应用形状记忆合金的防火隔热组合面料研究

论文摘要

本文根据消防员可能会面临的瞬时高温火灾事故环境，研究防火隔热性能优良并且材质轻便的组合面料，在瞬时超高温火灾环境中给消防员提供充分的特殊部位保护（如背部），为消防员自身安全提供更多的防护。该防火隔热组合面料包括从外到内依次设置的耐高温防火外层、反射层、隔热层和阻燃内层四层。本文通过理论分析，制定组合面料及各层材料的相关性能及要求，选择合适的原材料作为组合面料的各层材料，测试了组元材料的相关性能，提出了应用玻璃纤维二氧化硅气凝胶毡和隔热空气层作为隔热层的设想，研究了多种防火隔热组合面料的组合方式、热防护性能和防火隔热性能，最后应用ANSYS软件建立了该防火隔热组合面料的传热分析计算模型，获得防护性能和防火隔热性能均优异的组合面料。本文研究内容与分析结论涉及以下四个方面：第一，研究了组合面料各层材料的性能要求。在文中对耐高温防火外层材料的使用温度和极限氧指数，反射层材料的发射率，隔热层材料的使用温度和导热系数，阻燃内层材料的使用温度和可燃性提出了要求。通过理论推导选择合适的原材料作为组合面料的各层并测试了它们的相关性能。结果表明：玄武岩纤维能承受800℃以上高温且有一定的隔热性能，适合作为耐高温防火外层材料；玻璃纤维二氧化硅气凝胶毡具有低密度、耐高温及永久隔热的优点，适合作为隔热层材料；蚊香形形状记忆弹簧的动作温度在45℃左右，具有一定的弹力，可形成20mm的隔热空气层；芳砜纶织物耐高温，具有良好的阻燃性能以及热稳定性能，可作为阻燃内层。第二，制定了组合面料的性能要求。要求组合面料的热防护性能（TPP值）大于60，防火隔热性能为在800℃高温火焰上燃烧60s组合面料冷面温度不高于50℃，在450℃高温火焰上燃烧180s组合面料冷面温度不高于50℃。分别研究了应用形状记忆弹簧的瞬时隔热组合面料和应用玻璃纤维二氧化硅气凝胶毡的永久隔热组合面料的组合方式、热防护性能和防火隔热性能，并用ORIGN软件对得到的数据进行分析处理。结果显示：瞬时隔热组合面料的综合热防护性能为47.6，经450℃高温火焰燃烧20s冷面温度达到50℃，经800℃高温火焰燃烧15s冷面温度达到50℃；应用气凝胶的永久隔热组合面料的热防护性能大于60，经450℃高温火焰燃烧140s冷面温度达到50℃，经800℃高温火焰燃烧44s冷面温度达到50℃。第三，研究了应用气凝胶毡和形状记忆弹簧构成空气层的防火隔热组合面料的组合方式、热防护性能和防火隔热性能，用ORIGN软件对得到的数据进行分析处理。结果显示：该组合面料的防火隔热性能和热防护性能均满足文中组合面料的性能要求。经450℃的高温瞬时火焰燃烧900s后组合面料冷面温度始终不超过50℃，经800℃高温火焰燃烧90s冷面温度达到50℃。TPP测试显示热防护性能大于60，防护性能和防火隔热性能优异。第四，应用ANSYS软件对组合面料的防火隔热模拟分析的结果与实验结果匹配程度较高，特别是单层气凝胶毡传热模型，模型基本有效。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 防护服研究现状
• 1.2.2 形状记忆合金在热防护中的应用
• 1.2.3 热防护性能的测试方法
• 1.3 课题理论基础
• 1.3.1 高温传热机理
• 1.3.2 隔热机理
• 1.3.3 有限元分析
• 1.4 课题主要研究内容及创新点
• 1.4.1 创新点
• 1.4.2 课题主要研究内容
• 第二章 实验原材料选择和性能测试
• 2.1 热反射层
• 2.1.1 不锈钢箔的基本性能
• 2.1.2 不锈钢箔耐火性能
• 2.2 耐高温防火外层
• 2.2.1 玄武岩纤维基本性能
• 2.2.2 保温隔热性能
• 2.3 气凝胶隔热层
• 2.3.1 保温隔热性能
• 2.3.2 热防护性能
• 2.3.3 防火隔热性能
• 2.4 空气隔热层
• 2.4.1 形状记忆弹簧的反应速率和变形温度
• 2.4.2 弹簧的弹力和起弹高度
• 2.4.3 形状记忆弹簧在组合面料中的分布
• 2.4.4 空气层高度选择
• 2.5 阻燃内层
• 2.5.1 阻燃性能
• 2.5.2 热稳定性能
• 2.5.3 断裂强力
• 2.6 小结
• 第三章 防火隔热组合面料的设计及防火隔热性能综合分析
• 3.1 应用形状记忆合金的瞬时隔热组合面料
• 3.1.1 组合方式
• 3.1.2 热防护性能测试
• 3.1.3 防火隔热性能测试
• 3.2 应用气凝胶的永久隔热组合面料
• 3.2.1 组合方式
• 3.2.2 热防护性能测试
• 3.2.3 防火隔热性能测试
• 3.3 应用玻璃纤维二氧化硅气凝胶和形状记忆合金的防火隔热组合面料
• 3.3.1 组合方式
• 3.3.2 热防护性能测试
• 3.3.3 防火隔热性能测试
• 3.4 小结
• 第四章 隔热模型的建立
• 4.1 非稳态导热
• 4.2 ANSYS软件热分析
• 4.2.1 瞬态热分析概述
• 4.2.2 ANSYS瞬态热分析基本过程
• 4.3 防火隔热实验的数值模拟
• 4.3.1 模型假设
• 4.3.2 几何模型
• 4.3.3 材料属性
• 4.3.4 施加载荷计算与求解
• 4.3.5 后处理
• 4.4 实验结果与数值模拟的比对
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 结论
• 5.2 未来的展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢