间15 s时，火焰沿Y轴正向蔓延最远距离为280 mm.其中，辐射板作为辐射热源，提供的热源温度是可调试的.为探究不同的辐射板温度对玻璃纤维棉点火后火焰蔓延特性的影响，在此基础上，增大辐射板温度分别至720、740、760、780、800和820 ℃，得到火焰沿Y轴正向蔓延最远距离l和辐射板温度T的关系如图5.

图5 l随T变化关系Fig.5 Relationship between l and T

从图5分析可知：随辐射板温度T在700～820 ℃范围内不断增大，火焰沿Y轴正向蔓延最远距离l从280 mm随之不断增大至390 mm，增幅达到110 mm，说明增大T对l具有显著促进作用.从图5曲线整体走势看出：当T从700增大至720 ℃时，l从280增大至310 mm，增幅达30 mm.而在T从720增大至740 ℃、从740增大至760 ℃、从760增大至780 ℃、从780增大至800 ℃、从800增大至820 ℃时，相应l的增幅分别为26、20、16、12和6 mm，说明随T在700～820 ℃内不断增大，l增长速率在不断减小.分析认为：造成这一现象的原因主要是由于辐射板所提供的温度虽然对火焰沿Y轴正向蔓延最远距离有明显作用，但其热量传递的本质是热辐射，而丙烷喷灯点火时热量传递的本质是热传导，由于热辐射仅是由于辐射热板具有温度而辐射电磁波，相比于热传导是热量直接从高温向低温物体转移，因此T的增加对l增大作用呈现递减趋势.

当辐射板温度T为820 ℃时，火焰沿Y轴正向蔓延最远距离l高达390 mm（如图6），为进一步探究该条件下玻璃纤维棉内部温度变化情况，在内部沿中间厚度位置预埋了3根热电偶，其位置坐标 (x,y)分别为A(140,130)，B(140,260)和C(140,390)，单位是mm.其中，沿X轴140 mm属于玻璃纤维棉沿X轴方向中间位置，沿Y轴方向130、260和390 mm预留热电偶可以实现对不同位置玻璃纤维棉内部温度的实时读取.在A、B和C点监测到的温度T0随时间t0实时变化情况如图7，可见：A点位置点火后16 s达到最高温度2370 ℃，B点位置点火后16 s达到最高温度1850 ℃，C点位置点火后17 s达到最高温度820 ℃，说明距离点火源越近，监测点的温度整体越高.另外，3个监测点点火后出现最高温度的时间大于点火时间15 s，这是由于火焰将玻璃纤维棉燃烧后继续沿Y轴正向传播，当停止点火后，3个监测点温度在达到局部峰值后均呈迅速下降趋势，说明火焰燃烧剧烈程度也明显减小.

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

图7 温度变化曲线Fig.7 Curves of temperature change

3.2 不同超细玻璃纤维棉厚度下火焰蔓延特性分析

在上文基础上，进一步探究玻璃纤维棉厚度对火焰沿Y轴正向蔓延最远距离的影响作用.由上文可知，辐射板温度为700 ℃、样品厚度24 mm、点火时间15 s时，火焰沿Y轴正向蔓延最远距离为280 mm.在此基础上，再依次制取样品厚度12、18、30、36、42和48 mm的玻璃纤维棉进行测试，得到火焰沿Y轴正向蔓延最远距离l与玻璃纤维棉厚度d的关系如图8.分析可知：根据l与d在二维平面上构成的7个散点，拟合得到两者之间的一元二次曲线为l=-0.0843d2+2.0535d+279.2857，判定系数R2达到0.988，说明拟合效果良好.该拟合曲线仅是为了从二维平面角度定量分析两者关系，并不代表等号两端量纲一致，因此在根据d值计算l值时，不考虑量纲问题，仅在最终分析结果时考虑量纲.

图8 l随d变化关系Fig.8 Relationship between l and d

由图8进一步分析可知：当d为12 mm时，l为295 mm，随d在12～48 mm范围内不断增大，l值不断减小至180 mm，说明玻璃纤维棉厚度越大，在同等条件下，火焰沿Y轴正向蔓延最远距离就越小，说明增大玻璃纤维棉厚度可有效阻止火焰的蔓延与扩散.从燃烧机理角度分析：玻璃纤维棉的厚度越大，一方面隔音效果更好，另一方面在受到同样火焰温度作为点火源的条件下，在燃烧局部空间里，有更多的热量沿着玻璃纤维棉内部厚度的方向进行传播和蔓延，一定程度上是对热量的耗散，因此就降低了火焰热量沿Y轴正向的传播速度和蔓延距离，所以l值会随之变小.这一结果对探讨飞机上隔热隔音材料的使用厚度具有重要意义.

4 结论

（1）增大点火时间t对火焰沿Y轴正向蔓延最远距离l具有明显促进作用.t从15增至85 s过程中，火焰蔓延速率先减小、后增大、再减小，第一次减小是因为玻璃纤维棉内部氧气被快速消耗，随后增大是因为外部氧气通过试样切口得到补充，第二次减小是由于局部氧气被第二次大量消耗.

（2）增大辐射板温度T对火焰沿Y轴正向蔓延最远距离l具有显著促进作用.随T在700～820 ℃内不断增大，l增长速率在不断减小，这主要是由于辐射板传递热量的本质是热辐射，热辐射仅是由于辐射热板具有温度而辐射电磁波，因此T的增加对l增大作用呈现递减趋势.

（3）增大玻璃纤维棉厚度可有效阻止火焰蔓延与扩散.从燃烧机理角度分析认为，玻璃纤维棉厚度越大，在燃烧局部空间里有更多热量沿玻璃纤维棉内部厚度方向进行传播和蔓延，因此降低了火焰热量沿Y轴正向的传播速度和蔓延距离.