佀慶民，王　旭，王　志

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)a.遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.安全工程學(xué)院，沈陽(yáng)　110136）

飛機(jī)油箱用典型復(fù)合材料熱傳導(dǎo)性能實(shí)驗(yàn)研究

佀慶民a，b，王旭b，王志a，b

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)a.遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.安全工程學(xué)院，沈陽(yáng)110136）

飛機(jī)油箱已開始探索使用先進(jìn)復(fù)合材料，以T300 3K碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為研究對(duì)象，通過(guò)接觸式恒溫加熱實(shí)驗(yàn)和熱導(dǎo)率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)其導(dǎo)熱性能進(jìn)行了研究。首先對(duì)厚度為2 mm、4 mm的T300 3K碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板分別進(jìn)行150℃、200℃、250℃、300℃以及350℃的接觸式恒溫加熱實(shí)驗(yàn)；然后在實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得了T300 3K在不同溫度下的熱導(dǎo)率，并與5A02鋁合金材料在不同溫度下的熱導(dǎo)率進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明：T300 3K的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于5A02鋁合金，其垂直于纖維方向的熱導(dǎo)率在10-2數(shù)量級(jí)，且隨著溫度的升高而變大；T300 3K作為飛機(jī)燃油箱壁板材料雖然隔熱性能強(qiáng)于5A02鋁合金，但易出現(xiàn)局部過(guò)熱的情況，造成材料板破壞，強(qiáng)度出現(xiàn)下降。

碳纖維復(fù)合材料；飛機(jī)燃油箱；熱傳導(dǎo)；熱導(dǎo)率；恒溫加熱；適航

heating；airworthiness

燃油箱不僅要承擔(dān)為飛機(jī)儲(chǔ)存所需燃油的功能，還要具備隔絕外界著火源，降低火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性的功能［1］。先進(jìn)的復(fù)合材料正越來(lái)越多地用于民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中［2-4］，為驗(yàn)證復(fù)合材料是否滿足飛機(jī)油箱防火安全性的要求，必須對(duì)其導(dǎo)熱性能進(jìn)行研究。依據(jù)CCAR25-R4要求，定性、定量或?qū)嶒?yàn)測(cè)試證實(shí)復(fù)合材料油箱的耐溫性能和阻燃性能達(dá)到傳統(tǒng)的鋁鎂合金非加熱機(jī)翼油箱性能［5-7］。

本文主要研究飛機(jī)油箱用復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試復(fù)合材料板材的導(dǎo)熱特性，并通過(guò)現(xiàn)有設(shè)備測(cè)出不同溫度下板材的熱導(dǎo)率，對(duì)復(fù)合材料和鋁鎂合金材料的傳熱特性進(jìn)行定性和定量比較。

1　油箱用典型復(fù)材導(dǎo)熱性能實(shí)驗(yàn)與分析

主要針對(duì)飛機(jī)燃油箱用復(fù)合材料在接觸火焰時(shí)的導(dǎo)熱規(guī)律進(jìn)行研究，通過(guò)控制不同的加熱溫度對(duì)兩種典型厚度的復(fù)材進(jìn)行加熱，通過(guò)合理設(shè)計(jì)溫度測(cè)試設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)材料板導(dǎo)熱情況進(jìn)行研究與分析。

1.1所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1）復(fù)合材料板的選擇

樹脂基復(fù)合材料是技術(shù)比較成熟且應(yīng)用最為廣泛的一類復(fù)合材料。軍用和民用中主要使用的是T300級(jí)和T700級(jí)小絲束碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料［2，6］。本次實(shí)驗(yàn)采用的是T300 3K碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板，抗拉強(qiáng)度 3 530 MPa，彈性模量230 GPa，伸長(zhǎng)率1.70%，纖維布排列屬于平紋［8］。

2）溫度采集設(shè)備

溫度采集設(shè)備采用K級(jí)愷裝DBK84熱電偶。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國(guó)IOTECH公司數(shù)據(jù)采集器Log Book/300和數(shù)據(jù)采集可視化界面軟件LogView。

3）熱源的選擇

采用恒溫加熱平臺(tái)，加熱平面規(guī)格為100 mm× 100 mm×20 mm，控制溫度范圍50℃～350℃，恒溫穩(wěn)定誤差±1.5℃，如圖1所示。

圖1　恒溫加熱平臺(tái)Fig.1　Constant-temperature heating equipment

4）其他設(shè)備

采用鋁箔固定熱電偶，采用計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間等以及熱電偶的引線（若干）、電源、計(jì)算機(jī)、鋁箔膠帶等。

5）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

連接熱電偶溫度與數(shù)據(jù)傳輸通道，將連好的熱電偶分別按通道標(biāo)號(hào)調(diào)試溫度采集設(shè)備，測(cè)出實(shí)驗(yàn)所用檔位對(duì)應(yīng)加熱平面的實(shí)際溫度并記錄；在復(fù)合材料板上布置熱電偶使加熱臺(tái)處于材料板寬度的中間位置，如圖2所示。

圖2　熱電偶布置示意圖Fig.2　Thermocouple arrangement

1.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1）給平臺(tái)加熱通電，等待其達(dá)到設(shè)定溫度檔（設(shè)定溫度檔分別為100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃）。

2）按圖2在材料板上布置熱電偶。

3）使用Log Book，打開熱電偶測(cè)量的信息通道，進(jìn)行溫度信息采集。同時(shí)將材料板按設(shè)定位置安放在加熱平臺(tái)上，使材料板與加熱板充分接觸。

4）根據(jù)板材測(cè)試穩(wěn)定時(shí)間，穩(wěn)定接觸加熱20 min后，關(guān)閉采集數(shù)據(jù)按鈕，同時(shí)取下材料板。

5）下載并輸出采集的溫度數(shù)據(jù)。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別對(duì)2 mm、4 mm厚T300 3K復(fù)材進(jìn)行導(dǎo)熱性能實(shí)驗(yàn)，溫度采集數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1　2 mm厚材料板加熱20 min平均溫度/最高溫度Tab.1　Average and highest temperature of 2 mm thick materials after heating for 20 min

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出2、3、4、7號(hào)熱電偶所測(cè)溫度有明顯的上升，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后保持平穩(wěn)。6、9、10、11號(hào)熱電偶由于距離加熱源較遠(yuǎn)，溫度沒(méi)有明顯變化：當(dāng)溫度檔位較低時(shí)，相應(yīng)編號(hào)熱電偶所測(cè)得的最高溫度和平均溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)，但是隨著溫度檔位的升高，其溫度有所增加。

圖3為150℃、200℃、250℃溫度檔加熱臺(tái)正上方2 mm、4 mm厚板材上表面溫度變化曲線（即熱電偶2所測(cè)溫度變化）?？梢钥闯? mm厚板材明顯比4 mm厚板材溫度升高速率快，且達(dá)到的穩(wěn)定溫度也明顯高于后者。說(shuō)明厚度對(duì)復(fù)合材料板的傳熱性能影響很大，可能由于復(fù)合材料厚度方向?qū)嵯禂?shù)過(guò)低引起的。

表2　4 mm厚材料板加熱20 min平均溫度/最高溫度Tab.2　Average and highest temperature of 4 mm thick materials after heating for 20 min

圖3　相同溫度下不同厚度板材2號(hào)熱電偶溫度變化曲線Fig.3　Temperature variation curve of No.2 thermocouple of different thickness material under same temperature

表3為4和7，6和9，10和11 3組熱電偶上、下表面溫度差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表。

從表3中可以看出同一溫度檔加熱同一厚度板時(shí)，在一定范圍內(nèi)，隨著與熱源距離的增加材料板上、下表面溫差逐漸降低。對(duì)于相同厚度材料板，在與加熱源一定距離范圍內(nèi)，溫差隨加熱溫度的提高而增加。在距熱源130 mm處，材料板溫度隨著溫度檔的提高沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明材料板的傳熱范圍小，即沿橫向傳熱能力不強(qiáng)。

圖4為150℃、200℃、250℃、300℃、350℃溫度檔加熱20 min，4 mm厚板加熱臺(tái)正上方，復(fù)合材料板上表面溫度變化曲線。從圖中可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，板材升溫速率和最終的穩(wěn)定溫度都有所增加。其中250℃、300℃、350℃溫度檔（實(shí)際對(duì)應(yīng)溫度為236.15℃、276.00℃、337.47℃）升溫階段有較大波動(dòng)并且出現(xiàn)放緩的跡象，說(shuō)明板材在升溫過(guò)程中導(dǎo)熱性能發(fā)生變化。

圖4　不同溫度檔加熱20 min 4 mm厚板2號(hào)熱電偶溫度曲線Fig.4　Temperature variation curve of No.2 thermocouple with 4 mm thick material after heating for 20 min in different temperatures

表3　復(fù)合材料板上、下表面溫度差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.3　Statistics of temperature contrast between upper and lower surfaces of VCM

考慮到碳纖維耐溫可達(dá)1 000℃，且此種復(fù)合材料耐受溫度為180℃～200℃（20 min），說(shuō)明在這些溫度條件下作為基體的環(huán)氧樹脂達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），使材料遭到破壞。通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還可以看出：150℃、200℃溫度檔加熱時(shí)材料板從外形來(lái)看基本沒(méi)有變化；250℃、300℃、350℃溫度檔加熱時(shí)出現(xiàn)明顯破壞跡象，且隨著溫度的升高破壞程度加劇。

2　油箱用典型復(fù)材熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)與計(jì)算分析

根據(jù)相關(guān)研究，碳纖維縱向熱導(dǎo)率數(shù)值約為101～102W/（m·K），是橫向熱導(dǎo)率的10～102倍。樹脂的熱導(dǎo)率大約處于10-1～100數(shù)量級(jí)，隨溫度增加而上升。由于碳纖維復(fù)合材料工藝的影響，各種型號(hào)的碳纖維環(huán)氧樹脂組元的比例、組合鋪層方式也各有差異，使得熱導(dǎo)率計(jì)算有較大的誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，要獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)還是需要采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法［9-10］。

根據(jù)復(fù)合材料在溫度檔為200℃加熱條件下出現(xiàn)不明顯的破壞，在250℃加熱條件下出現(xiàn)明顯破壞的情況，以及熱導(dǎo)率隨溫度升高而升高的規(guī)律，設(shè)置溫度擋為60℃、80℃、100℃、150℃和200℃條件下進(jìn)行熱導(dǎo)率的測(cè)量。測(cè)量前用熱電偶分別測(cè)出各檔位所對(duì)應(yīng)的測(cè)量溫度以及銅片參數(shù)，如表4、表5所示。

表4　加熱板各檔位所對(duì)應(yīng)溫度Tab.4　Different temperature levels

表5　銅片參數(shù)Tab.5　Copper parameters

實(shí)驗(yàn)溫度記錄如表6所示，銅片升至234℃后在空氣中散熱曲線如圖5所示。

圖5　234℃銅片冷卻溫度變化曲線Fig.5　Temperature change curve of copper cooling from 234℃

從溫度采集設(shè)備所采集的銅片降溫?cái)?shù)據(jù)中篩選出各組T2溫度（即銅片溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的數(shù)值）在以T2為中點(diǎn)10℃范圍內(nèi)每秒鐘對(duì)應(yīng)的溫度，再利用數(shù)據(jù)處理軟件將篩選出的數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖并擬合成直線，所得直線的斜率即為各組T2所對(duì)應(yīng)的銅片在空氣中的散熱速率n，具體數(shù)據(jù)如表6所示。80℃溫度擋對(duì)應(yīng)銅片散熱速率擬合直線如圖6所示。

圖6　80℃溫度擋對(duì)應(yīng)銅片散熱速率擬合直線Fig.6　Cooling rate fit line of copper at 80℃level

將散熱速率n和其他參數(shù)代入熱導(dǎo)率公式［11］，求出熱導(dǎo)率見表6。

表6　測(cè)量計(jì)算結(jié)果匯總Tab.6　Summary of measurement results

由于熱電偶測(cè)量溫度有一定的誤差，實(shí)際測(cè)量中ΔT越小誤差越大，為盡量避免誤差數(shù)據(jù)影響，在此設(shè)定ΔT＞5℃時(shí)為有效數(shù)據(jù)，故排除60℃組的測(cè)量數(shù)據(jù)。取T1、T2的平均值作為材料板的實(shí)際溫度，畫出實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率曲線如圖7所示。

圖7　T300 3K復(fù)材5A02鋁鎂合金熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線Fig.7　Thermal conductivity curve of T300 3K and 5A02 with changing temperature

3　T300 3K復(fù)材與5A02鋁合金導(dǎo)熱性能對(duì)比

鋁鎂合金和復(fù)合材料的傳熱特性迥異，5A02鋁合金在各個(gè)方向?qū)嵝远己芎?，而T300 3K在X、Y方向熱導(dǎo)率較大，但具體數(shù)值仍然遠(yuǎn)低于5A02鋁合金。并且實(shí)際使用的復(fù)合材料X、Y方向?qū)挾冗h(yuǎn)大于Z向厚度，使得材料板中的熱量橫向擴(kuò)散很少，主要通過(guò)其厚度方向來(lái)傳遞熱量。

對(duì)比5A02鋁鎂合金熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線，如圖7所示［12］。T300 3K復(fù)材在厚度方向熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于相同溫度下5A02鋁合金熱導(dǎo)率。因此，外界熱量通過(guò)T300 3K復(fù)材傳遞給油箱內(nèi)部介質(zhì)要比通過(guò)5A02鋁合金更難，即T300 3K復(fù)材對(duì)油箱外部熱量的阻礙作用強(qiáng)于5A02鋁合金。

但是由于T300 3K復(fù)材耐受溫度相對(duì)較低，且導(dǎo)熱性能較差，容易出現(xiàn)局部過(guò)熱的情況，復(fù)合材料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高溫烘烤、燒蝕或造成復(fù)合材料表面溫度達(dá)到Tg后，在飛機(jī)振動(dòng)或晃動(dòng)作用下，可能出現(xiàn)部分開裂、分層、脫膠、滲漏和變形等失效造成二次事故。這一問(wèn)題的解決有待于對(duì)復(fù)材厚度、鋪層結(jié)構(gòu)與載熱性能關(guān)系的進(jìn)一步深入研究。

4　結(jié)語(yǔ)

燃油箱是飛機(jī)的核心部件，其安全性也一直受到各方的重視［13］。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的普及，復(fù)材型燃油箱的安全性能正受到飛行管理、飛機(jī)設(shè)計(jì)以及相關(guān)研究工作者的重視。復(fù)材型燃油箱的耐溫性、阻燃性以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等特性，是否能夠超過(guò)傳統(tǒng)鋁（鎂）合金材質(zhì)，且滿足飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)的要求，以保證飛行安全，是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

本文主要研究了飛機(jī)油箱用典型復(fù)合材料熱傳導(dǎo)性能，包括導(dǎo)熱性能實(shí)驗(yàn)、熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)與計(jì)算以及與鋁合金導(dǎo)熱性能對(duì)比3個(gè)方面?？偨Y(jié)如下：

1）采用恒溫加熱臺(tái)對(duì)T300 3K復(fù)材板下表面加熱時(shí)，加熱面正上方復(fù)材板上表面的升溫速率和達(dá)到的穩(wěn)定溫度隨著加熱臺(tái)設(shè)定溫度的提高而變大；當(dāng)溫度一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)隨著與受熱面距離的增加，材料板上、下表面溫差逐漸減小；材料板沿受熱面平行方向傳熱范圍??；4 mm厚的板材垂直于受熱面的方向?qū)嵝阅苊黠@不如2 mm厚的板材，說(shuō)明沿厚度方向材料的導(dǎo)熱性能較差。

2）當(dāng)溫度達(dá)到環(huán)氧樹脂基體玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）后，板材的導(dǎo)熱性能出現(xiàn)較大波動(dòng)，并且溫度越高波動(dòng)越大；當(dāng)溫度達(dá)到環(huán)氧樹脂基體玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料板靠近加熱面的地方開始遭到破壞。

3）實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得T300 3K復(fù)材板垂直于纖維方向的熱導(dǎo)率在75.18℃～181.60℃的范圍內(nèi)隨溫度的升高而變大，保持在10-2數(shù)量級(jí)，沿纖維方向的熱導(dǎo)率雖然大于垂直于纖維方向的熱導(dǎo)率，但仍然遠(yuǎn)小于5A02鋁合金的熱導(dǎo)率；復(fù)合材料板對(duì)熱量的阻礙作用強(qiáng)于5A02鋁合金，但易造成局部過(guò)熱的情況出現(xiàn)，過(guò)熱導(dǎo)致問(wèn)題的解決有待于對(duì)復(fù)材厚度、鋪層結(jié)構(gòu)與載熱性能關(guān)系的進(jìn)一步深入研究。

該實(shí)驗(yàn)研究可以模擬飛機(jī)燃油箱外部元件故障發(fā)熱時(shí)，復(fù)合材料油箱壁板本身吸收熱量在壁板內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過(guò)程，可以為采用復(fù)合材料油箱的飛機(jī)進(jìn)行適航性認(rèn)證實(shí)驗(yàn)提供方法參考。

［1］雷延生，王澍.基于FAA適航要求的飛機(jī)燃油箱防爆技術(shù)研究［J］.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2011（3）：23-27.

［2］吳良義.航空航天先進(jìn)復(fù)合材料現(xiàn)狀［C］//中國(guó)環(huán)氧樹脂應(yīng)用技術(shù)學(xué)會(huì)“第十三次全國(guó)環(huán)境樹脂應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)協(xié)會(huì)”論文集，2009： 156-159.

［3］張世平.碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的應(yīng)用開發(fā)新動(dòng)向［J］.科技信息，2007（24）：60-61.

［4］陳平，于其，路春.纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的界面研究進(jìn)展［J］.纖維復(fù)合材料，2005，22（1）：53-58.

［5］李宏遠(yuǎn).復(fù)合材料在民機(jī)應(yīng)用中有關(guān)適航問(wèn)題的探討［J］.航空制造技術(shù)，2009（16）：26-29.

［6］宋彪.飛機(jī)燃油箱防火安全性驗(yàn)證方法研究［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，2013.

［7］溫文才.民用飛機(jī)燃油箱防爆適航符合性研究［C］//第九屆長(zhǎng)三角科技論壇—航空航天科技創(chuàng)新與長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展分論壇論文集，2012：86-88.

［8］《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè).第三卷：鋁合金鎂合金［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：5-26.

［9］李雅娣，吳平，馬喜梅，等.碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層板連續(xù)激光燒蝕實(shí)驗(yàn)研究［J］.纖維復(fù)合材料，2010（2）：21-24.

［10］張建可.樹脂基碳纖維復(fù)合材料的熱物理性能之導(dǎo)熱系數(shù)［J］.中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，1987，7（3）：125-130.

［11］張建可.碳纖維復(fù)合材料低溫?zé)釋?dǎo)率的實(shí)用計(jì)算方法［J］.中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，1994，12（6）：39-42

［12］吳晗.高強(qiáng)韌壓鑄鋁鎂合金組織及力學(xué)性能研究 ［D］.武漢，華中科技大學(xué)，2012：5-26.

［13］童升華，邵壘，古遠(yuǎn)康，等.外熱源作用下機(jī)翼油箱邊界溫度變化規(guī)律研究［J］.航空兵器，2014（2）：48-52.

（責(zé)任編輯：劉智勇）

Experimental study on heat-conducting performance of typical ACM used in aircraft fuel tank

SI Qingmina，b，WANG Xub，WANG Zhia，b
（a.Liaoning Key Laboratory of General Aviation；b.School of Safety Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

ACM（advanced composite materials）has been used in aircraft fuel tanks.Heat-conducting performances of carbon fiber epoxy composite T300 3K are studied through the following experiments：contact constant-temperature heating experiment and thermal conductivity test experiment.Contact constant-temperature heating experiments are firstly taken on 2 mm and 4mm thick T300 3K carbon fiber epoxy composites at the temperature of 150℃，200℃，250℃，300℃and 350℃.Then，the thermal conductivities of T300 3K are tested at different temperatures under the presupposition experimental conditions.Those results are compared with the thermal conductivities of 5A02 aluminum alloy material at different temperatures.Research results show that the thermal conductivities of T300 3K is much smaller than that of 5A02 aluminum alloy.In vertical direction to the fiber，the thermal conductivity of T300 3K keeps in 10-2magnitude.And it becomes larger with the increase of temperature.As aircraft fuel tank panel material，T300 3K is easy to occur in the case of local overheating，causing material damage，and resulting in the decrease of its strength，although the thermal insulation performance of T3003K is stronger than 5A02 aluminum alloy.

carbon fiber epoxy composite；aircraft fuel tank；heat-conducting；thermal conductivity；constant-temperature

V258；X949

A

1674-5590（2016）03-0047-05

2015-10-27；

2015-11-24基金項(xiàng)目：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)青年成長(zhǎng)基金項(xiàng)目（201201Y）

佀慶民（1983—），男，遼寧沈陽(yáng)人，講師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)檫m航安全性、系統(tǒng)安全理論與技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).