隔热隔音棉对碳纤维/环氧树脂抗烧穿特性的影响

Effect of Thermal and Acoustic Insulation Cotton on Burn-through Resistance of Carbon Fiber/Epoxy Resin

摘要

在300 s烧蚀时间下研究隔热隔音棉对碳纤维/环氧树脂抗烧穿特性的影响，并使用热重-差热同步分析仪分析其失重率，使用烟毒测试箱分析烟气成分和含量，测试的分解产物包括HCl、HCN、CO、CO₂、NO、NO₂、SO₂和HBr。结果表明：隔热隔音棉越厚，对复材平板的损伤程度越大，但隔热隔音棉会提升整体的抗烧穿能力。向碳纤维/环氧树脂中添加隔热隔音棉可以有效降低碳纤维/环氧树脂产生的NO浓度，但会增加其他有毒烟气浓度。研究旨在解决飞机乘员安全的相关问题，为飞机的防火设计和适航审定提供参考。

Abstract

The study investigates the effect of thermal and acoustic insulation cotton on the anti-ablation characteristics of carbon fiber/epoxy resin under an ablation time of 300 s. The weight loss rate was analyzed using a thermogravimetric-differential thermal analyzer, and the smoke composition and content were analyzed using a smoke toxicity test chamber. The decomposition products tested include HCl, HCN, CO, CO₂, NO₂, NO, SO₂ and HBr. The results show that the thicker the thermal and acoustic insulation cotton, the greater the damage to the composite material plate. However, the thermal and acoustic insulation cotton can enhance the overall ablation resistance. Adding thermal and acoustic insulation cotton to carbon fiber/epoxy resin can effectively reduce the concentration of NO produced by carbon fiber/epoxy resin but will increase the concentration of other toxic smoke gases. The research aims to address issues related to the safety of aircraft occupants and provide references for the fire protection design and airworthiness certification of aircraft.

Graphical abstract

关键词

隔热隔音棉 / 碳纤维/环氧树脂 / 抗烧穿特性 / 烟毒特性

Key words

Thermal and acoustic insulation cotton / Carbon fiber/epoxy resin / Burn-through resistance characteristics / Smoke toxicity characteristics

碳纤维增强树脂基复合材料是目前民用飞机上用量较大、航空航天等尖端科技领域发展较为成熟的先进复合材料^[1-3]。碳纤维/环氧复合材料兼具碳纤维和环氧树脂的特性，具有比重轻、强度高、弹性模量高、耐腐蚀性良好等优点，被广泛用于承力梁、整流罩、机翼、机尾、天花板、地板以及通航小飞机和无人机的外表蒙皮等民航飞机的承力结构与功能结构，大幅度提高了飞机的续航能力^[4-9]。民用客机的飞行安全性一直是航空安全的关注热点，为保证良好的隔热与隔声效果，在民用客机驾驶舱、客舱周边区域会使用大量的隔热隔声材料，以保障飞行安全性与乘客舒适性。然而，隔热隔声材料通常铺设于机组乘员难以直接接触的位置，一旦在高温明火或电火花点火条件下，客机使用的隔热隔声材料便具有点火风险，如果未能有效控制将导致空难^[10-11]。

随着复合材料应用范围持续扩大，其火灾风险及由此对环境和人体健康造成的危害已不容忽视^[12-14]，防火性能也因此被视为限制其在结构应用中广泛使用的重要因素。尽管复合材料的性能优越，但其有机基体与纤维在高温下仍具反应活性。复合材料在高温、火灾环境下发生分解，释放热量和烟雾，会导致力学性能下降，从而带来安全隐患^[15-16]。王天成^[17]采用两种不同超细玻璃纤维棉芯和4种不同包覆材料组合成的7种不同隔热隔音棉与碳纤维/环氧复合材料壁板组合，得出7种实验件试样。采用锥形量热测试分析各试样样品的阻燃性能；采用热差-差重测试分析热稳定性，并且通过Flynn-wall-Ozawa法进行热解动力学参数的计算，得出活化能(E)；通过烟密度测试以及烟毒性测试系统分析了各试样的发烟特性及烟毒性。HUANG等^[18]针对航空隔热材料阻燃特性，研究多层绝缘隔热材料的绝缘参数和传热性能。将有效热导率与实测数据进行拟合，计算得出等效辐射透射率，有效热导率的计算值与实测值之间的误差小于4%。WOO等^[19]为分析木粉-高密度聚乙烯(HDPE)复合材料的发烟特性，进行锥形量热仪测试和烟密度测试。锥形量热仪试验结果表明，添加阻燃剂试样的总烟气释放量低于木粉-HDPE复合材料；烟密度试验结果表明，与木粉-HDPE复合材料相比，添加阻燃剂试样的初始烟气数据更低，比光密度最大。WANG等^[20]为研究低压对货舱烧穿的影响并评估减压过程中的火灾危险，使用自行设计的耐燃试验台进行一系列货舱烧穿试验。结果表明：压力降低引起的火焰高度增加导致火焰与天花板上的货舱直接接触。随着火焰高度的增加，在衬板下方形成的天花板射流增加了与货衬的接触面，从而增加燃料底壳上方的火焰水平截面积。低压会导致火焰高度和高温火焰区域增加，从而导致高温火焰区域长时间与内胆板保持接触，从而导致内胆板更容易燃烧。

飞机事故火灾中产生的燃烧气体可能会对人体的呼吸系统和视觉能力产生不良影响，从而降低逃生能力。复合材料自身的可燃性和烟气释放特性增加了飞机火灾的危险性和复杂性^[21-22]。CHENG等^[23]认为，在火灾事故中，窒息性烟雾中毒是火灾死亡的主要原因。除高温烟气的热量对人体造成伤害并加速火灾蔓延外，火灾烟气中的大量有毒气体(如CO、HCl和HCN)，很容易引起中毒和窒息。浓烟还会影响人们的视线，降低能见度，影响疏散和救援。沈世元等^[24]深入探究复合材料壁板、隔热隔音棉及其组合结构的发烟特性，并进行严格的测试。结果表明：隔热隔音棉的加入显著提升了复合材料壁板的隔热效果，使背板冷侧的最高热流量大幅度下降。然而，复合材料在烧蚀过程中会产生高温且有毒的烟气。当这种材料被用作机身壁板时，产生的烟气可能穿透隔热隔音棉、客舱装饰壁板等结构，进入客舱内部。

隔热隔音棉因其超强的材质稳定性、防火性能和轻质化等特点，被用于航空航天等高新技术领域，隔热隔音棉的出现为复合材料添加阻燃剂增强防火性能提供了新的思路^[25-26]。本研究比较分析了300 s烧蚀时间下碳纤维/环氧树脂在添加隔热隔音棉前后的抗烧穿特性。利用热重实验比较其失重率，进一步分析隔热隔音棉对碳纤维/环氧树脂抗烧穿特性的影响，并分析300 s烧蚀时间下的烟气成分和含量，测试的分解产物包括HCl、HCN、CO、CO₂、NO、NO₂、SO₂和HBr。本研究旨在解决飞机乘员安全的相关问题，为飞机的防火设计和适航审定提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

某飞机机身碳纤维/环氧树脂复合材料，CMS-CP-309，碳纤维体积分数62%，材料铺层角度为0，材料厚度为2.4 mm，切割成40 mm×40 mm的尺寸；隔热隔音棉，由2层耐火焰蔓延包覆膜(CMS-PL-908)和3层玻璃纤维棉(CMS-TT-301)组成，优普特科技有限公司。表1为抗烧穿特性试验试样的铺层方式。

1.2 仪器与设备

烟毒性测试箱，NES713，费尔曼安全科技有限公司；温度采集器，HIOKI，日本日置电机株式会社；热重-差热同步分析仪，DTG-60(AH)，日本岛津公司；比色管，GASTEC，科斯特气体技术有限公司；气体抽取器，GV-100S，申贝科学仪器有限公司。

1.3 性能测试与表征

抗烧穿试验：采用烟毒性测试箱，调节火焰温度为(1 000±50) ℃，对试样进行抗烧穿试验，测量背火面、中间层和迎火面温度，比较300 s烧蚀时间下添加隔热隔音棉前后的碳纤维/环氧树脂的抗烧穿特性。

TG测试：采用热重-差热同步分析仪进行测试，设置升温速率为20 ℃/min，空气气氛，温度范围为35~800 ℃，对抗烧穿实验后的试样1、试样3、试样4进行剖切，并裁剪4~5 mg试样，然后进行热重实验分析，比较其失重率，进一步分析隔热隔音棉对碳纤维/环氧树脂抗烧穿特性的影响。

烟气浓度测试：使用烟毒性测试箱分别测量添加不同厚度的隔热隔音棉前后，碳纤维/环氧树脂在抗烧穿过程中产生的8种有毒气体浓度。

2 结果与讨论

2.1 抗烧穿特性研究

2.1.1 隔热隔音棉对复合材料抗烧穿特性的影响

将试样用夹具固定后放入测试箱中，在实验温度(1 000±50) ℃的工况下，分别进行300 s时长的烧蚀实验。图1为试样1、试样3、试样4中复材平板在300 s烧蚀时间后的背火面形貌。从图1可以看出，经过300 s的烧蚀时间后，试样1复材平板背火面中心区域开始开裂，出现大量与碳纤维铺设方向一致的缝隙，纤维层表面大量炭化。与未加隔热隔音棉的试样1相比，试样3复材平板表面黏附部分炭化的隔热隔音棉，纤维的破裂程度更加严重，纤维层表面达到完全炭化的状态。对比试样3和试样4可知，随着隔热隔音棉厚度的增加，复材平板的损毁和炭化进一步加重，纤维之间的缝隙更大，与隔热隔音棉粘连更紧密。

图2为试样1、试样3在300 s烧蚀时间内的背火面、中间层和迎火面的温度变化。从图2可以看出，点火后，迎火面和背火面温度呈持续上升趋势，迎火面温度快速达到1 050 ℃左右，背火面温度上升至某一稳定温度后基本趋于稳定。试样1复材平板的背火面温度在0~25 s时迅速上升，随后上升趋势减缓，在300 s时达到458 ℃。隔热隔音棉组合的试样3中间层温度在300 s时达到634 ℃，比试样1复材平板的背火面温度高176 ℃。这是由于隔热隔音棉具有一定的保温作用，且在复材平板背面阻碍了与空气的热量交换，即减少热量散失，致使平板整体温度急剧上升，环氧树脂燃烧得较为充分，复材平板中间层温度相较于无隔热隔音棉时的背火面温度有一定的上升，说明隔热隔音棉降低复材平板的抗火焰烧穿能力，与形貌观测结论一致。此外，试样3隔热隔音棉背火面温度在0~30 s时迅速上升，随后上升趋势减缓，在300 s时达到192 ℃，相比试样1复材平板背火面温度的458 ℃，降低了266 ℃。因此，在300 s烧蚀时间的试验条件下，隔热隔音棉虽会对复材平板的散热产生影响，加剧复材平板的炭化损毁，但可以显著降低试样背火面温度，说明添加隔热隔音棉对试样整体抗烧穿性能有明显的提升作用。

2.1.2 不同层数隔热隔音棉对复合材料抗烧穿特性的影响

将试样用夹具固定好放入测试箱中，在实验温度(1 000±50) ℃的工况下，分别进行300 s的烧蚀实验。图3为试样4在300 s烧蚀时间的背火面、中间层和迎火面的温度变化。从图3可以看出，点火后，迎火面和背火面温度呈持续上升趋势，迎火面温度快速达到1 050 ℃左右，背火面温度上升至某一稳定温度后基本趋于稳定。试样4复材平板的中间层温度在初始0~25 s时迅速上升，然后上升趋势减缓，在300 s时达到727 ℃，与试样3相比，试样4复材平板的中间层温度上升93 ℃。可以看出在300 s烧蚀时间的试验条件下，随着隔热隔音棉层数的增加，复材平板的中间层温度随之增加，说明隔热隔音棉厚度越厚，保温能力越强，致使复材平板的中间层温度较高，热量散失较少，损毁程度更严重。试样4隔热隔音棉背火面温度在0~30 s时迅速上升，随后上升趋势减缓，在300 s时达到185 ℃，与试样3隔热隔音棉背火面温度192 ℃相差不大。因此，在300 s烧蚀时间的试验条件下，隔热隔音棉厚度的增加并不能显著降低试样背火面温度，即再添加一层隔热隔音棉对试样整体抗烧穿性能提升不大。可以认为，在与隔热隔音棉组合的情况下，隔热隔音棉的厚度越大，复材平板的损伤程度越大并且中间层温度越高，但多添加一层隔热隔音棉对试样整体抗烧穿性能提升不大。

2.2 隔热隔音棉对复合材料损伤情况的影响

采用热重-差热同步分析仪，设置升温速率20 ℃/min，空气氛围，温度范围为35~800 ℃，选取烧蚀时间为300 s工况下的试样1、试样3、试样4进行对比分析，对3种试样进行剖切，对不同铺层进行热重实验分析。由于复材平板迎火面损毁较为严重，比较意义不大，故以碳纤维/环氧树脂复材平板的第8层铺层为研究重点，研究隔热隔音棉对复材损伤程度的影响。

图4为烧蚀时间为300 s工况下不同试样的TG曲线。从图4可以看出，在同一工况条件下，3种不同的组合试样在空气氛围下的TG曲线中均有两个明显失重阶段，即两个热解过程。第一阶段主要是随着温度的升高，不断聚集的热量迫使环氧树脂的主链发生随机断裂，环氧树脂中的酯键、醚键等弱键的热裂解导致了失重的发生。第二阶段主要是碳纤维的热解过程。试样1的初始热解温度为448 ℃，第一阶段失重率为11.33%；试样3的初始热解温度为480 ℃，第一阶段失重率为9.4%；试样4的初始热解温度为506 ℃，第一阶段失重率为7.0%。试样3与试样4的初始热解温度均高于未加隔热隔音棉的试样1，且失重率降低2%左右。这是由于隔热隔音棉阻碍了复材平板背火面热量的散失，具有一定的保温作用，致使热量加速积聚，导致复材平板烧蚀损伤情况加剧，残余的环氧树脂含量减少，失重率下降。试样4的初始热解温度比试样3的初始热解温度落后约26 ℃，失重率降低约2.4%，这是由于试样4中的隔热隔音棉比试样3厚度大，保温效果更好，致使热量散失更加缓慢，损伤程度增加。

2.3 烟毒特性研究

碳纤维/环氧树脂复合材料主要是由C、H、O、N、S等多种元素成分组成，在燃烧过程中，环氧树脂分子化学键断裂会产生多种有毒气体，例如CO、CO₂、NO、NO₂、SO₂、HCN、HCl和HBr。

将试样用夹具固定好放入烟毒测试箱中，设定烧蚀时间为300 s。在烧蚀结束后，对比色管进行读数。表2为试样1、试样3、试样4在300 s烧蚀时间的有毒气体浓度。从表2可以看出，在3种烧蚀工况下，试样1在300 s工况下产生的CO、CO₂、NO、SO₂、HCN有毒气体浓度分别为120.0、15 000.0、50.0、13.0、12.5 mg/m³，试样3在300 s工况下产生的CO、CO₂、NO、NO₂、SO₂、HCN有毒气体浓度分别为300.0、20 000.0、32.0、2.5、15.0、34.0 mg/m³。对比试样1和试样3，在铺设隔热隔音棉后，CO、CO₂、SO₂、HCN气体浓度分别上升180.0、5 000.0、2、21.5 mg/m³，同时多出NO₂气体，SO₂浓度上升并不明显，NO气体浓度降低18 mg/m³，说明隔热隔音棉对NO气体的产生具有一定的抑制作用^[17]。对比试样3和试样4，烟气浓度随着隔热隔声棉的厚度增加而小幅度增长。综合分析发现，在铺设隔热隔音棉后，除NO外，产生的其他有毒烟气更多。这是由于隔热隔音棉可以防止复材平板背火面的热量散失以及加剧烟气聚集，致使复材平板损伤更加严重，环氧树脂大量燃烧，最终导致有毒烟气浓度的增加。

3 结论

对比试样1和试样3发现，添加隔热隔音棉后，试样3复材平板的中间层温度较未添加隔热隔音棉的试样1复材平板的背火面温度上升176 ℃，说明在与隔热隔音棉组合的情况下，对复材平板的散热影响更大，复材平板的损伤程度更大。添加隔热隔音棉组合后，试样整体背火面温度降低266 ℃，说明隔热隔音棉对试样整体抗烧穿性能有明显的提升。

对比试样3和试样4发现，试样4复材平板的中间层温度比试样3复材平板的中间层温度上升93 ℃。与两层隔热隔音棉组合后，试样整体背火面温度降低7 ℃，温度降低效果不明显，说明再添加一层隔热隔音棉对试样整体抗烧穿性能提升不大。

对试样1、试样3、试样4的TG曲线对比分析发现，在与隔热隔音棉组合之后，碳纤维/环氧树脂第一阶段失重率下降约2%，这说明复材壁板中的环氧树脂含量减少，隔热隔音棉加剧了复材壁板的损伤程度，且随着隔热隔音棉厚度的增加，碳纤维/环氧树脂第一阶段失重率继续下降，复材平板的损伤程度更加严重。

所有试样在试验条件下均产生了CO、CO₂、NO、SO₂和HCN这5种有毒气体，同时，试样3与试样4在300 s时产生了少量的NO₂气体。对比试样1，组合试样产生的NO气体含量较低，说明隔热隔音棉对NO气体的产生有一定的抑制作用，但组合试样产生的其他有毒气体的浓度均比试样1高，说明隔热隔音棉能阻止复合材料背火面的热量散失，加剧复合材料的损伤程度，致使有毒烟气浓度的增加。

参考文献

[1] 马立敏, 张嘉振, 岳广全, 等. 复合材料在新一代大型民用飞机中的应用[J]. 复合材料学报, 2015, 32(2): 317-322.

[2] GUO H, HUANG Y D, LIU L, et al. Effect of epoxy coatings on carbon fibers during manufacture of carbon fiber reinforced resin matrix composites[J]. Materials & Design, 2010, 31(3): 1186-1190.

[3] BORGES C, CHÍCHARO A, ARAÚJO A, et al. Designing of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) composites for a second-life in the aeronautic industry: strategies towards a more sustainable future[J]. Frontiers in Materials, 2023, 10: 1179270.

[4] 左新龙, 唐文献, 高泽, 等. 碳纤维增强树脂复合材料柱壳周向缺陷下屈曲特性[J/OL]. 复合材料学报, 1-14. [2024-12-02].

[5] 刘蓉, 陈杰, 龚璋灏, 等. 勃姆石/石墨烯多尺度增韧改性碳纤维环氧树脂复合材料[J]. 复合材料学报, 2025, 42(4): 1922-1931.

[6] LIU Z J, WANG D, CHENG Q K, et al. Outstanding interlaminar strength of carbon fiber reinforced epoxy resin via graphene oxide chemical bridge bonding[J]. Applied Surface Science, 2024, 670: 160658.

[7] WEI J H, ZHANG Y F, LIU Y F, et al. Advances in resin matrix composite fan blades for aircraft engines: A review[J]. Thin-Walled Structures, 2024, 202: 112058.

[8] 崔美荣, 吕雅玲, 钱鑫, 等. MXene典型特性及其在碳纤维复合材料中应用的研究进展[J]. 高分子通报, 2025, 38(1): 58-74.

[9] 党鹏飞, 常健, 于华涛, 等. 不同激振力下碳纤维复合材料叶片振动特性的研究[J]. 塑料科技, 2024, 52(5): 76-80.

[10] 闫长海, 孟松鹤, 陈贵清, 等. 金属热防护系统多层隔热材料的稳态传热分析[J]. 航空动力学报, 2006, 21(5): 800-804.

[11] 刘天奇, 蔡之馨, 王宁. 客机隔热隔声棉点火特性与产烟毒性研究[J]. 航空动力学报, 2021, 36(2): 377-383.

[12] KARAER ÖZMEN F, ÜREYEN M E, KOPARAL A S. Cleaner production of flame-retardant-glass reinforced epoxy resin composite for aviation and reducing smoke toxicity[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 276: 124065.

[13] RYBIŃSKI P, MIRKHODJAEV U Z, ŻUKOWSKI W, et al. The effect of the lignocellulosic filler on the reduction of fire hazard of styrene-butadiene rubber composites, including the reduction of smoke, PCDD/F, PAH emissions and toxicity during its thermal decomposition[J]. Polymer Testing, 2023, 118: 107900.

[14] 聂佳承, 王志, 徐松, 等. 碳纤维/酚醛树脂复合材料热解特性研究[J]. 化工新型材料, 2024, 52(4): 137-141.

[15] 贾宇辉, 梁玉蓉, 沈瑞冰, 等. 无卤复配阻燃剂在天然橡胶中的应用研究[J]. 橡胶工业, 2025, 72(1): 39-44.

[16] 杨倩, 李志民, 陈长洁, 等. PES/CF/PET纤维混杂阻燃复合材料的热解及燃烧特性[J]. 产业用纺织品, 2023, 41(7): 42-51.

[17] 王天成. 复材壁板与隔热隔音棉发烟特性研究[D]. 沈阳: 沈阳航空航天大学, 2020.

[18] HUANG C, ZHANG Y. Calculation of high-temperature insulation parameters and heat transfer behaviors of multilayer insulation by inverse problems method[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2014, 27(4): 791-796.

[19] WOO B S, SUK D B, SAM K C, et al. The analysis of smoke characteristics for wood flour-high density polyethylene composites[J]. Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, 2012, 12(1): 141-146.

[20] WANG W, YANG R, ZHANG H, et al. Study of the influence of low air pressures on fire behavior and burn-through of aircraft cargo liner[J]. Fire and Materials, 2022, 46(5): 789-796.

[21] 邝丽丽. 运输类飞机舱内材料防火适航要求及符合性验证试验方法[J]. 民用飞机设计与研究, 2018(1): 19-23.

[22] LI G, QU F, WANG Z, et al. Experimental study of thermal and fire reaction properties of glass fiber/bismaleimide composites for aeronautic application[J]. Polymers, 2023, 15(10): 2275.

[23] CHENG J J, SUN S H. Investigation on the fire hazard of hybrid polymer materials based on the test of smoke toxicity[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2019, 135(4): 2347-2357.

[24] 沈世元, 王天成, 胡莹, 等. 复合材料机身壁板及衍生结构抗烧穿性能[J]. 消防科学与技术, 2020, 39(7): 1001-1003.

[25] 王军红. 一种用在综合勘探船上的新型绝缘材料[J]. 中国水运, 2023, 23(12): 89-91.

[26] 沈世元, 王天成, 张诚, 等. 复合材料机身壁板和隔热隔音棉衍生构型热释放速率性能试验研究[J]. 民用飞机设计与研究, 2021(4): 85-89.

基金资助

国家自然科学基金(61901283)

辽宁省自然科学基金(201602567)