环氧树脂基航空复合材料的火安全性研究

本项目针对飞机上广泛应用的环氧树脂基航空复合材料存在的火灾隐患，将材料设计和火灾安全工程的理论有机结合，选择合适的环氧树脂、含磷固化剂和无机协效剂，制备几种环氧树脂基航空复合材料。研究材料的热机械特性、燃烧特性、有毒有害烟气的生成和释放规律以及成炭特性，着重研究不同温度和氧气浓度下材料的机械强度、引燃的难易性和自熄性以及热释放速率、总热释放量、烟气毒性、烟气释放速率和释放量、炭层组成、结构、形貌和产率等，获取材料受热或燃烧过程特定阶段相应的表征参数，探讨它们间的关联和阈值，推导相应的评价指标，建立材料火安全性综合评价方法；研究材料的组成、结构、形貌和燃烧条件等对材料热解、燃烧、生烟和成炭机制以及火安全性的影响，探讨材料的宏观火安全性与微观热解和燃烧反应机理间的本质联系，提出火安全性优良的环氧树脂基航空复合材料的优化设计和制备方案，为高性能环氧树脂基航空复合材料的应用奠定理论和实验基础。

环氧树脂基复合材料广泛应用于航空航天领域。但是因为环氧树脂遇火燃烧，释放出大量热量和有毒有害烟气，具有严重的潜在火灾危险性，所以必须进行阻燃处理，提高其火安全性。本项目针对环氧树脂基航空复合材料具有的潜在火灾危险性，设计合成了多种含磷、氮或硅等阻燃元素的有机-无机杂化网络结构、阻燃单体、含磷或氮的聚合型阻燃剂，以及阻燃功能化石墨烯、二氧化钛等纳米单元，选择双酚A环氧树脂或双酚A环氧丙烯酸酯为环氧树脂基体，制备了多种性能优良的阻燃环氧树脂基复合材料。系统研究了材料的热性能、燃烧特性、有毒及可燃气体产物的生成和释放规律以及成炭特性，着重研究了材料的引燃难易性、自熄性、热释放速率和总释放量、有毒和可燃气体产物释放速率和总释放量、炭层的组成、结构、形貌和产率等火安全性特征参数，建立火安全性评价方法；研究材料的组成、结构与形貌对材料热解、燃烧和成炭机制的影响，探讨材料的宏观火安全性与微观热解和燃烧反应机理间的本质联系。结果表明，随着有机-无机杂化网络结构、阻燃功能单体、聚合型阻燃剂和功能化纳米单元的引入显著提高了材料的火安全性，成炭量增加、氧指数增大、热释放速率和总热释放量降低、有毒可燃气体产物的释放速率和释放量减少。其阻燃机理在于，材料中的磷氧官能团先降解生成聚磷酸结构，催化基体降解交联成炭，在减缓内部材料降解的同时，阻碍了降解产生的可燃性气体产物的释放，降低了材料的燃烧性能；从热降解的起始阶段DOPO及其衍生物分子即开始挥发到气相中，起到抑制燃烧反应的作用；凝聚相中交联硅氧烷在高温时形成二氧化硅，起到了提高炭化物热稳定性、抗氧化性和产量的作用；功能化纳米单元能够促进炭层的石墨化程度，提高其抗热氧化能力，能够阻断火焰和聚合物基体之间的物质和能量交换，从而达到阻燃的目的。本项目的研究成果为提出火安全性优良的环氧树脂基航空复合材料的优化设计和制备方案，为高性能环氧树脂基航空复合材料的应用奠定理论和实验基础。项目组已按计划圆满完成本项目的研究内容，共发表SCI收录论文29篇，授权发明专利5项，培养毕业博士6名、硕士5名。