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一、引言

植物纖維因其可再生、環(huán)保和可降解的優(yōu)勢(shì)，具有替代復(fù)合材料中傳統(tǒng)合成纖維的潛力，有助于減少碳排放。盡管植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，但其易燃性和力學(xué)性能是限制其在航空內(nèi)飾和軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。盡管目前的阻燃方法可以延緩或終止植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的燃燒過(guò)程，但未深入研究分析由植物纖維特殊的化學(xué)成分和捻度結(jié)構(gòu)導(dǎo)致復(fù)合材料不同于傳統(tǒng)合成纖維的特有燃燒行為，也未基于其燃燒特性來(lái)設(shè)計(jì)針對(duì)性的阻燃策略。

針對(duì)這一問(wèn)題，同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院的研究學(xué)者通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合有限元仿真研究了植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料獨(dú)特的燃燒行為和燈芯效應(yīng)。文章發(fā)表于復(fù)合材料Top期刊《Composites Part B》，被收錄于“天然纖維復(fù)合材料進(jìn)展（Advances in Natural Fibre Composites）”特刊，論文標(biāo)題為“The unique wick effect and combustion behavior of flax fiber reinforced composites: Experiment and simulation”。通訊作者為同濟(jì)大學(xué)于濤教授，第一作者為魏志彪博士。

二、內(nèi)容概述

實(shí)驗(yàn)采用了單向亞麻纖維、單向碳纖維和中科院寧波材料所提供的生物基環(huán)氧樹(shù)脂基體，基于單一變量原則，設(shè)計(jì)并制備了純環(huán)氧樹(shù)脂（EP）、碳纖維增強(qiáng)（CFRP）和植物纖維增強(qiáng)（PFRP）復(fù)合材料，系統(tǒng)分析并揭示了植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的燃燒行為。

該工作首先研究了三組樣品的熱穩(wěn)定性，熱重測(cè)試表明，三組樣品的熱解都呈現(xiàn)出兩個(gè)階段，而PFRP樣品的熱分解溫度范圍向更高的溫度區(qū)域移動(dòng)，此外，氧氣的存在會(huì)導(dǎo)致高溫下新的熱分解階段。

圖1 樣品在氮?dú)夂涂諝夥諊碌臒嶂厍€(xiàn)

錐形量熱儀試驗(yàn)結(jié)果表明，PFRP復(fù)合材料的熱釋放和煙釋放行為呈現(xiàn)出多重峰和長(zhǎng)時(shí)間跨度的特點(diǎn)，而且在燃燒過(guò)程中，PFRP復(fù)合材料在厚度方向上發(fā)生膨脹，并伴隨著分層和外部變形，而在其它兩組樣品中未觀察到這種現(xiàn)象。

圖2 樣品在燃燒進(jìn)程中的形貌變化

水平燃燒試驗(yàn)表明，PFRP呈現(xiàn)出較低的線(xiàn)性燃燒速率，同時(shí)采用熱紅外儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了三組樣品在水平燃燒中樣品的溫度場(chǎng)分布，PFRP復(fù)合材料在相同位置處的溫度也是最低的，和線(xiàn)性燃燒速率結(jié)果保持一致。

圖3 EP、CFRP和PFRP復(fù)合材料的（a）水平燃燒速率,（b）沿纖維方向同一位置處的溫度、（c）燃燒過(guò)程中的熱成像圖,（d）樣品水平燃燒測(cè)試的數(shù)碼照片,（e）機(jī)理示意圖

基于Fourier熱傳導(dǎo)方程，并考慮到植物纖維的真實(shí)微觀形貌，建立了三組樣品在火災(zāi)中的熱響應(yīng)模型。有限元仿真結(jié)果表明，在沿纖維方向相同位置的溫度PFRP樣品是最低的，這與水平燃燒測(cè)試中紅外熱成像中溫度場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖4 EP（a, a1, a2）、CFRP（b, b1, b2）和PFRP（c, c1, c2）有限元模型和熱響應(yīng)下的溫度場(chǎng)分布圖

三、小結(jié)

該研究深入分析了植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的燃燒行為，揭示了植物纖維特殊的化學(xué)組成和捻度結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料燃燒行為的影響。研究結(jié)果表明，植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)合成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的燃燒特性和燈芯效應(yīng)，該研究結(jié)果可為針對(duì)性阻燃策略的設(shè)計(jì)提供思路和指導(dǎo)。

原始文獻(xiàn)：

Wei Z, Ji C, Yu T, et al. The unique wick effect and combustion behavior of flax fiber reinforced composites: Experiment and simulation[J]. Composites Part B: Engineering, 2023, 265: 110954.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110954