工程与试验ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＴＥＳＴ 酚醛阻燃复合材料在民用飞机上的应用 杨雪梅 （中国商飞上海飞机设计研究院标准材料设计研究部，上海２０１２１０） 摘要：舱内阻燃复合材料是现代民用飞机的关键材料之一，目前正朝着高效阻燃、低烟、低毒（Ｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｙ， Ｓｍｏｋｅ，Ｔｏｘｉｃｉｔｙ，简称ＦＳＴ）、低成本和高工艺性能的方向快速发展。酚醛阻燃复合材料作为一种新型的ＦＳＴ材料， 目前已广泛应用于先进民用飞机的舱内部件。 关键词：酚醛复合材料；阻燃；民用飞机 中图分类号：Ｖ２５８ 文献标识码：Ｂ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—３４０７．２０１５．０３．００９ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌａｍｅ Ｒｅｔａｒｄａｎｔ Ｐｈｅｎｏｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｏ Ｃｉｖｉｌ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｙａｎｇ Ｘｕｅｍｅｉ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｉｒｃｒａｔｆ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＯＭＡＣ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｌａｍｅ ｒｅｔａｒｄａｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔｓ． Ｎｏｗ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｆａｓｔ ｔｏｗａｒｄｓ ｈｉｇｈ ｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗ ｓｍｏｋｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｏｘｉｃｉｔｙ （ＦＳＴ），ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ａｉｒｃｒａｆｔ ａｓ ａ ｎｅｗ ＦＳＴ ｍａｔｅｒｉａ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｆｌａｍｅ ｒｅｔａｒｄａｎｔ；ｃｉｖｉｌ ａｉｃｒｒａｆｔ 员在飞机全面着火前以最短的时间撤离。这就要求 １ 引 言 为了飞机减重和提高装饰件的工艺性能，在现 代民用飞机的舱内装饰中，使用了大量的复合材料。 复合材料在飞机上的大量使用，增加了飞机的火灾 风险性，尤其在飞机碰撞后所产生的火势蔓延到复 合材料时，这些复合材料将迅速燃烧，产生的大量热 量、烟气、毒气和固体颗粒都会对机上人员造成极大 的伤害。 为了进一步提高飞机的安全性，防止飞机碰撞后 舱内装饰用复合材料必须满足阻燃和防火要求…。 舱内阻燃复合材料是现代民用飞机的关键材料 之一，目前正朝着高效阻燃、低烟、低毒、低成本和高 工艺性能的方向快速发展。酚醛复合材料除了具有 其它材料不可比拟的高效阻燃、低发烟和低毒雾性 能外，其热机械性能也优于聚酯、环氧等复合材料。 近年来，酚醛树脂复合材料已跻身于高性能复 合材料行列，作为一种具有最佳性能价格比的阻燃 材料，在欧美受到了极大重视，已经广泛用于先进客 机的地板、壁板、天花板、隔墙、行李舱、货舱内衬等 部位，对提高飞机的安全性能和减轻飞机重量以实 现低运行成本化起着至关重要的作用。 目前，波音和空客等飞机制造公司均采用阻燃 所产生的火势从外部向飞机内部蔓延，最有效的方法 是在设计飞机时采用具有良好阻燃和防火性能的材 料，以确保飞机在坠撞时，座舱为“可存活的坠撞环 境”，为机上人员疏散提供时间，使飞机内部不会在顷 刻间燃烧；确保座舱为“快速疏散通道”，保证机上人 ［收稿日期］２０１５—０５—２５ ［作者简介］杨雪梅（１９８２一），女，陕西商洛人，硕士研究生，工程师。 ・酚醛复合材料制造其先进客机的内饰构件，占整个 飞机内饰ＦＳＴ材料的８０％一９０％。 ３０・ 杨雪梅：酚醛阻燃复合材料在民用飞机上的应用 燃烧时产生亮的烟雾，发烟量很小。有焰燃烧只出 ２酚醛复合材料的阻燃机理 大量研究成果表明，聚合物的易燃性与其燃烧 时的成炭量有直接关系。聚合物燃烧时生成的炭 现在初期有挥发物时，此后在火源作用下只有灼烧。 而环氧和不饱和聚酯树脂比酚醛炭化得少，可 继续在火焰中燃烧，而且基于脂肪族化合物的结构 可产生更多的烟气。另一方面，酚醛树脂的机械性 层，可显著改善材料的阻燃性。这是因为：（１）成炭 能使可燃裂解产物避免转换成气体燃料，从而抑制 聚合物的燃烧。（２）成炭过程往往伴随有水的生 能却比其它热固性聚合物差，不适合用在承重结构 中，而环氧则因其非常高的机械强度而用在承重结 构中。因此，现代民用飞机使用环氧复合材料作为 成，气体燃料可被高比热容的不可燃水蒸气稀释，降 承重结构，酚醛复合材料则作为舱内材料使用。 低燃烧概率。（３）炭化作用可形成一层热传导的壁 垒，从而可以保护下层的聚合物。（４）形成炭层的 作用经常是吸热反应，有利于降低环境温度。 酚醛树脂在分解时具有较高的热稳定性和较强 的炭化趋势，因此不易点燃。其通式为： 从分子结构上来看，酚醛树脂在交联固化状态 下含有大量的芳香环结构，在热裂解断链过程中，这 些芳香环能交联生成大量的炭，并把自己密封于炭 中，在火源移开后可立即熄灭，而且不会产生太多烟 气。其热解过程如下： （１）酚醛树脂在３００℃以上开始显著分解。在 空气气氛中，亚甲基桥键转变成氢过氧化物，进一步 引发分解，生成醇和酮类化合物。而酮特别容易发 生无规断裂。这一阶段的分解伴随着显著的密度降 低，但收缩不大。 （２）温度达到约６００ｏＣ时，大部分挥发物是水、 ＣＯ、ＣＯ 和酚类化合物。这一阶段的分解则收缩较 大，产生大量的水、ＣＯ、ＣＯ 、甲烷和芳香化合物。在 惰性气氛中热解产生大量的多芳香环炭，约占原树 脂质量的６０％。在空气气氛中分解，炭的含量要低 得多。这些炭在９００℃以上的空气中能被点燃。 试验研究表明，在空气气氛下加热速率为 ３．３￣Ｃ／ｍｉｎ的ＴＧＡ试验中，炭的含量达５０％一６０％， 质量损失在４２７。【＝下为１０％，所有的分解都是氧化 分解，氧来自于聚合物本身 ｊ。 可见，酚醛树脂燃烧过程中的裂解产物主要是 甲烷、丙醇、甲基酚、二甲基酚。另外，酚醛树脂不容 易燃烧，离开火源便自熄。其氧指数约为２８％，比 许多聚合物要高。在强制点燃下，酚醛树脂会燃烧， 聚合物与玻璃纤维等耐燃的无机纤维复合，可 进一步提高其阻燃性能。 Ｇｉｌｗｅｅ等 在氮气保护气氛中，根据ＴＧＡ曲 线得到一些树脂和石墨复合材料的极限氧指数与成 炭量，试验结果如表１所示。结果表明，极限氧指数 与成炭量存在着线性关系，石墨增强复合层压板也 存在类似的关系。这表明，复合材料结构的燃烧行 为与整体树脂聚合物相似，炭的形成决定着复合材 料的易燃性。 表１在氮气保护气氛中，根据ＴＧＡ曲线得到的成炭量 和极限氧指数（ＬＯＩｌ ８００￣Ｃ下的成炭量ＬＯＩ（％） 张鹏飞等Ｍ 根据ＦＡＲ２５．８５３飞机材料的燃烧 试验方法，使用５０ｋＷ／ｍ 的甲烷喷灯对舱内装饰复 合材料和结构复合材料的燃烧性能分别进行测试， 部分试验结果如表２所示。可以看出，与环氧复合 材料相比，酚醛复合材料的在５０ｋＷ／ｍ 热流密度中 的点燃时间更长，氧指数更大，最大热释放值、平均 热释放值和总能量更低。这意味着酚醛复合材料的 阻燃性能优于环氧复合材料。 表２酚醛复合材料和环氧复合材料在５０ｋＷ／ｍ 热流密度 中的燃烧特性 热释放最大值平均热释放值总能摄 材料 点燃时间氧指数 ｋＷ／ｍ ｋｗ／ｍ ＭＪ Ｋｏｕｒｔｉｄｅｓ等 。 测量了几种热固性树脂及其复 ・３１・ 王贵宾，等：曲柄连杆（滑块）机构在疲劳试验机中的应用 （３）加载频率：１００—１０００ ７欠／分 ６．２试验台主要技术参数 （１）最大扭矩：３０００ Ｎ・ｍ （２）试验频率：４２０—１２００ ｒｐｍ （３）最大扭转角度：±３０。 还能举出很多应用实例，这里就不再多举了。 ６从动盘盖总成扭转耐久性试验台 ６．１试验台结构原理 试验台结构原理如图８所示，被试从动盘的花 键套装入轴２的花键轴端，把从动盘固定在工作台 上。曲柄连杆机构的摆杆使轴２往复转动，对从动 盘施加交变扭转载荷。 ｌ ２ ３ ７结束语 从所举实例可明显看出，曲柄连杆机构在疲劳 试验机中只能做衡振幅试验。实际上，曲柄连杆机 构也可以设计成恒载荷机构，今后将继续探讨。 参考文献 ［１］南京工学院，西安交通大学．理论力学［Ｍ］．人民教育出 版社，１９７８． ［２］西北工业大学，等．机械原理［Ｍ］．人民教育出版社， １９６０． ［３］［苏］Ｂ．巾．谢加里．内燃机动力计算［Ｍ］．机械工业出版 社，１９８０． １．试样２．主轴３．摆杆４．连杆５．曲柄 ［４］ＱＣ／￣７—９２汽车离合器台架试验方法［Ｓ］． ［５］ＪＢ３９４０—８５汽车离合器性能要求［Ｓ］． 图８试验台结构原理 计和使用要求。 ５ 结论 参考文献 （１）酚醛阻燃复合材料除具有其它材料不可比 拟的高效阻燃、低发烟和低毒性能外，其热机械性能 也优于聚酯、环氧等复合材料。近年来，酚醛阻燃复 合材料作为一种具有最佳性能价格比的阻燃材料， ［１］张维方．民用飞机舱内装饰与设备的适坠性研究［Ｊ］．民 用飞机设计与研究，２００９，（Ｉ）：５—９． ［２］张军，纪奎江，夏延致・聚合物燃烧与阻燃技术［Ｍ］・２００５ 已广 ：… （２）目前，波音和空客等飞机制造公司均采用 阻燃酚醛复合材料制造其先进客机的内饰构件，占 整个飞机内饰ＦＳＴ材料的８０—９０％，所使用的酚醛 至 ￣ｏ１．ｉ－ｉ ２００ 。 ，…～… ……一 产脆息， ……’ （１１） ４［４］张鹏飞，王旭．民航客机火灾风险浅析［Ｊ］．沈阳航空工 业学院学报，２０１０，２７（１）：７７—８０． 复合材料具有高效阻燃、低烟低毒、结构减重与承载 ［５］ＦＡＲ Ｐａｒｔ ２５ Ａｉｒｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ：Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｃａｔｅｇｏｒｙ ～、一一 一 阻燃性能和低烟低毒等安全性能方面存在较大差 耋 竺 苎 ．翌 ６ 高 ｉ ，殷荣忠，等．；酚醛树脂及其复合材料发展 ，４３． （ ３） ：３ ５－ 距，而且性能数据不全面，目前没有相关产品通过适 航认证并授权使用，还不能满足未来大型客机的设 ・１０３・