酚醛树脂具有成本低、易获得，生产工艺简单等特点，也具有耐热性好、阻燃性好、低烟雾等优点，常用作烧蚀类热防护材料，在航空航天工业中广泛应用[1-3]。但普通酚醛树脂的使用温度有限，通常不超过200 ℃[4]。因此，研究人员对酚醛树脂进行大量改进实验。碳纤维/酚醛树脂复合材料具有较高的力学性能、较好的成型工艺和良好的防热效果，可应用于飞行器的热防护结构中[5]。在燃烧过程中形成完整和稳定的炭层可阻隔热量，保护材料的背火面，降低整体燃烧速率[6]。张衍等[7]研究表明：高残炭酚醛树脂的热分解温度较高，在700 ℃下的残炭率超过75%。说明高残炭酚醛树脂的热稳定性和耐烧蚀性能比传统烧蚀酚醛树脂好。Chen等[8]采用锥形量热仪研究了纤维增强酚醛复合材料的点火和燃烧特性。测量点火时间、质量损失和质量损失率、热释放速率以及二氧化碳和一氧化碳的浓度，材料在热辐射强度为30 kW/m2时未被点燃。Wang等[9]采用锥形量热和热重法研究了环氧树脂基体和碳纤维/环氧复合材料的热解特性、燃烧特性和反应动力学。Ma等[10]分别利用热重仪和固定床反应器，研究纤维/环氧树脂复合材料中环氧树脂的氧化热解行为。Chen等[11]采用热重分析(TG)、原位傅里叶变换红外(FTIR)和在线TG-FTIR质谱(MS)分析方法，研究一种典型废热固性塑料酚醛纤维增强塑料（酚醛玻璃钢）的热解动力学、挥发产物和反应机理。目前有许多学者研究不同类别的复合材料的燃烧特性和热解特性及其规律，对碳纤维/酚醛树脂复合材料的燃烧特性的研究较少。民用客机上的材料需要通过严格的防火适航验证才能够使用，碳纤维/酚醛树脂复合材料的防火性能缺乏系统测试。本实验采用锥形量热仪对不同火灾环境下碳纤维/酚醛树脂复合材料的燃烧特性进行测试，探究点燃所需热辐射强度临界值、烟气释放量、热释放速率、质量损失速率，通过这些参数计算火灾危险性，为民用客机复合材料防火适航提供数据参考。1实验部分1.1主要原料某飞机框架部位用碳纤维/酚醛树脂复合材料，ML6038/300T，复合材料纤维体积分数为62%，采用热压罐工艺制备，材料铺层角度为0，材料厚度2 mm，优普特科技有限公司。1.2仪器与设备锥形量热仪，FTT-0242，广州欧美大地仪器设备有限公司。1.3性能测试与表征燃烧性能和烟释放量测试：按ISO 5660-1—2015进行测试，电火花点火，热辐射强度选取25、35、50 kW/m2。2结果与分析讨论2.1烟气分析图1为碳纤维/酚醛树脂复合材料在不同热辐射强度下CO、CO2含量变化。图1碳纤维/酚醛树脂复合材料不同热辐射强度下CO和CO2含量变化Fig.1Changes of CO and CO2 content of carbon fiber/phenolic resin composites under different thermal radiation intensities10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.010.F1a1(a)CO生成速率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.010.F1a2(b)CO2生成速率从图1a可以看出，热辐射强度为25 kW/m2和35 kW/m2时，碳纤维/酚醛树脂复合材料未燃烧，出现微弱热解。热辐射强度为50 kW/m2时，碳纤维/酚醛树脂复合材料发生燃烧，此时主要产物是CO和CO2。2.2热释放速率分析热释放速率(HRR)是火行为中重要的参数之一，对火焰蔓延过程的发生和发展起关键作用。图2为碳纤维/酚醛树脂复合材料的HRR曲线。表1为不同热辐射强度下碳纤维/酚醛树脂复合材料的燃烧特性参数。从图2和表1可以看出，热辐射强度为25 kW/m²和35 kW/m²时，碳纤维/酚醛树脂复合材料均未发生燃烧，热辐射强度对碳纤维/酚醛树脂复合材料影响不明显。热辐射强度为50 kW/m²时，碳纤维/酚醛树脂复合材料在220 s达到pkHRR，为25.1 kW/m²。碳纤维/酚醛树脂复合材料受热辐射作用，聚集的热量使碳纤维/酚醛树脂复合材料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，此炭层可以有效防止火焰继续蔓延和燃烧[12-13]，故碳纤维/酚醛树脂复合材料在热辐射强度较低时未发生燃烧，此时中层的酚醛树脂逐渐分解释放可燃气体。随着热辐射强度的增加，酚醛树脂热解剧烈，形成炭层不足以完全阻隔热量，酚醛树脂开始燃烧。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.010.F002图2碳纤维/酚醛树脂复合材料的HRR曲线Fig.2HRR curves of carbon fiber/phenolic resin composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.010.T001表1不同热辐射强度下碳纤维/酚醛树脂复合材料的燃烧特性参数Tab.1Combustion characteristic parameters of carbon fiber/phenolic resin composites under different thermal radiation intensities热辐射强度/（kW‧m-²）热释放速率峰值（pkHRR）/（kW‧m-²）达到峰值时间/s点燃时间/s254.0139未点燃356.1566未点燃5025.12201412.3质量损失分析质量损失用于评价与分析火灾后安全性的重要参数之一。通常，质量损失速率随时间在不同热辐射强度下的变化趋势与热释放速率变化趋势相似。图3为碳纤维/酚醛树脂复合材料在不同热辐射强度下的质量损失速率曲线。从图3可以看出，在试验初期质量损失速率曲线出现峰值主要是由水分蒸发引起。在热辐射强度为25 kW/m²和35 kW/m²时，碳纤维/酚醛树脂复合材料未发生燃烧，且热辐射强度较低，几乎没有质量损失。在热辐射强度为50 kW/m²时，碳纤维/酚醛树脂复合材料燃烧，在200 s左右质量损失速率达到最大。由于酚醛树脂基体的分解而使质量损失率达到峰值，随着碳纤维丝束和燃烧后形成的炭层对酚醛树脂基体的抑制作用，质量损失速率随时间的延长不断减小至平稳无变化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.010.F003图3碳纤维/酚醛树脂复合材料在不同热辐射强度下的质量损失速率曲线Fig.3Mass loss rate curves of carbon fiber/phenolic resin composites at different thermal radiation intensities2.4火灾危险性评估普遍采用HRR和pkHRR衡量火灾时材料的危险性，仅依靠这两个参数不能全面衡量材料的危险性[14-15]。众多学者对锥形量热仪的参数进行优化，提出火灾性能指数(FPI)（点燃时间与热释放速率峰值之比）和火灾增长指数(FGI)（热释放速率峰值与到达峰值的时间之比）[16-17]。FPI、FGI的计算公式为：FPI=TipkHRR （1）FGI=pkHRRTx （2）式（1）、式（2）中：pkHRR为热释放速率峰值，kW/m²；Ti为点燃时间，s；Tx为峰值到达时间，s。表2为碳纤维/酚醛树脂复合材料在不同热辐射强度下FPI和FGI。在热辐射强度为25 kW/m²和35 kW/m²时，碳纤维/酚醛树脂复合材料没有发生燃烧，故点燃时间取试验时长600 s。从表2可以看出，当热辐射强度增加至50 kW/m²，碳纤维/酚醛树脂材料的FPI值为5.62，FGI为0.11。热辐射强度增强后，火势增长更快、危险性更大。在试验过程中，对不同热辐射强度下材料的试验现象进行观察，热辐射强度增加后，材料由不燃到燃烧，火焰高度增加且火势增长加快。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.010.T002表2碳纤维/酚醛树脂复合材料的FPI和FGITab.2FPI and FGI of carbon fiber/phenolic resin composites热辐射强度/（kW‧m-²）FPIFGI25150.000.033558.250.01505.620.11图4为不同热辐射强度下碳纤维/酚醛树脂复合材料的反应残余物。从图4可以看出，热辐射强度增至50 kW/m²时，碳纤维/酚醛树脂复合材料表面形成清晰的炭层，表明破坏程度大。试验结果与FPI、FGI指标结果相符合，即热辐射强度增大后火灾危险性更大。图4不同热辐射强度下碳纤维/酚醛树脂复合材料的反应残余物Fig.4Reaction residues of carbon fiber/phenolic resin composites with different thermal radiation intensities10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.010.F4a1(a)试验前样品形貌10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.010.F4a2(b)25 kW/m²下残余物10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.010.F4a3(c)35 kW/m²下残余物10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.010.F4a4(d)50 kW/m²下残余物3结论（1）热辐射强度为25 kW/m2和35 kW/m2时，碳纤维/酚醛树脂复合材料未燃烧。热辐射强度为50 kW/m2时，碳纤维/酚醛树脂复合材料发生燃烧。说明碳纤维/酚醛树脂复合材料具有一定的耐烧蚀性。（2）热辐射强度增至50 kW/m²时，碳纤维/酚醛树脂复合材料的点燃时间达到141 s，热释放速率峰值达到25.1 kW/m²；质量损失速率随着时间的延长先增加后减小；酚醛树脂材料的FPI值降至5.62，FGI值增至0.11。碳纤维/酚醛树脂复合材料燃烧后出现明显炭层。说明热辐射强度增大，复合材料的火灾危险性变大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.010.F005