CC BY
47
Е. Н. ШУРКОВА, инженер 2-й категории, аспирант, сотрудник лаборатории "Исследование неметаллических материалов на климатическую, микробиологическую стойкость и пожаробезопасность" ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ)" (Россия, 105005, г. Москва, ул. Радио, 17) О. С. ВОЛЬНЫЙ, инженер 2-й категории, сотрудник лаборатории "Исследование неметаллических материалов на климатическую, микробиологическую стойкость и пожаробезопасность" ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ)" (Россия, 105005, г. Москва, ул. Радио, 17) А. Н. ЛУЦЕНКО, канд. техн. наук, начальник Испытательного центра ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ)" (Россия, 105005, г. Москва, ул. Радио, 17)
С. Л. БАРБОТЬКО, канд. техн. наук, начальник лаборатории "Исследование неметаллических материалов на климатическую, микробиологическую стойкость и пожаробезопасность" ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ)" (Россия, 105005, г. Москва, ул. Радио, 17; e-mail: [email protected])
УДК 614.841.41:629.7.042.2
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТИ ПКМ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Проведены сравнительные исследования пожарной безопасности нескольких видов стекло- и углепластиков, предназначенных для изготовления элементов внешнего контура изделий авиационной техники. Рассчитаны индексы пожарной опасности материалов, по которым проведено сопоставление различных марок полимерных композиционных материалов. Показано существенное влияние полимерной матрицы и химической природы наполнителя на характеристики пожарной опасности композиционных материалов.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы; пожарная безопасность; внешний контур; авиационная техника.
Введение
По мере развития материаловедения, авиационной промышленности, создания новых материалов изменялся и спектр материалов, применяемых для производства летательных аппаратов. В настоящее время для изготовления авиационной техники преимущественно используются сплавы металлов, массовая доля которых в конструкции изделий превышает 90 %. Создание новых высокопрочных полимерных композиционных материалов (ПКМ) дает возможность заменить алюминиевые сплавы на углепластики и изготавливать многие элементы конструкций авиационной техники, в частности фюзеляж и крыло, по новым технологиям. Замена металлов на углепластики позволит снизить массу летательного аппарата на 40 %, что обеспечит уменьшение расхода топлива и повышение экономичности его эксплуатации на 20 % [1].
В то же время применение ПКМ вместо металлов может существенно повлиять на пожаробезопасность конструкции летательных аппаратов. Алюминиевые сплавы в условиях обычных пожаров не воспламеняются и не распространяют пламя по по-
верхности, но под действием тепла от горящего разлившегося топлива довольно быстро расплавляются и теряют несущую способность, что приводит к разрушению фюзеляжа и проникновению пламени во внутренние отсеки. Использование ПКМ вместо алюминиевых листов может предотвратить сквозное прогорание внешней обшивки авиационной техники, однако при этом может существенно ухудшить другие характеристики пожаробезопасности. Так, ПКМ под воздействием пламени или теплового потока могут воспламеняться, распространять пламя по поверхности, выделять при горении дополнительное тепло, дым и токсичные продукты, что создаст проблемы при эвакуации пассажиров из совершившего аварийную посадку самолета, осложнит тушение пожара и снизит выживаемость людей вследствие отравления их токсичными продуктами горения [2].
В настоящее время требований по пожарной безопасности к материалам для изготовления внешнего контура не предъявляется. Это объясняется тем, что для этих целей преимущественно используются негорючие материалы (алюминиевые сплавы).
© Шуркова Е. Н., Вольный О. С., Луценко А. Н., Барботько С. Л., 2014
При переходе на ПКМ для фюзеляжа необходимо доказать, что, по крайней мере, не происходит снижения пожаробезопасности изделий гражданской авиационной техники. Правительством США перед Федеральным авиационным агентством (БАЛ) поставлена задача — к 2015 году создать пожаробезопасный огнестойкий фюзеляж для гражданских пассажирских самолетов транспортной категории [3]. В связи с этим в последние годы в Техническом центре БАА пристальное внимание уделяется работам по сопоставлению характеристик пожарной опасности связующих и ПКМ, перспективных для изготовления внешнего контура авиационной техники, а также по выбору методов испытаний и критериев оценки [4-8]. Аналогичные исследования проводятся и в России [9-12].
Материалы и методы испытаний
В данной работе проведено изучение характеристик пожарной безопасности стекло- и углепластиков, перспективных для широкого применения во внешнем контуре в изделиях различных отраслей промышленности.
В настоящее время для изготовления отдельных элементов конструкций, в том числе внешнего контура, в разнообразных авиационных изделиях (вертолеты, легкие и транспортные гражданские самолеты, военная техника) уже используются стекло- и углепластики на основе клеевых препрегов (КМКС и КМКУ). Эти материалы обладают положительным комплексом свойств, связанных с удобством их использования при изготовлении конструкций и обслуживании при эксплуатации, антикоррозионной устойчивостью. Кроме вышеперечисленных клеевых материалов, в ВИАМ для изготовления конструкционных ПКМ применительно к внешнему контуру разработаны новые полимерные связующие — термостойкое и высокоэластичное.
Характеристики образцов ПКМ, используемых для испытаний на пожаробезопасность, представ-
лены в табл. 1. Для сравнения были определены характеристики пожарной опасности листа алюминиевого сплава Д16 ан. окс.хр. толщиной 0,6 мм, т. е. материала примерно с такими же массовыми характеристиками, какие имели предназначенные для его замены образцы конструкционных ПКМ.
Ввиду отсутствия нормативной документации по методам оценки пожарной безопасности полимерных материалов для внешнего контура авиационной техники в соответствии с принципами, изложенными в [13, 14], при проведении исследований были использованы методики, применяемые для квалификационных испытаний материалов интерьера пассажирских салонов самолетов (приложение F Авиационных правил АП-25 [15]):
• метод оценки горючести (часть I, ОСТ 1 90094-79 [16]);
• метод измерения тепловыделения при горении (часть IV, СТП 1-595-20-341-2000);
• метод определения дымообразующей способности (часть V, ГОСТ 24632-81 [17]).
Кроме перечисленных методов, были использованы маломасштабный метод оценки устойчивости к сквозному прогару при воздействии пламени и метод оценки токсичности продуктов горения по газовому анализу атмосферы в дымовой камере при испытаниях на дымообразующую способность. Процедура оценки токсичности продуктов горения аналогична методикам, используемым в самолетостроительных корпорациях Airbus, Boeing, Bombardier [18-20].
При испытаниях на горючесть образцы материалов закрепляли в вертикальном положении. Поджигание образца снизу осуществляли посредством лабораторной газовой горелки Бунзена в течение заданного времени экспозиции. После отвода пламени горелки фиксировали продолжительность остаточного (самостоятельного) горения и длину прогорания. Так как продолжительность остаточного горения неоднозначно изменяется в зависимо-
Таблица 1. Обобщенные сведения об образцах материалов
Характеристика Образец материала
1 2 3 4 5 6
Толщина образца, мм 0,92 0,94 1,19 1,08 1,07 1,03
Поверхностная плотность образца, г/м2 1701 1766 1757 1590 1613 1511
Связующее:
тип (рабочая температура, °С) Эпоксидное (до 125) Эпоксидное (до 175) Эпоксидное (до 125) Эпоксидное (до 150) Эпоксидное, высокоэластичное Цианэфирное, высокотермостойкое
содержание, % 31,8 34,3 43,1 37,1 41,2 37,3
Тип наполнителя Стеклоткань Лента углеродная
сти от времени экспозиции, испытания проводили при двух нормированных режимах продолжительности воздействия на образец пламени газовой горелки (12 и 60 с).
Измерение интенсивности тепловыделения при горении выполняли при помощи проточного калориметра типа OSU, марки HRR-3 производства Atlas Electric Devices Company, США (ASTM E906 Configuration A), работающего по термопарному методу, при плотности падающего теплового потока на образец 35 кВт/м2 и вертикальном положении образца.
Испытания по определению дымообразующей способности проводили в дымовой камере марки SD#1 фирмы Govmark, США (ASTM E662, ГОСТ 24632-81) при двух режимах (пиролиз и пламенное горение) и плотности падающего теплового потока на образец 25 кВт/м2. При испытаниях регистрировали удельную оптическую плотность дыма (количество дыма, выделяющегося с единицы площади поверхности материала в замкнутый объем камеры) через 2 мин (D2), 4 мин (D4) и максимально достигаемую в процессе экспозиции (Dmax).
Таблица 2. Данные по составу и характеристикам пожаробезопасности образцов ПКМ для внешнего контура
Характеристика пожарной опасности Образец материала
Показатель 1 2 3 4 5 6 7(образец сравнения)
Горючесть Продолжительность экспозиции образцов пламенем горелки, с 12 60 12 60 12 60 12 60 12 60 12 60 60
Продолжительность остаточного горения, с - 2 14 1 1 2 0 0 9 2 8 3 0
Длина прогорания, мм - 167 58 122 5 94 10 78 21 56 9 44 0
Прогораемость Наличие сквозного прогара образца Нет Нет Нет Нет Нет Нет Прогорает через 40 с
Тепловыделение Максимальная интенсивность (пик), кВт/м2 136 83 149 128 79 72 0
Общее за 2 мин, кВт-мин/м2 108 74 139 96 87 80 0
Дымообразующая d2 75/82 114/54 79/18 165/8 51/8 90/12 0
способность (горение/пиролиз) D4 126/153 203/124 143/116 246/102 139/31 121/41 0
Dmax 147/245 231/212 160/232 251/231 172/134 134/158 0
Токсичность про- O2, % 16,5/20 18/20 15/20 19/20 16 /19 17/20 0
дуктов горения (максимальные концентрации CO2, % 0,3/0,3 0,3/0,3 0,5/0,05 0,5/0,3 0,5/0,05 0,45/0,3 0
CO, ppm 200/100 200/100 300/50 300/50 200/100 100/100 0
газов в дымовой HCl, ppm 0/1 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0
камере при проведении испытаний на дымооб- HF, ppm 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0
HBr, ppm 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0
разование) (горе- HCN, ppm 5/5 0/1 1/2 2/2 1/1 3/10 0
ние/пиролиз) NOX (NO+NO2), ppm 50/2 40/5 60/10 40/10 40/1 60/2 0
SO2 + H2S, ppm 3/1 2/1 5/2 2/0 30/10 10/2 0
Примечание. Данные для образца сравнения по дымообразующей способности и токсичности продуктов горения приведены только для режима горения.
Для оценки токсичности продуктов горения в дымовой камере через 4 мин после начала испытаний измеряли концентрации следующих газов: кислорода (O2), углекислого газа (CO2), угарного газа (CO), цианистого водорода (HCN), оксидов азота (NOx), хлористого водорода (HCl), фтористого водорода (HF), смеси сероводород + сернистый газ (H2S + SO2). Измерения проводили с использованием газоанализаторных трубок: производства Dräger — на CO (10. ..3000 ppm), HCN (0,5.. .50 ppm), NOX (2...100 ppm), HCl (1.10 ppm), HF (0,5.90 ppm), H2S + SO2 (1.25 ppm); СЕРВЭК—на O2 (0.25 % об.) и ООО "Импульс" — на CO2 (0.2,0 % об.).
Результаты испытаний
В каждом эксперименте было испытано по три параллельных образца. Некоторые результаты этих испытаний приведены в работах [21, 22]. Полученные усредненные экспериментальные данные по шести типам полимерных композиционных материалов и образцу сравнения представлены в табл. 2.
Все образцы композиционных материалов при испытаниях на горючесть после выноса из пламени затухали, что согласно используемой в авиационной отрасли классификации позволяет отнести их к трудносгорающим (образец 3) или самозатухающим (все остальные образцы). Наилучшими из исследованных материалов по показателям горючести являются углепластики на основе клеевых препрегов (образцы 3 и 4).
По дымообразующей способности наилучшие результаты показали углепластики (образцы 3,5и6). По тепловыделению наилучшие характеристики имеет стеклопластик из наиболее термостойкого клеевого препрега (образец 2) и углепластики (образцы 5 и 6).
Все испытанные образцы стекло- и углепластиков не имели сквозного прогара от воздействия пламени с температурой 1000 °С в течение всего времени испытания (15 мин). Таким образом, все образцы ПКМ обладают высокой огнестойкостью и не допускают проникновения открытого пламени сквозь образец. В качестве образца сравнения был взят лист алюминиевого сплава марки Д-16 ан. окс. хр. толщиной 0,6 мм. Под воздействием пламени он проплавлялся в среднем через 40 с с образованием сквозного отверстия, в результате чего происходило проникновение пламени сквозь образец.
Для всех испытываемых материалов регистрируемые концентрации образующихся токсичных газов были невелики и существенно ниже допустимых значений.
Для обеспечения возможности сопоставления характеристик различных материалов согласно процедуре, описанной в [23], для каждого типа образца были рассчитаны индексы опасности по каждому виду испытаний и общий сводный (сравнительный) индекс. Расчет индекса токсичности проводился согласно процедуре и по формуле, приведенным в [21].
В качестве предельно допустимых были взяты значения показателей, принятые для материалов интерьера авиационной техники [15], за исключением тепловыделения. Поскольку интенсивность выделения тепла при горении материалов, расположенных во внешнем контуре, не является столь же критичной, как при горении материалов, расположенных в пассажирском салоне, в качестве предельно допустимых были выбраны пороговые значения максимальной интенсивности выделения тепла — 200 кВт/м2 и общего количества выделившегося за первые 2 мин тепла — 200 кВт-мин/м2.
За минимальное предельно допустимое значение показателя прогораемости была принята огнестойкость материала, определяемая продолжительностью сохранения свойств материала (отсутствие сквозного прогорания под воздействием пламени с тем-
В 7
о
0
1
И
о «
о
И
В-§
И
■ Индекс горючести
□ Индекс тепловыделения
□ Индекс дымообразования
■ Индекс токсичности
□ Сводный индекс
■ л ■ л ■ и
1 2 3 4 5 6 7 Образец материала
Рис. 1. Индексы пожарной опасности для испытываемых образцов ПКМ и образца сравнения
пературой (1100±50) °С), равная 5 мин. Индекс про-гораемости рассчитывался как отношение продолжительности времени до прогорания образца к этому минимально допустимому значению.
Сводный индекс пожарной опасности 1Ы рассчитывался по формуле геометрической суммы:
Ш = л I
гор
12 + 12 токс прог -
где ^ ^ 1токс и 1прог — индивидуальные индексы пожарной опасности соответственно по горючести, дымообразующей способности, тепловыделению, токсичности и прогораемости. На рис. 1 приведены гистограммы индивидуальных по видам испытаний и сводных (сравнительных) индексов пожарной опасности для испытываемых материалов. Ввиду быстрого проплавления алюминиевого сплава образец сравнения лист Д-16 имеет высокий индекс прогара — в 4 раза выше, чем у образцов ПКМ; даже при остальных нулевых индексах сводный индекс пожарной опасности листа Д-16 оказывается в 4 раза выше, чем у образцов ПКМ.
Характеристики пожарной опасности полимерных композиционных материалов зависят не только от вида полимерной матрицы, но и от ее содержания в образце. При сравнительно небольшом изменении количества связующего в ряде случаев характеристики изменяются по линейному закону [24], следовательно, можно пересчитать показатели пожарной опасности для различных материалов на некоторую единую массу. На рис. 2 представлены гистограммы пересчитанных индексов пожарной опасности, приведенных к одинаковому наносу связующего, равному 600 г/м2 (при расчете предполагалось, что наполнитель не является топливом, т. е. не участвует в экзотермических реакциях окисления в процессе горения образца).
■ Индекс горючести
□ Индекс тепловыделения
□ Индекс дымообразования
■ Индекс токсичности □ Сводный индекс
3 4
Образец материала
Рис. 2. Индексы пожарной опасности для образцов ПКМ, пересчитанные исходя из одинакового наноса связующего (600 г/м2)
■ Индекс горючести
□ Индекс тепловыделения
□ Индекс дымообразования
■ Индекс токсичности □ Сводный индекс
1 2 3 4 5 6
Образец материала
Рис. 3. Индексы пожарной опасности для образцов ПКМ, пересчитанные исходя из одинаковой толщины образца (1,0 мм) и заданного содержания связующего (30 % для стеклопластиков и 40 % для углепластиков)
Сравнение характеристик композиционных материалов, имеющих различный наполнитель, правильнее проводить при заданном стандартном содержании полимерного связующего и одинаковой толщине (но не массе!)* образца. Обычно стеклопластики на конструкционной стеклоткани Т-10 содержат около 30 % полимерной матрицы, а углепластики — около 40 %. Приведенные индексы пожарной опасности ПКМ с таким содержанием связующего и толщиной образца, равной 1,0 мм, представлены на рис. 3.
Из сопоставления исходных данных угле- и стеклопластиков на одном и том же связующем (образцы 1 и 3) видно, что стеклопластик обладает не-
* Так как образцы углепластиков по сравнению со стеклопластиками имеют меньшую плотность, азначит, и меньшую массу при одной и той же толщине.
сколько меньшим тепловыделением по сравнению с углепластиком, что может быть объяснено меньшим содержанием связующего в образце. При пересчете данных на одинаковое количество нанесенного связующего (в г/м2) соотношение между индексами тепловыделения для стеклопластика и углепластика не просто выравнивается, а меняется на противоположное (см. рис. 2), и этот перепад еще больше увеличивается при пересчете на одинаковую толщину (см. рис. 3). Аналогичная картина наблюдается и для других видов испытаний. Таким образом, углепластик по сравнению со стеклопластиком по проведенным видам испытаний имеет более низкую пожарную опасность, что может быть обусловлено существенно более высокой теплопроводностью углеволокна по сравнению со стекловолокном и, соответственно, изменением условий прогрева и теплообмена при термодеструкции, а также увеличенным выходом кокса при горении.
Наилучшими характеристиками среди исследованных материалов по комплексу показателей пожарной опасности обладает углепластик на эпоксидном высокоэластичном связующем (образец 5) и углепластик из клеевого препрега с рабочей температурой до 125 °С (образец 3).
Выводы
С использованием методов оценки пожарной опасности определены характеристики шести типов полимерных композиционных материалов на основе различных полимерных матриц, имеющих в качестве наполнителя стеклоткань и углеволокно. В качестве образца сравнения использован типовой алюминиевый сплав — Д16 ан. окс. хр.
Показано, что образцы ПКМ в отличие от металлического листа имели остаточное горение и/или длину прогорания при испытаниях на горючесть, выделяли дым и тепло. В то же время образцы стекло-и углепластиков при испытаниях на прогораемость выдерживали воздействие пламени и не допускали прохождения пламени сквозь образец, тогда как дюралюминиевый лист быстро проплавлялся и не препятствовал проникновению пламени.
По результатам испытаний нескольких типов материалов установлено, что композиты на основе угольного наполнителя имеют несколько лучшие характеристики с точки зрения пожаробезопасно-сти. Повышение термостойкости связующего обеспечивает снижение пожарной опасности ПКМ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Decadal Survey of Civil Aeronautics: Foundation for the Future // Steering Committee for the Decadal Survey of Civil Aeronautics, National Research Council, 2006. — 212 p.
2. Когда горят композиты // Проблемы безопасности полетов. — 2010. — № 4. — С. 49-51.
3. Sarkos G. Evolution of FAA Fire Safety R&D Over the Years // 5th Triennial International Aircraft Fire and Cabin Safety Research Conference, October 29 - November 1, 2007. — Atlantic City, New Jersey, 2007.
4. Flammability Properties of Aircraft Carbon-Fiber Structural Composite // D0T/FAA/AR-07/57. — 2007.—43 p.
5. Full-Scale Test Evaluation of Aircraft Fuel Fire Burnthrough Resistance Improvements // DOT/FAA/AR-98/52. — 1999. — 41 p.
6. Development of a Laboratory-Scale Test for Evaluating the Decomposition Products Generated Inside an Intact Fuselage During a Simulated Postcrash Fuel Fire // D0T/FAA/AR-TN07/15. — 2008. — 48 p.
7. Flammability of Polymer Composites // D0T/FAA/AR-08/18. — 2008. — 22 p.
8. Marker T. Update Handbook Chapters // International Aircraft Materials Fire Test Working Group, Cologne, Germany, June 23, 2010.
9. Барботько С. Л. Пожаробезопасность авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии. —2012. — № S. — С. 431-439.
10. КабловЕ. Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. — 2012. — № S. — С. 7-17.
11. Barbotko S. L. Ways of providing fire safety of aviation materials // Russian Journal of General Chemistry.—2011.—Vol. 81, No. 5. —P. 1068-1074.
12. Орлов M. P. Стратегические направления развития Испытательного центра ФГУП "ВИАМ" // Авиационные материалы и технологии. — 2012. — № S. — С. 387-393.
13. Барботько С. Л., Шуркова Е. Н. О пожарной безопасности материалов, используемых для изготовления внешнего контура самолетов // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 10.
— С. 19-24.
14. Барботько С. Л., Кириллов В. Н., Шуркова Е. Н. Оценка пожарной безопасности полимерных композиционных материалов авиационного назначения // Авиационные материалы и технологии. — 2012. — № 3. — С. 56-63.
15. Авиационные правила. Глава 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории // Межгосударственный авиационный комитет. Изд. 3-е с попр. 1-6. — М.: ОАО Авиаиздат, 2009.
— 274 с.
16. ОСТ 1-90094-79. Полимерные материалы. Метод определения горючести декоративно-отделочных и конструкционных полимерных материалов. — Введ. 01.07.80 г. URL : vniiki.ru/docu-ment/3578966.aspx (дата обращения 20.09.2013 г.).
17. ГОСТ 24632-81. Материалы полимерные. Метод определения дымообразования. — Введ. 01.01.82 г. —М. : Изд-во стандартов, 1981.
18. AITM 3.0005. Determination of Specific Gas Components of Smoke Generated by Component Parts or Sub-Assemblies of Aircraft Interior // Airbus Industrie Technical Material. URL : http://www.del-sen.com/pdfs/a2lalist10a.pdf (дата обращения: 20.09.2013 г.).
19. BSS 7239. Test Method for Toxic Gas Generation by Materials on Combustion // Boeing Specification Support Standard. URL: http://www.delsen.com/alpha_test_list.htm (датаобращения: 20.09.2013 г.).
20. SMP 800-C(2000). Toxic Gas Generation Test, 2000. URL : http://www.ecoglo.ca/e20-series-strip (датаобращения: 20.09.2013 г.).
21. Барботько С. Л., Шуркова Е. Н., Вольный О. С., Скрылев Н. С. Оценка пожарной безопасности полимерных композиционных материалов для внешнего контура авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. — 2013. — № 1. — С. 56-59.
22. Шуркова Е. Н., Барботько С. Л., Дементьева Л. А., СереженковА. А. Сопоставление пожаробез-опасности ПКМ на основе клеевых препрегов, используемых для изготовления конструкций внешнего контура авиационной техники // Клеи. Герметики. Технологии. — 2013. — № 8 — C. 13-17.
23. Барботько С. Л., Роликов Н. И. О комплексной оценке пожарной опасности материалов // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 6. — С. 16-24.
24. Кузьмин С. В., Барботько С. Л. Влияние некоторых факторов на тепловыделение стеклопластиков // Авиационные материалы и технологии. — 2002. — Вып. 3. — С. 51-54.
Материал поступил в редакцию 30 сентября 2013 г.
n0^AP0B3PNB00nACH0CTb BE^ECTB M MATEPMAA0B_
COMPARATIVE EVALUATION OF FIRE POLYMER COMPOSITE MATERIALS USED TO THE MANUFACTURE OF STRUCTURAL ELEMENTS FOR AIRCRAFTS
SHURKOVA E. N., Engineer of 2nd category, Postgraduate Student, Laboratory "Research of Nonmetallic Materials on Climatic, Microbiological Resistance and Fire Safety", Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials (FSUE VIAM)" (Radio St., 17, Moscow, 105005, Russian Federation)
VOLNYJ O. S., Engineer of 2nd category, Laboratory "Research of Nonmetallic Materials on Climatic, Microbiological Resistance and Fire Safety", Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials (FSUE VIAM)" (Radio St., 17, Moscow, 105005, Russian Federation)
LUTSENKO A. N., Candidate of Technical Sciences, Head of Test Center of Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials (FSUE VIAM)" (Radio St., 17, Moscow, 105005, Russian Federation)
BARBOTKO S. L., Candidate of Technical Sciences, Head of Laboratory "Research of Nonmetallic Materials on Climatic, Microbiological Resistance and Fire Safety", Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials (FSUE VIAM)" (Radio St., 17, Moscow, 105005, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
ABSTRACT
One of ways of increase of profitability of air transportation is improvement of weight efficiency of air vehicles. This requirement can be reached at the expense of wider use of composite materials in designs of products. However the majorities of polymeric materials are capable to reactions of exothermic oxidation and can significantly change the characteristic of development of fire in case of polymer composite material (PCM) application instead of aluminum alloys. On the other hand, in case of influence of elevated temperatures aluminum alloys quickly lose bearing capacity and burn through, therefore replacement of metals by PCM can lead to increase of fire resistance of external circuit of flight vehicles and survival of people in case of flight incidents of the land fires connected with emergence from the spread fuel. In this work studying of characteristics of fire safety glass and carbon fiber-reinforced plastics, perspective for broad application on external contour in products of different industries is carried out.
Aviation engineering combines large amount of hydrocarbon fuel, high concentration of people and complexity in operational carrying out evacuation. Flight incidents often occur at adverse weather conditions and can be on considerable removal from places of basing of fire-fighting crews. In this regard to materials of aviation assignment increased requirements on fire safety are shown. Therefore assessment of fire safety of materials carried out according to methods being used in the aviation industry. On the basis of these results of tests indexes of fire danger, including taking into account reduction of samples to the identical weight, thickness or deposit of the binding have been calculated. The model specimen of comparison — leaf of aluminum alloy of the D-16 brand at tests did not allocate smoke and heat, did not extend flame on surface, however quickly melted and allowed through penetration of flame. It is shown that carbon fiber-reinforced plastics with the high heat-resistant bindings have the best characteristics of fire safety.
Keywords: polymeric composite material; fire safety; external contour; aviation techniques.
REFERENCES
1. Decadal Survey of Civil Aeronautics: Foundation for the Future. Steering Committee for the Decadal Survey of Civil Aeronautics, National Research Council, 2006. 212 p.
2. Kogda goryat kompozity [When composites burn]. Problemy bezopasnostypolyetov — Aviation Safety Problems, 2010, no. 4, pp. 49-51.
3. Sarkos G. Evolution of FAA Fire Safety R&D Over the Years. 5th Triennial International Aircraft Fire and Cabin Safety Research Conference, October 29 - November 1, 2007, Atlantic City, New Jersey, 2007.
4. Flammability Properties of Aircraft Carbon-Fiber Structural Composite. DOT/FAA/AR-07/57. 43 p.
5. Full-Scale Test Evaluation of Aircraft Fuel Fire Burnthrough Resistance Improvements. DOT/FAA/AR-98/52. 41 p.
6. Development of a Laboratory-Scale Test for Evaluating the Decomposition Products Generated Inside an Intact Fuselage During a Simulated Postcrash Fuel Fire. DOT/FAA/AR-TN07/15. 48 p.
7. Flammability of Polymer Composites. DOT/FAA/AR-O8/I8. 22 p.
8. Marker T. Update Handbook Chapters. International Aircraft Materials Fire Test Working Group, Cologne, Germany, June 23, 2010.
9. Barbotko S. L. Pozharobezopasnost aviatsionnykh materialov [Fire safety of aviation materials]. Avia-tsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2012, no. S, pp. 431-439.
10. Kablov E. N. Strategicheskiye napravleniya pazvitiya materialov i tekhnologiy ikh pererabotki na period do 2030 goda [Strategic of the direction of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2012, no. S, pp. 7-17.
11. Barbotko S. L. Ways of providing fire safety of aviation materials. Russian Journal of General Chemistry, 2011, vol. 81, no. 5, pp. 1068-1074.
12. Orlov M. R. Strategicheskiye napravleniya razvitiya Ispytatelnogo tsentra FGUP "VIAM" [Strategic directions of development of the Test center FSUE VIAM]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2012, no. S, pp. 387-393.
13. Barbotko S. L., Shurkova E. N. O pozharnoy bezopasnosti materialov, ispolzuyemykh dlya izgotovle-niya vneshnego kontura samolyetov [About fire safety ofthe materials used for manufacturing of an external contour of aircrafts]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 10, pp. 19-24.
14. Barbotko S. L., Kirillov V. N., Shurkova E. N. Otsenka pozharnoy bezopasnosti polimernykh kompo-zitsionnykh materialov aviatsionnogo naznacheniya [Estimation of fire safety for polymeric composite materials of aviation purpose]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii —Aviation Materials and Technology, 2012, no. 3, pp. 56-63.
15. Aviation rules. Chapter 25. Airworthiness norms of a transport category airplanes. Interstate Aviation Committee. Ed. 3 with amendments 1-6. Moscow, Aviaizdat, 2009. 274 p. (in Russian).
16. Industry Standard 1 90094-79. Polymeric materials. Method of determination of combustibility of decorative and finishing and constructional polymeric materials. Available at: vniiki.ru/document/ 3578966.aspx (Accessed 20 September 2013) (in Russian).
17. State Standard 24632-81. Materials polymer. Methodfor determination ofsmoke development. Moscow, Izdatelstvo standartov, 1981 (in Russian).
18. AITM 3.0005. Determination of Specific Gas Components of Smoke Generated by Component Parts or Sub-Assemblies of Aircraft Interior. Airbus Industrie Technical Material. Available at: http://www.delsen.com/pdfs/a2lalist10a.pdf (Accessed 20 September 2013).
19. BSS 7239. Test Method for Toxic Gas Generation by Materials on Combustion. Boeing Specification Support Standard. Available at: http://www.delsen.com/alpha_test_list.htm (Accessed 20 September 2013).
20. SMP 800-C(2000). Toxic Gas Generation Test, 2000. Available at: http://www.ecoglo.ca/e20-series-strip (Accessed 20 September 2013).
21. Barbotko S. L., ShurkovaE. N., VolnyyO. S., SkrylyevN. S. Otsenka pozharnoy bezopasnosti polimernykh kompozitsionnykh materialov dlya vneshnego kontura aviatsionnoy tekhniki [Estimation of fire safety of polymeric composite materials for an external contour of aviation technics]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2013, no. 1, pp. 56-59.
22. Shurkova E. N., Barbotko S. L., Dementyeva L. A., Serezhenkov A. A. Sopostavleniye pozharoopas-nosti PKM na osnove kleevykh prepregov, ispolzuyemykh dlya izgotovleniya konstruktsiy vneshnego kontura aviatsionnoy tekhniki [Comparison of fire safety of PKM on the basis ofthe glue prepregs used for manufacturing of designs of external circuit of aviation engineering]. Klei. Germetiki. Tekhnologii — Glues. Sealing. Technologies, 2013, no. 8, pp. 13-17.
23. Barbotko S. L., Golikov N. I. O kompleksnoy otsenke pozarnoy opasnosti materialov [About a complex estimation of fire danger of materials]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 6, pp. 16-24.
24. Kuzmin S. V., Barbotko S. L. Vliyaniyenekotorykhfaktorovnateplovydeleniye stekloplastikov [Influence of some factors on a heat release of fiberglasses]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii—Aviation Materials and Technology, 2002, issue 3, pp. 51-54.
