本研究旨在探究在氢火焰作用下的、代表航空航天结构的碳/环氧树脂复合材料的火灾行为。在此研究框架下，一个核心目标就是准确再现氢火特有的热条件，为此需要研发一种创新的实验室规模测试装置，该装置经过专门设计、配备相应仪器，并经过验证，以确保实验条件能够得到有效控制且具有可重复性。
实现交通领域的脱碳是当前能源与工业体系面临的一项重大挑战[1,2]。在各种解决方案中，氢被视为一种重要的能源载体，尤其适用于重型及长途运输领域，特别是在航空航天行业[3,4]。由于航空运输对全球碳排放贡献巨大（约占全球二氧化碳排放量的2%到3%[5]），将氢引入推进系统似乎是大幅降低碳排放的一条可行路径。然而，将氢作为机载燃料使用时，会带来一些特殊的消防安全问题，这些问题超出了现有标准的范畴，需要对现有的相关方法进行调整[6,7]。
氢的物理化学性质，如宽广的燃范围、极低的最低着火能量、较高的燃烧速度以及超过2000摄氏度的火焰温度，都会导致一些与碳氢化合物截然不同的意外燃烧场景[[6], [7], [8]]。尤其是，氢火焰的热结构特点在于辐射成分较低，而对流成分占主导地位，这大大改变了热量向周围结构传递的机制[6,8]。这些特殊特性使得现有的实验和监管框架的适用性受到了质疑。
目前，航空航天设备的防火认证主要依据为碳氢燃料火灾制定的相关程序，比如ISO 2685标准[9]。这些测试原本是针对热流强度通常低于200千瓦/平方米且辐射成分较强的碳氢燃料火焰进行校准的，无法准确再现氢火所特有的以对流热传递为主以及热流强度在200到800千瓦/平方米之间的极端热条件。氢火具有明显不同的热特性，包括更高的火焰温度以及以对流热传递为主的特征，这使得其热流强度远远高于基于碳氢燃料的测试场景。这种差异凸显出现有标准在评估氢火环境下的材料性能方面的不足。此外，最近的一些研究也指出了氢动力飞机认证方面存在的监管漏洞，尤其是在火灾场景及相关要求方面[10]。从更广泛的层面来看，安全分析也强调了目前尚缺乏用于让材料暴露在氢火焰中的统一标准[6,7]。
这种情况带来了双重科学与技术上的限制：一方面，现有的测试方法（如用煤油、丙烷进行测试）无法模拟氢火所特有的热负荷；另一方面，关于结构材料在此类条件下火灾行为的实验数据也非常匮乏。尤其是，目前还没有任何系统性研究探讨过碳/环氧树脂复合材料在热流强度超过400千瓦/平方米的受控氢火环境下的反应情况，而这正是阻碍氢技术安全应用于工业领域的障碍之一。
聚合物基复合材料，尤其是碳纤维增强环氧树脂复合材料，由于其优异的机械性能以及出色的刚度重量比，被广泛应用于各类航空航天结构中[11,12]。这类材料的火灾行为涉及复杂的机制，包括基体的热氧化降解、层间粘附力的丧失、可燃气体的释放以及碳纤维的逐步氧化[11,13]。在像氢火焰所引发的那样高热流强度且以对流为主的环境下，这些机制很可能会加剧，从而对结构的完整性造成严重威胁。
尽管已有大量文献研究了这类复合材料在碳氢燃料火灾环境下的火灾行为，但关于它们在氢火焰作用下的反应情况，尤其是在高且受控的热负荷下的反应情况，相关研究仍然不够充分。
正因如此，由于缺乏专门为氢火极端热条件设计的实验工具，人们才着手研发一种专用的实验室规模测试平台。该测试平台旨在准确再现氢火焰的特征，尤其是那些以对流热传递为主的高热流强度。在测试平台的仪器配置及计量性能验证方面也格外重视，包括对实验条件的不确定性分析以及重复性评估。这样的设计能够确保所获取的实验数据具有可靠性、可追溯性以及稳定性。
这款测试平台能够施加200到800千瓦/平方米范围内的可控热流强度，能够模拟从轻微泄漏到极端火灾事件等各种代表氢火场景的热条件。经过验证后，该测试平台已经成功模拟出了具有代表性的热条件，并生成了结构化的实验数据集，这些数据可直接用于分析材料的退化机制。
本研究以代表航空航天结构的碳/环氧树脂复合材料为研究对象。通过开展相关测试，研究人员发现了该材料在严重热负荷作用下的初期退化迹象，明确了诸如聚合物基体热解、碳纤维结构逐渐改变以及结构性能可能下降等相互关联的退化机制。因此，本研究采用的实验方法建立了所施加的热应力、材料的温度响应以及材料微观结构演变之间的直接关联。
本文的结构如下：第2部分介绍了所研究的材料以及实验方法，其中详细说明了测试平台（用于产生可控氢火焰的功能）、实验配置以及热测量技术。第3部分展示了研究结果，首先是用一种参考材料（钢）对测试平台进行了验证，随后分析了碳/环氧树脂复合材料的温度行为及其微观结构的变化情况。最后，第4部分探讨了所发现的材料退化机制，以及这些机制对处于氢环境中的航空航天结构的安全性和耐火性能的影响。
