湿热老化对航空电线电缆防火性能的影响研究

张思宇，王 志，曲 芳

（沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136）

飞机中一般铺设的航空线缆达数百米，这是保证飞机内部的电能传输和信号控制的关键。相比于其他故障类型，航空电线电缆的老化是长期、复杂、连续的特殊状态，老化是大多数材料不可避免的过程[1]。在老化种类中，湿热老化是最基本的一种老化方式，也是易造成严重危害的老化形式。

然而，专门针对老化航空电线电缆的火灾危险性的实验及分析相对较少，可参照的实验数据不足。因此，本文研究湿热老化对航空线缆的防火性能评估实验是非常有意义的，很大程度上可以保证飞机正常运行和飞行安全。

国内对阻燃防火线缆的研究多集中在国内外公开标准的比对、具体试验方法的研究、飞机使用材料整体的适航符合性探讨，也给出了当前线缆环保的发展趋势，但对飞机上选用何种线缆能满足适航规章的要求，以及满足适航要求的试验方法的选用很少有系统性的研究。

国外发达国家对线缆标准有着更严格的要求，主要有欧盟标准、美国标准和IEC 标准，在日渐完善的电缆标准和环保规范被推出过程中，复合材料和新型材料的安全性也越来越高，特别是在电线电缆行业，低烟无卤阻燃性的电线电缆已经是主流，以往传统的电缆材料正面临着前所未有的挑战[2]。因此各国的电线电缆材料及其相配合的产品的安全性和环保性也正在趋于更高的水平，新的复合材料新的技术涌现在市场上，以满足未来的新的发展需要。

由于含氟聚合物材料的应用日益广泛，人们对该材料的性能测试及老化问题的研究更加重视，相关方面的研究工作也在不断完善和发展中[3]。

1 实验部分

1.1 主要原料和设备

实验主要原料如下：聚全氟乙丙烯航空线缆（AFSXE150-250V，安徽安盛特种电缆有限公司）、热重-差热同步分析仪（DTG-60（AH），日本岛津公司）、电子天平（FA2204B，上海佑科仪器有限公司）。

实验主要设备如下：温湿度盐雾淋雨综合箱，由上海品顿实验设备有限公司生产；FTT 标准型锥形量热仪（CONE Calorimeter，美国建筑与火灾研究所）。

1.2 实验方法

依据GJB 17.15—1984《航空电线电缆试验方法—耐潮试验》标准，利用温湿度盐雾淋雨综合箱对样品进行为期15 d 的人工加速湿热老化处理[4]。

将2 种材质的电缆截断成长10 cm 的长度大小各10 组，其中将各材质电缆中的5 组进行老化试验，另外5 组留作常规对比，总计20 组。

将试样放入实验箱内的网板上，仔细关好试验箱。给蒸汽发生器注入足够的蒸馏水或无矿物水。

在2 h 内将温度升至70 ℃，相对湿度达到95%，在此温度和湿度条件下保持6 h，切断电源，在之后的16 h 内箱内温度应降至38 ℃以下。完成这一实验过程称作一个实验循环。实验循环应重复进行15 次，即总实验时间为360 h。

2 性能测定

2.1 热解特性测定

称取3～5 mg 样品，将DTG-60（AH）型热重-差热同步分析仪升温至800 ℃，分别以30 ℃/min 和50 ℃/min 的升温速率进行实验，环境气氛为氮气，气体流速为50 mL/min[5]。实验结束后将所获得的数据通过Origin 软件进行绘图，得到能够表征材料热稳定性的图像曲线。得到2 种形态样品质量随温度变化的TG曲线及失重速率DTG 曲线。

2.2 燃烧特性测定

实验材料按照ISO5660-1—2002 国际标准化组织标准，将100 mm 的电缆铺设满100 mm×100 mm 的实验铁盒，如图1 所示。设置热辐射强度为70 kW/m2，研究老化前后FEP 航空电线电缆在结构完整的情况下的燃烧性能变化[6]。

图1 电线电缆铺满锥形量热仪的实验铁盒

3 实验结果

3.1 热解特性

30 ℃/min 升温速率FEP 老化前后TG 曲线、DTG曲线对比如图2、图3 所示。50 ℃/min 升温速率FEP老化前后TG 曲线、DTG 曲线对比如图4、图5 所示。

图2 30 ℃/min 升温速率FEP 老化前后TG 曲线对比图

图3 30 ℃/min 升温速率FEP 老化前后DTG 曲线对比图

图4 50 ℃/min 升温速率FEP 老化前后TG 曲线对比图

图5 50 ℃/min 升温速率FEP 老化前后DTG 曲线对比图

由TG 曲线可知，随着试验的进行，温度不断升高，试样的质量逐渐下降，到达一定温度，质量急剧下降，在实验温度达到设定的最高温度前，已经发生降解现象。试验结束后，质量损失接近100%[7]，几乎没有残留。在30 ℃/min 升温速率下，经过湿热老化处理材料的热解温度和未处理的材料热解温度分别为441 ℃、478 ℃；在50 ℃/min 升温速率下，湿热老化处理过的材料的热解温度和未处理的材料的热解温度分别为450 ℃、483 ℃。热解的起始温度降低37 ℃、33 ℃，说明湿热老化使FEP 材质航空线缆防火性能有所下降。

由DTG 曲线可知，实验进行过程中，随着温度的升高，会出现质量急剧下降的阶段，曲线中出现了2个波谷，存在2 个波峰，即发生过2 次失重现象，在这2 个阶段中，2 种速率下的峰值点均向左有轻微偏移，即发生失重现象的质量变化速率最快的温度变小了[8]。这说明湿热老化使样品发生热解速度最快的温度降低，湿热老化对航空线缆防火性能存在负面影响。

3.2 燃烧特性

老化前后FPE 航空线缆的热释放速率曲线如图6所示。从图中可以看出，湿热老化后的FEP 航空线缆的最大热释放速率为233 kW/m2，未处理的航空线缆的最大热释放速率为191 kW/m2，相比之下，湿热老化之后的最大热释放速率提高了42 kW/m2，但二者出现最大热释放速率的时间基本没有改变。说明FEP 在实际火灾中的热量释放更多，危害更大，且FEP 湿热老化前后的最大热释放速率差值较大，说明FEP 的耐受性差[9]。从燃烧时间上看，老化前的整个燃烧过程时间为148 s，老化后的燃烧时间为144 s，说明15 d 的湿热老化对燃烧时间影响并不明显，基本维持相同的燃烧时长[10]。

图6 老化前后FEP 航空线缆的热释放速率曲线

从热释放速率曲线来看，理论上可以证实湿热老化对航空含氟聚合物电线电缆的防火性能并无显著的影响，表现出含氟聚合物优异的热性能。但一定程度上湿热老化也确实加快了实际火灾中线缆燃烧的速度，且因为老化后的热释放速率增大，也说明湿热老化后的线缆火灾的热释放量越大火灾的危害性越大。

4 结论

经过15 d 人工加速湿热老化的聚全氟乙丙烯（FEP）航空电线电缆（型号AFSXF150-250V），其热解温度提前10～35 ℃，热解温度随着升温速率的升高而不断提高。老化前航空线缆失重现象随着升温速率的升高变得不明显，但老化后样品的失重现象仍然明显。FEP航空线缆湿热老化后热释放速率变大。

综上所述，经过15 d 人工加速湿热老化的聚全氟乙丙烯（FEP）航空电线电缆（型号AFSXF150～250 V），火灾危险性增强，防火性能有所下降。