飞机防火防爆行李舱用酚醛编织复合材料的热机械性能表征与功能梯度优化研究

《Polymer Composites》：Thermo-Mechanical Characterization of Phenolic Woven Composite Laminates for Use in Fire/Blast-Prone Aircraft Baggage Structures

本研究针对飞机行李结构在火灾和爆炸载荷下的材料需求，系统评估了碳纤维(PF-CFRP)、玻璃纤维(PF-GFRP)、玄武岩纤维(PF-BFRP)和凯夫拉纤维(PF-KFRP)增强酚醛复合材料的性能。结果表明：PF-BFRP在空气环境中800°C时质量保留率最高(79.1%)，弯曲强度达362.93 MPa；PF-CFRP则展现最优刚度(模量68.50 GPa)和热稳定性(氮气中87.9%残炭率)。研究为航空防火防爆结构材料选择提供了重要数据支撑，并提出功能梯度混杂复合材料作为下一代解决方案。

　　

通过实验研究的方法，科研人员对四种纤维增强的酚醛编织复合材料层压板进行了系统评估，包括碳纤维(PF-CFRP)、玻璃纤维(PF-GFRP)、玄武岩纤维(PF-BFRP)和凯夫拉纤维(PF-KFRP)，旨在探究它们在火灾和爆炸载荷环境下用于飞机行李结构的适用性。

研究发现，采用单阶段高温固化工艺的酚醛树脂(PF100)表现出卓越性能，其玻璃化转变温度达到150.0°C，拉伸模量为2.61 GPa，拉伸强度为32.51 MPa。通过热重分析技术显示，在氮气氛围800°C条件下，PF-CFRP的质量保持率最高(87.9%)；而在空气环境中，PF-BFRP展现出最优的热稳定性(79.1%)，其次是PF-GFRP(66.3%)。值得注意的是，PF-KFRP的热稳定性较差(47.7%)，甚至低于纯树脂材料(58.9%)。

力学性能测试表明，PF-CFRP具有最高的模量(68.50 GPa)和拉伸强度(776.78 MPa)，其面内剪切强度达到110.46 MPa。PF-BFRP则表现出最突出的弯曲强度(362.93 MPa)和优异的拉伸强度(587.63 MPa)，同时具有改善的弯曲破坏应变(2.25%)。PF-GFRP展现出适中的力学性能，拉伸强度和弯曲强度分别为224.11 MPa和292.59 MPa，并保持稳定的剪切性能。PF-KFRP虽然具有最高的破坏应变(拉伸2.76%)，但存在界面结合力较弱的问题。

通过扫描电子显微镜观察发现，不同材料呈现出独特的失效模式，包括纤维断裂、拔出、分层以及基体开裂等现象。研究采用雷达图进行可视化对比分析，最终确定PF-BFRP最适合用于防爆/防火区域，而PF-CFRP则适用于刚度要求较高的区域。这项研究突显了玄武岩-酚醛复合材料的应用潜力，并提出功能梯度混杂复合材料作为下一代航空行李结构材料的创新方向，能够同时满足机械性能和热性能的双重要求。

关于利益冲突，作者声明不存在任何利益冲突。