玻璃纤维增强复合材料具有高比强度、高拉伸强度、耐高温、低成本等优点，在航天航空领域应用较多[1-2]。目前多数飞机内部的壁板结构是夹层结构，如空客公司的A380型客机、波音公司的B787型客机的内饰壁板[3]。飞机内部壁板使用树脂基夹层结构材料能够提供便利，也存在许多安全问题，使用夹层结构材料增加大型客机发生火灾时的危险性和复杂性，对乘员和飞机的安全造成严重威胁[4]。对于复合材料层压板的燃烧行为的研究较多，而对于蜂窝夹层板的燃烧行为尚未报道，玻璃纤维增强复合材料作为我国某系大型客机壁板的使用材料，研究其热解机理与燃烧特性尤为重要。近些年，国内外许多研究者探究纤维增强复合材料各方面的性能，主要包括对复合材料燃烧和热解特性以及对复合材料力学性能的研究。王志超等[5]对环氧树脂基体和T800碳纤维/环氧复合材料燃烧行为进行研究。结果表明：T800碳纤维/环氧复合材料防火性能较好，在密集碳纤维束及燃烧后炭层的作用下，实现双向阻燃及控烟。陈松华等[6]利用锥型量热仪，测试碳纤维层压板及其泡沫夹芯复合材料、碳纤维夹层板材料的不同燃烧反应特性参数。结果表明：空气中玻璃纤维/环氧树脂泡沫夹层板的热分解反应可分为3个阶段，氧含量的降低对热分解的第3阶段具有较大的影响。Régnier等[7]采用动力学方法分析碳纤维/环氧复合材料在不同气体环境的热解性能。研究表明：在空气中的材料的热重损失可分为3个过程，而在氮气中可分为2个过程。本实验以国产某型号民机壁板材料为研究对象，利用锥形量热仪及热重分析仪等，研究夹层结构面板和蜂窝芯材的热解特性及燃烧特性，为研发民机壁板材料，提高耐火性能提供支持，为我国民机内饰材料防火适航标准的制/修订提供参考。1实验部分1.1主要原料国产某型客机内部壁板，尺寸为100 mm×100 mm，上下面板材料为酚醛树脂/玻璃纤维，夹层材料为芳纶蜂窝芯，中航通飞研究院有限公司。1.2仪器与设备锥形量热仪，Motis-CCT，昆山莫帝斯燃烧技术仪器有限公司；热重分析仪(TG)，TGA-400，美国PerkinElmer公司。1.3性能测试与表征TG测试：将壁板在90 ℃干燥箱中干燥8 h，称取适量的面板与蜂窝芯材料，空气气氛下，设置恒定的升温速率分别为15、20、25、30 ℃/min，从室温加热至900 ℃。锥形量热测试：按ISO5660-1:2015进行测试，热辐射强度选取30、35、40、50 kW/m2。2结果与讨论2.1热解机理分析2.1.1TG分析图1为蜂窝芯材料的TG和DTG曲线。从图1可以看出，TG曲线在不同升温速率下均只有1个热解阶段，其初始热解温度在不同升温速率下从433 ℃提升至473 ℃，终止温度从647 ℃提升至742 ℃。随着升温速率的提高，初始热解温度和终止温度具有显著提升，而质量损失速率的峰值随升温速率的提升而减小。初始热解时由于释放蜂窝芯中分子间的结合水而升高温度，使芳纶吸收足够的热量，分子链发生断裂和分解，导致剧烈的降解、碳化以及交联等复杂反应，其质量明显损失[8]。图1蜂窝芯材料的TG和DTG曲线Fig.1TG and DTG curves of honeycomb core materials10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.F1a1（a）TG曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.F1a2（b）DTG曲线图2为酚醛树脂/玻璃纤维面板材料的TG和DTG曲线。图2酚醛树脂/玻璃纤维面板材料的TG和DTG曲线Fig.2TG and DTG curves of phenolic resin/fiber glass panel material10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.F2a1（a）TG曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.F2a2（b）DTG曲线从图2可以看出，在不同升温速率下，面板材料TG曲线出现2个热分解阶段，200 ℃以内为面板材料中水分的蒸发和未反应单体的释放，与面板材料本身质量减少无关，故不参与讨论。在600~800 ℃时DTG曲线出现峰值，可能是面板材料热分解阶段的最大失重温度。初始热解温度在475~503 ℃，终止热解温度在689~795 ℃，质量损失约为20%。随着升温速率升高，初始热解温度和终止温度均升高，而质量损失速率的峰值减小。在475~795 ℃区间内随着温度的升高，主体结构开始分解，酚醛树脂结构中的酚羟基与亚甲基通过缩合反应，释放H2O分子，苯环相连的亚甲基桥键和醚键断裂，与芳环中C—H键断裂后发生复杂反应产生气体，苯环逐渐融合形成石墨碳结构与氧气发生反应[9]。77%的残炭为玻璃纤维。2.1.2微分法热解动力学分析微分法又叫Kissinger法，热解动力学计算公式为：dαdt=kf(α) （1）k=Aexp(-E/RT) （2）f(α)=(1-α)n （3）由式（1）、式（2）、式（3）得到的方程为：dαdt=Aexp(-E/RT)(1-α)n （4）对式（4）方程两边进行微分，T=Tp时，当ddtdαdt=0，得到方程为：EdTdtRTp2=An(1-αp)n-1exp(-E/RTp) （5）n(1-αp)n-1与β无关，其近似值等于1，式（5）转化的方程为：EβRTp2=Aexp(-E/RTp) （6）对式（6）取对数得到Kissinger方程为:lnβTp2=lnAkREk-EkR1Tpi；i=1,2···6（7）式（1）~式（7）中：α为转化率，%；f(α)为反应机理函数的微分形式；t为时间，s；k反应速率常数；n为反应级数；Ak为指前因子；β为升温速率，℃/min；Ek为活化能，kJ/mol；Tpi为最大失重速率对应的温度，℃；R为气体常数。由lnβi/Tpi2对1/Tpi作图，得到1条直线，利用直线的斜率求Ek，从截距中求得Ak。图3为蜂窝芯材料和酚醛树脂/玻璃纤维面板材料热解过程中lnβi/Tpi2与1/Tpi的关系曲线。表1为Kissinger法计算材料热解动力学参数。从表1可以看出，蜂窝芯材料表观活化能为66.952 kJ/mol，酚醛树脂/玻璃纤维面板材料热解阶段的表观活化能为76.896 kJ/mol。由此表明酚醛树脂/玻璃纤维面板材料的热稳定性强于蜂窝芯材料。图3蜂窝芯材料和酚醛树脂/玻璃纤维面板材料热解过程中lnβi/Tpi2与1/Tpi的关系曲线Fig.3The relation curve between lnβi/Tpi2 and 1/Tpi in pyrolysis process of honeycomb core material and phenolic resin/glass fiber panel material10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.F3a1（a）蜂窝芯材料10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.F3a2（b）酚醛树脂/玻璃纤维面板材料10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.T001表1Kissinger法计算材料热解动力学参数Tab.1Pyrolysis kinetic parameters of material calculated by Kissinger method实验材料升温速率/（℃‧min-1）k=-E/REk/（kJ‧mol-1）lnAk蜂窝芯15202530-8.05366.9520.455面板15-9.24976.8961.7762025302.2燃烧特性分析2.2.1点燃时间与燃烧时长点燃时间和燃烧时长是反应材料燃烧性能、火灾危险性的重要参数，可近似表现材料的可燃性。材料的点燃时间越短、火灾风险越高，可燃性就越强[10]。表2为不同热辐射强度下壁板材料的点燃时间和燃烧时长。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.T002表2不同热辐射强度下壁板材料的点燃时间和燃烧时长Tab.2Ignition time and burning time of panel material under different thermal radiation intendity热辐射强度/（kW‧m-2）点燃时间/s燃烧时长/s3073638357056040593555048206从表2可以看出，随着热辐射强度的增加，壁板的点燃时间与燃烧时长均呈现缩短的趋势，相比点燃时间，燃烧时长降低程度更明显。热辐射强度从30 kW/m2增加至50 kW/m2，燃烧时长缩短约68%，点燃时间缩短34%。点燃时间的长短主要取决于材料受热辐射过程中CO、NH3等可燃性气体释放速度。热辐射强度越高，加速材料受热分解，释放可燃性气体的速度越快，从而减少材料的点燃时间。材料的燃烧时长主要取决于热分解和燃烧反应的速度。热辐射强度增强后，材料和环境中热量增加，促进热分解和燃烧反应进行，故燃烧时长随热辐射强度增加而减少。2.2.2热释放速率热释放速率(HRR)可反映材料在单位时间燃烧时释放的热量，HRR越大热反馈越强烈，加速材料热解，加速火焰传播。图4为不同热辐射下壁板材料的HRR。从图4可以看出，壁板材料燃烧的HRR随着热辐射强度的升高而增大，并出现2个峰值，第1个峰值出现的时间随着热辐射强度的升高而提前，第2个峰值出现时间随着热辐射强度的升高而先延长后提前，热辐射强度从30 kW/m2增至50 kW/m2时，第1个峰的峰值从20.33 kW/m2增至43.52 kW/m2；第2个峰的峰值从3.28 kW/m2增至47.36 kW/m2，且峰值提升较显著。壁板材料受热辐射的持续作用，聚集的热量使酚醛树脂/玻璃纤维面板中酚醛主链上侧基弱键开始断裂，部分酚醛主链上侧基弱键的断裂速度超过主链的裂解反应速度，使少量酚醛主链以碳的形式保留。此炭层具有一定的阻燃作用，可以有效防止火焰继续蔓延和燃烧[11]，故酚醛树脂/玻璃纤维面板材料在热辐射强度较低时不燃烧，此时中层的蜂窝芯逐渐分解释放可燃气体。当可燃气体浓度达到一定值，蜂窝芯开始燃烧，释放大量的热，此时的HRR曲线达到第1个峰值。随着热辐射强度的提高，受辐射热源的作用，酚醛树脂剧烈热解，产生的炭层较薄，无法完全阻隔热源，最终热解产生的大量可燃气体冲破炭层，并迅速扩散至火焰区域，使本不参与燃烧的炭层共同参与燃烧反应[11]，使壁板材料的HRR达到第2个峰值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.F004图4不同热辐射强度壁板材料的HRRFig.4HRR of panel materials under different thermal radiation intensity图5为不同热辐射强度下壁板材料燃烧后的残余物。从图5可以看出，30 kW/m2和35 kW/m2时壁板表面酚醛树脂/玻璃纤维形成炭层，其热辐射强度并不能使酚醛树脂/玻璃纤维分解完全，释放足够的可燃气体，造成剧烈燃烧。面板材料中的玻璃纤维是无机纤维，具有不燃特性，当玻璃纤维受火焰燃烧，可以起隔绝空气的作用，阻止火焰穿过并吸收大量的热量，造成HRR的第2个峰的峰值减小。随着热辐射强度的增加，酚醛树脂/玻璃纤维面板被点燃，将释放大量的热量，HRR显著提升。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.F005图5不同热辐射强度壁板材料燃烧残余物Fig.5Combustion residue of panel materials under different thermal radiation intensity2.2.3气体含量飞机内部为密闭空间，一旦舱内发生火灾产生大量的CO、CO2，同时消耗舱内的O2。CO、CO2浓度过高阻碍救援工作的进行，高浓度CO还容易引起民机燃烧、爆炸、复燃等，探究壁板材料燃烧后的气体释放量具有重要意义。图6为不同热辐射强度下壁板材料燃烧中O2、CO、CO2的体积分数。从图6a可以看出，反应过程中一直消耗O2，O2的消耗量随着热辐射的增强而增大。热辐射强度为30 kW/m2和35 kW/m2时，主要是蜂窝芯材料参与燃烧反应，消耗O2较少，只有1个峰。热辐射强度为40 kW/m2、50 kW/m2时出现2个峰值，是酚醛树脂/玻璃纤维面板发生剧烈燃烧而产生第2个峰。热辐射强度从35 kW/m2提高至50 kW/m2，O2的体积分数的消耗量峰值从0.03%增至0.13%，增长约4倍。从图6b、图6c可以看出，CO和CO2的体积分数在热辐射强度为30 kW/m2和35 kW/m2时出现1个峰值，由于热辐射强度较低，主要是蜂窝芯材料发生燃烧，释放的气体较少。热辐射强度为40 kW/m2、50 kW/m2时，热分解过程中均出现2个峰值，由于酚醛树脂/玻璃纤维也参与燃烧释放可燃气体，此时主要产物是CO和CO2，CO和CO2含量逐渐达到第1次峰值。随着环境中CO含量的增加和热量的增加，CO燃烧生成CO2，使CO2含量达到第2个峰值，第2个的峰值比第1个高。当火焰熄灭后，壁板材料中碳和空气不完全燃烧，继续生成CO，使CO含量达到第2个峰值，直至反应结束。热辐射强度从35 kW/m2提高至50 kW/m2，生成CO的体积分数从0.001%提升至0.005%，生成CO2的体积分数从0.005%提升至0.064%。图6不同热辐射强度时O2、CO、CO2的体积分数Fig.6The volume fraction of O2, CO and CO2 under different thermal radiation intensity10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.F6a1（a）O2的体积分数10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.F6a2（b）CO的体积分数10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.006.F6a3（c）CO2的体积分数3结论利用锥形量热仪和热重分析仪探究民机酚醛树脂/玻璃纤维复合材料夹层板的燃烧特性和热解机理得出以下结论：（1）升温速率对酚醛树脂/玻璃纤维面板材料和蜂窝芯材料热解过程影响较大。随着升温速率的提高，初始热解温度和终止热解温度均逐渐升高，热失重速率逐渐减小。（2）采用Kissinger法计算活化能，表明蜂窝芯材料在热解过程中酚醛树脂/玻璃纤维材料面板的热稳定性强于蜂窝芯。（3）热辐射强度从30 kW/m2增至50 kW/m2时，壁板材料的点燃时间与燃烧时长均逐渐缩短，燃烧时长缩短约68%，点燃时间缩短34%。（4）热辐射强度对壁板材料热释放影响显著，热辐射强度从30 kW/m2增至50 kW/m2时，第1个峰值从20.33 kW/m2增至43.52 kW/m2，第2个峰值从3.28 kW/m2增至47.36 /m2。（5）在壁板材料燃烧过程中O2一直被消耗，O2的消耗量和CO、CO2的生成量均随着热辐射强度的升高而增大，从35 kW/m2提高至50 kW/m2，O2消耗量峰值增长约4倍，生成CO的体积分数从0.001%提升至0.005%，生成CO2的体积分数从0.005%提升至0.064%。