火焰侵蚀下碳纤维的损伤演化及杂质的作用
流体动力学
2025-05-05 v1
摘要
碳纤维（CFs）在火灾侵袭下（例如在飞机火灾场景中）极易发生剧烈氧化。本工作研究了具有不同微观结构的聚丙烯腈（PAN）基碳纤维暴露于明火时所观察到的损伤机制。我们开发了一种定点技术，通过时间控制将单根碳纤维插入预混的甲烷/空气火焰中，随后进行扫描电子显微镜（SEM）和能量色散 X 射线光谱（EDS）分析，以此来跟踪单根碳纤维。除了直径减小外，在杂质存在的情况下还识别出三种局部损伤机制，这些杂质通过中子活化分析（NAA）进行了定量。严重点蚀归因于主要由碱金属和碱土金属引起的催化氧化。在杂质与碳表面之间的催化反应占主导的初始阶段之后，火焰的化学计量比主导了碳纤维的气化过程，贫燃火焰比富燃火焰更具侵蚀性。第二种机制，即沟道效应，是由可移动的金属杂质引起的。一些杂质表现出相反的效果，降低了反应活性，从而阻止了进一步的催化作用。带有表皮剥落效应的非晶化损伤被认为是高浓度局部杂质和微观结构变化的结果。讨论了杂质之间的阻碍或协同效应。最后，确定了表观轴向点蚀生长速率，并与其他碳质材料进行了比较，揭示了杂质和火焰反应气氛对碳纤维氧化的强烈影响。
引用
@article{arxiv.2505.01408,
title = {Carbon fiber damage evolution under flame attack and the role of impurities},
author = {Pablo Chavez-Gomez and Tanja Pelzmann and Darren R. Hall and Cornelia Chilian and Louis Laberge Lebel and Etienne Robert},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.01408},
year = {2025}
}