基于层次分析法的轨道车辆车体用碳纤维复合材料火灾危险性综合评价

倪延强，于全蕾，赵震，李旭光，黄国斌

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

随着轨道交通的快速发展，对轨道车辆轻量化的需求也越来越高[1-2]。碳纤维复合材料作为一种高性能轻量化复合材料，在轨道车辆上得到一定的研究和应用[3]。但就目前的应用宽度和广度而言，其仍然受到了很大的限制。这主要是受限于碳纤维复合材料的工艺成本较高、生产效率较低等问题，除此之外，其防火阻燃性能也是一个重要的考察因素。与传统的车体金属材料相比，碳纤维复合材料自身具有可燃性，一旦起火，火势会迅速扩大，同时释放大量的热，产生有毒烟气，对人员生命和财产安全产生严重威胁，火灾危险性较大[4]。

目前的研究报道对碳纤维复合材料的火灾危险性研究不多，主要集中于航空航天领域，在轨道交通领域未见报道。陈松华等[5]选取3 种典型通用航空碳纤维复合材料，通过锥形量热仪测试得到的热释放速率、质量损失速率等火反应特性参数，运用层次分析法建立了火灾危险性综合评价模型，得出泡沫夹芯复合材料的火灾危险性最高。李禄超等[6]建立了包含4 个火灾危险性评价指数的火灾评价体系，以层次分析法为基础，结合锥形量热仪试验数据对3种碳纤维复合材料的火灾危险性进行了综合评价。上述研究采用层次分析法进行火灾危险性的分析，层次分析法是一种有效的将定性与定量分析结合起来的多准则决策方法[7-9]，对于在实际火灾过程中的烟、热、毒耦合相互作用的复杂危险情况比较适用。舒中俊等[10]选取锥形量热仪实验数据，运用层次分析法确定了4个方面权重指标，对16种商用塑料的火灾危险性进行了评价和分析。冯俊峰等[11]运用层次分析法，建立了以火势增长指数、放热指数、发烟指数、毒性气体生成速率指数以及火焰蔓延指数为因素的铺地材料火灾危险性综合评价模型，对几种典型的铺地材料进行了火灾危险性综合评价。刘晨等[12]以静态管式炉、稳态管式炉和锥形量热仪中的相关实验数据为基础，进一步细分了火灾烟气中不同毒性气体对于火灾风险的影响，并运用层次分析法综合评价了热塑性聚氨酯及其复合材料的火灾危险性。

大多数关于材料基于层次分析法的火灾危险性的研究报道，主要依据锥形量热仪的各种实验数据，然后加权计算特定指标得到。近期的研究报道逐渐开始通过引入多种测试表征手段[11-12]，增加其他权重指标，从而使得火灾危险性分析的全面性得以加强。采用多种综合考量与测试表征相结合的方式，对材料的燃烧行为和火灾危险性进行全面的综合评价，是一种发展趋势。

对轨道车辆来说，EN 45545-2-2020 作为指导铁路车辆制造的一项重要防火通用标准[13]，涵盖材料防火测试的多种试验方法，主要包括烟室法测定烟密度、锥形量热仪法测定热释放速率、火焰横向蔓延法测试火焰蔓延性、烟室法和傅里叶变换红外光谱(FTIR)法测定毒性气体等，其中毒性气体的测定范围较广，包含燃烧产生烟雾中的CO，CO2，NOx(NO，NO2)，HCN，HF，HCl，HBr，SO2共计8种有毒气体。火灾危险性分析是一个复杂多因素耦合相互作用的过程，单一测试方法大多只能反映出材料的某一种火灾特性，不能较好反映材料真实的火灾情况，引入多种测试方法可以提高火灾危险性评价的全面性和准确性。EN 45545-2-2020标准中提到的多种测试方法在材料燃烧特性以及火灾危险性评价方面研究报道很少，考虑到其与实际车辆材料选型息息相关，可为轨道车辆火灾危险性综合评价提供新思路。

以轻量化轨道车辆为研究对象，选取4 种典型结构的车体用碳纤维复合材料，结合EN 45545-2-2020标准，避免单一测试方法的局限性，通过引入4种测试方法，依据其在傅里叶变换红外烟气毒性测试系统、NBS 烟密度箱、火焰蔓延测试仪和锥形量热仪中的相关试验数据，以毒性指数作为毒性危险指标，以烟密度峰值作为烟气危险指标，以火焰蔓延最远距离作为火焰蔓延危险指标，以平均热释放速率峰值和热释放总量作为放热危险指标，运用层次分析法建立碳纤维复合材料的火灾危险性综合评价模型，通过计算各指标权重，对其火灾危险性进行综合评价。

1 试验部分

1.1 主要原材料

层压板结构碳纤维复合材料(CFRP-层压板)：由聚丙烯腈(PAN)基碳纤维和环氧树脂组成的T700环氧织物预浸料，铺贴后经热压罐固化成型工艺得到，厚度为4.0 mm。

聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫夹层结构碳纤维复合材料(CFRP-PMI 夹层)：“三明治”夹层结构，上下面板为T700环氧织物预浸料组成的层压板结构，中间夹层结构为PMI-C75 泡沫，总厚度分别为50 mm和25 mm，其中上下面板厚度各为2.0 mm。

聚对苯二甲酸乙二酯(PET)泡沫夹层结构碳纤维复合材料(CFRP-PET 夹层)：“三明治”夹层结构，其中上下面板为T700 环氧织物预浸料组成的层压板结构，中间夹层结构为PET-C100 泡沫，总厚度分别为50 mm 和25 mm，其中上下面板厚度各为2.0 mm。

多腔结构型材碳纤维复合材料(CFRP-多腔)：拉挤型材结构，采用环氧树脂T700碳纤维布拉挤固化成型得到，其中板材厚度为2.0 mm，总厚度分别为50 mm和25 mm。

4种结构的碳纤维复合材料试样均与实际装车产品材料成分及结构组成一致，试样厚度符合EN 45545-2-2020中各方法的要求。

1.2 主要仪器及设备

火焰蔓延测试仪：SFT型，昆山莫帝斯科燃烧技术仪器有限公司；

NBS 烟密度试验箱：FTT0064 型，英国FTT 公司；

锥形量热仪：FTT0242型，英国FTT公司；

傅里叶变换红外烟气毒性测试系统：ACF5000型，瑞典ABB公司。

1.3 测试与表征

(1)火焰蔓延试验。

按照ISO 5658-2-2006 进行测试，试样尺寸为800 mm×155 mm×相应厚度，取3 次测试的算术平均值记录结果。

(2)烟密度试验。

按照ISO 5659-2-2017 进行测试，试样尺寸为75 mm×75 mm×相应厚度，热辐射通量为50 kW/m2，在无引燃条件下持续10 min，取3 次测试的算术平均值记录结果。

(3)毒性气体试验。

按照ISO 5659-2-2017 和EN 17084-2018 进行测试，试样尺寸同烟密度试验，热辐射通量为50 kW/m2，在无引燃条件下持续10 min，取3 次测试的算术平均值记录结果。

(4)热释放速率试验。

按照ISO 5660-1-2015 进行测试，试样尺寸为100 mm×100 mm×相应厚度，热辐射通量为50 kW/m2，测试持续20 min，取3次测试的算术平均值记录结果。

1.4 试验结果

(1)火焰蔓延试验结果。

在引燃条件下，通过火焰在试样垂直表面的横向蔓延燃烧行为，测试得到平均持续燃烧热(Qsb)、火焰蔓延最远距离(L)、火焰临界熄灭热通量(CFE)等火焰蔓延性能，通常火焰蔓延最远距离越大，CFE值越低，则说明火焰燃烧传播越容易。4 种试样的测试结果见表1。由表1可知，CFRP-PMI夹层的火焰蔓延距离最短，CFE 值最大，表明其火焰蔓延性能最优；而CFRP-多腔的火焰蔓延距离最长，可达462 mm，表明一旦发生火灾，其会迅速燃烧，并扩大火焰蔓延范围，存在较大的火灾风险。

表1 火焰蔓延试验结果

(2)烟密度试验结果。

烟密度峰值(Dsmax)为在10 min 测试时间内烟密度箱内的最大烟雾比光密度，反映可燃物燃烧时的烟气浓度，4种试样的测试结果见表2。由表2可知，CFRP-层压板的Dsmax最小，表明其烟密度性能最优。

表2 烟密度试验结果

(3)毒性气体试验结果。

通过FTIR 仪分析测定试样燃烧产生烟雾中的CO，CO2，NOx(NO，NO2)，HCN，HF，HCl，HBr，SO2共计8 种有毒气体的含量，以美国职业安全与健康研究所的IDLH 值为基准浓度，根据定义的固定火灾模型，以有毒气体的实测浓度与基准浓度之间的比值计算得到毒性指数(X)，计算公式如式(1)所示。

式中：ci—烟室内第i种气体的浓度，mg/m3；

Ci—第i种气体的基准浓度，mg/m3。

4 种试样的X 测试结果列于表3，由表3 可知，CFRP-层压板的X 最小，表明其毒性性能最优。此外，四者在4 min 和8 min 时的X 差别不大，说明在产烟过程中毒性气体成分一直在持续释放。

表3 毒性气体试验结果

(4)热释放速率试验结果。

热释放速率是评价材料燃烧性能的重要参数之一[14]，采用锥形量热仪进行热释放速率的测试，主要的测试参数有平均热释放速率峰值(MARHE)、热释放速率峰值(pHRR)、热释放总量(THR)、点燃时间(ti)等，MARHE 和THR 数值越大，说明其燃烧放热越多，4种试样的具体测试结果见表4。

表4 热释放速率试验结果

2 火灾危险性综合评价

2.1 层次结构模型建立

层次分析法作为一种多目标分析方法，其原理是将经验判断和数字分析有机结合起来，按照不同属性和规律依次罗列相关因素，通过确定各因素的重要性，进而对多因素整体进行综合评价[15]。层次分析法一般可分为三个步骤：首先，根据因素间的相互关系，将因素按照不同层次聚集组合，建立一个多层次的分析结构模型；其次，根据经验和主观判断，就每一层次因素的相对重要性进行量化分析；最后，利用数学方法构造判断矩阵和求解矩阵，并进行一致性检验，若不满足一致性条件，则修改判断矩阵，直至满足为止。

笔者将碳纤维复合材料的火灾危险性作为目标层，将毒性危险、烟气危险、火焰蔓延危险以及放热危险共4 方面作为基准层，以毒性指数作为毒性危险指标，以烟密度峰值作为烟气危险指标，以火焰蔓延最远距离作为火焰蔓延危险指标，以MARHE 和THR 作为放热危险指标，建立的火灾危险层次结构模型，如图1所示。

图1 碳纤维复合材料火灾危险性层次结构模型

2.2 层次分析法计算

(1)构建判断矩阵。

据统计表明，火灾中70%～75%的死亡是由有毒气体及烟尘吸入导致的[16]。轨道车辆的封闭性较高，一旦起火，车体结构和内饰结构中的可燃物被引燃后，大量有毒气体会迅速释放出来，人员吸入后，或因中毒很快身亡，或因窒息很快身亡，因此毒性危险和烟气危险在火灾危险性评价中具有相当高的重要度。同时，轨道车辆车体较长，材料一旦燃烧起火，就会在整个表面迅速蔓延，进而在短时间内发展为全面火灾，因此火焰蔓延危险在火灾危险性评价中具有较高的重要度。此外，材料在燃烧过程中也会释放出大量的热，对人员安全也有很大影响，因此放热危险在火灾危险性评价中具有一定的重要度，放热危险包括MARHE 和THR 两个指标，碳纤维复合材料的燃烧反应，一般为持续性长时间燃烧，在狭小空间内瞬时地MARHE 对人体危害性更大，因此MARHE 相对于THR 的重要度更大。基于上述轨道车辆的结构和运行特点，并结合典型的火灾事故危险结果分析[17]，一般可定性认为烟气毒性危险性＞生烟危险性＞火蔓延危险性＞放热危险性。

采用1～9 标度法(见表5[18])，得到各评价指数之间的相对重要度标度值，列于表6。由表6可以得出碳纤维复合材料火灾危险性评价的判断矩阵A，如式(2)所示。

表6 判断矩阵的相对标度值

(2)求解特征向量和最大特征根。

各行元素几何平均值bj的计算公式如式(3)所示。

对bj(i=1，2，…，n)进行归一化，即求得最大特征值对应的特征向量Wj，如式(4)所示。

带入数据(n=5)进行计算得到式(5)、式(6)、式(7)：

求得判断矩阵的最大特征根λmax如式(8)所示。

(3)判断矩阵一致性检验。

式(9)为判断矩阵一致性检验的计算公式，判定矩阵A 满足一致性的条件为CR＜0.1，如果判定不一致，则需要重新对矩阵A进行调整。

RI 为随机一致性指标，可由1～9 阶随机平均一致性指数表查询得到，当n=5 时，RI=1.12。CI 为一致性检验指标，计算公式见式(10)。

带入数据进行计算可得：

由计算结果可知，矩阵A满足一致性检验，则可以使用特征向量W作为火灾危险性评价的权重指标，见表7。

表7 火灾危险性评价指标权重值

2.3 综合评价

对火灾危险性评价涉及到的各指标试验值进行汇总，列于表8。

表8 火灾危险性评价指标试验值

首先对表8 的试验值进行归一化处理，随后将每个评价指标归一化后的数值与其对应的总目标权重值(见表7)乘积相加，便可以得到每种碳纤维复合材料的火灾危险性综合指数，分值越高说明其火灾危险性越高，计算得到的火灾危险性综合指数见表9。

表9 不同材料的火灾危险性综合指数

由表9可知，4种结构碳纤维复合材料的火灾危险性综合指数：CFRP-多腔＞CFRP-PMI 夹层＞CFRP-PET夹层＞CFRP-层压板，CFRP-多腔结构的火灾危险性综合指数最大，远大于CFRP-层压板结构，两种夹层结构碳纤维复合材料的火灾危险性综合指数相差不大，CFRP-PMI 夹层结构略大于CFRP-PET 夹层结构。因此，火灾危险性从高到低依次为CFRP-多腔、CFRP-PMI 夹层、CFRP-PET 夹层、CFRP-层压板。

3 结论

(1)依据EN 45545-2-2020 标准，通过引入4 种测试方法，建立了4 种火灾危险性指标为毒性危险指标、烟气危险指标、火焰蔓延危险指标、放热危险指标。

(2)基于层次分析法，建立了火灾危险性综合评价模型，对轨道车辆车体用碳纤维复合材料的潜在火灾危险性进行较为全面、合理的量化评价。

(3)基于火灾危险性综合评价模型，计算得到4种典型结构碳纤维复合材料的火灾危险性综合指数分别为：CFRP-多腔结构为0.342，CFRP-PMI夹层结构为0.312，CFRP-PET 夹层结构为0.250，CFRP-层压板结构为0.169。火灾危险性排序为：CFRP-多腔＞CFRP-PMI 夹层＞CFRP-PET 夹层＞CFRP-层压板。