Исследование свойств, механизма и применения малодымных и безгалогенных материалов (LSZH) для аэрокосмической продукции

Исследование свойств, механизма и применения

Безгалогенные материалы с низким дымовыделением (LSZH) для аэрокосмической продукции

I. Введение

1.1 Предыстория исследования

В условиях бурного развития авиационно-космической техники возросли требования к материальной безопасности, экологичности и надежности в пилотируемой космонавтике, освоении дальнего космоса и космосе.

Строительство станций постоянно расширяется. Традиционные галогенсодержащие огнезащитные материалы больше не могут отвечать строгим требованиям аэрокосмической отрасли из-за их плохих экологических показателей и высокотоксичных продуктов сгорания.

Материалы с низким содержанием дыма и нулевым содержанием галогенов (LSZH) стали своевременным решением. Их основные преимущества включают в себя: отсутствие выделения галогенных газов при горении, чрезвычайно низкое дымообразование, низкую токсичность, слабую коррозионную активность при одновременном превосходном огнестойкости, механической прочности и экологической устойчивости. Эти характеристики идеально соответствуют требованиям безопасного обслуживания аэрокосмической продукции, что делает материалы LSZH горячей точкой исследований и ключевым направлением развития в области современных аэрокосмических материалов.

1.2 Текущий статус исследований в стране и за рубежом

Статус отечественных исследований

1.3 Значение исследования

• Повышение безопасности аэрокосмической продукции: материалы LSZH не выделяют токсичных галогенных газов и имеют низкий дым при горении, что эффективно предотвращает отравление и удушье персонала, а также коррозионное повреждение оборудования во время пожаров, тем самым снижая риски космических полетов;
• Соответствие требованиям эксплуатации в экстремальных условиях: отличная стойкость к высоким и низким температурам, радиационная стойкость и устойчивость к старению адаптируются к сложным условиям эксплуатации внутри и снаружи кабин космических кораблей, обеспечивая долгосрочную стабильную службу материалов;
• Содействие внутренней замене аэрокосмических материалов: преодоление иностранных технологических монополий, достижение независимого контроля над высокоэффективными материалами LSZH, снижение затрат на производство аэрокосмического оборудования и повышение основной конкурентоспособности аэрокосмической промышленности Китая;
• Практика концепций «зеленой» аэрокосмической отрасли: безгалогенные, малотоксичные и экологически чистые характеристики соответствуют требованиям «зеленого» производства и устойчивого развития в аэрокосмической области, способствуя высококачественному развитию аэрокосмической отрасли.

1.4 Содержание исследования

• Определение, классификация и основные характеристики материалов LSZH;
• Огнезащитные и дымоподавляющие механизмы материалов ЛСЖ (конденсированная фаза, газовая фаза, синергетическая огнестойкость);
• Основные стандарты и требования к ключевым показателям эффективности для материалов LSZH в аэрокосмической области;
• Типичные сценарии применения и технические требования к материалам LSZH в аэрокосмической продукции;
• Проблемы узких мест и направления оптимизации аэрокосмических материалов ЛСЖ;
• Будущие тенденции исследований и разработок высокоэффективных материалов LSZH для аэрокосмической отрасли.

II. Определение, классификация и основные характеристики материалов LSZH

2.1 Определение

• Безгалогеновый: общее содержание галогенов в материале составляет ≤0,5% (массовая доля), при горении не выделяются галогеноводородные газы, такие как HCl и HBr, что позволяет избежать коррозии и отравления персонала и оборудования;
• Низкий дым: плотность дыма во время сгорания материала чрезвычайно низка, светопропускание составляет ≥60% (стандарт IEC 61034-2), что снижает затруднение обзора дымом и повышает эффективность реагирования на чрезвычайные ситуации.

2.2 Классификация

• Матричная смола: полиэтилен (ПЭ), сополимер этилена и винилацетата (EVA), полипропилен (ПП) и их смеси;
• Огнезащитная система: в основном неорганические антипирены, такие как гидроксид алюминия (ATH) и гидроксид магния (MH), в сочетании с красным фосфором и фосфорно-азотными антипиренами;
• Основные характеристики: Низкая плотность, хорошая технологичность, высокая гибкость, низкая стоимость, отличная устойчивость к атмосферным воздействиям; долговременная термостойкость -60°C~125°C, подходит для изоляции и оболочки аэрокосмических кабелей, легких структурных компонентов;
• Типичная продукция: кабельные компаунды LSZH из сшитого полиолефина для аэрокосмической отрасли, уплотнительные прокладки LSZH на основе EVA.

Материалы LSZH на основе полиуретана

• Матричная смола: термопластичный полиуретан (ТПУ), литой полиуретан (ЦП);
• Огнезащитная система: Реактивные фосфорно-азотные антипирены, вспучивающиеся антипирены (IFR);
• Основные характеристики: Высокая эластичность, высокая износостойкость, отличная низкотемпературная вязкость, стойкость к маслу и коррозии; долговременная термостойкость -40°C~100°C, подходит для внутренних амортизирующих компонентов, уплотнений, гибких трубопроводов и оболочек кабелей в аэрокосмической отрасли;
• Типичные продукты: полиуретан для амортизации сидений в аэрокосмической отрасли, полиуретановый герметик LSZH.

Материалы LSZH на основе полиимида

• Матричная смола: полиимид (PI), полиэфиримид (PEI);
• Огнезащитная система: присущая огнестойкость (молекулярная цепь содержит жесткую имидную структуру), дополнительные антипирены не требуются;
• Основные характеристики: Устойчивость к сверхвысоким температурам (длительная 260°C, кратковременная 500°C), отличная механическая прочность, радиационная стойкость, устойчивость к старению, низкий дымовыделение и отсутствие галогенов; подходит для структурных компонентов высокотемпературных зон, герметизации электронных компонентов и высокотемпературной изоляции кабелей космических аппаратов;
• Типичная продукция: Аэрокосмические высокотемпературные конструкционные листы PI, полиимидные пленки LSZH.

Материалы LSZH на основе эпоксидной смолы

• Матричная смола: эпоксидная смола с бисфенолом А, фенольная эпоксидная смола;
• Огнезащитная система: фосфорные антипирены, азотные антипирены, неорганический состав нанонаполнителей;
• Основные характеристики: Высокая прочность соединения, небольшая усадка при отверждении, стойкость к химической коррозии, отличные огнезащитные свойства; долговременная термостойкость -50°C~180°C, подходит для герметизации электронных компонентов аэрокосмической отрасли, композитной матрицы и склеивания структурных компонентов;
• Типичные продукты: Эпоксидная смола LSZH для аэрокосмической электронной герметизации, композиты LSZH из углеродного волокна и эпоксидной смолы.

2.3 Основные характеристики

Огнестойкие характеристики

Огнезащитные характеристики являются основным показателем аэрокосмических материалов LSZH, требующих соответствия рейтингу UL94 V-0 , вертикальному горению FAR 25.853 и требованиям огнестойкости класса A Предельный кислородный индекс (LOI) ≥30%, при этом для некоторых материалов, работающих при высоких температурах, требуется LOI ≥35%, что обеспечивает затрудненное горение в закрытых помещениях и препятствует распространению пламени. GJB 1709 , что означает, что материалы гаснут сразу после удаления пламени, без длительного горения или явления капельного воспламенения.

Низкий дым и низкая токсичность

• Низкий дым: плотность дыма при горении (светопропускание) ≥60% (IEC 61034-2), рейтинг плотности дыма (SDR) ≤50, что снижает препятствие дымообразованию и опасность токсичности;
• Низкая токсичность: рейтинг токсичности горючих газов достигает уровня туберкулеза (низкая токсичность), без выделения высокотоксичных газов, таких как галогеноводороды и цианистый водород, что соответствует требованиям безопасности космонавтов внутри кабин космических кораблей.

Механические свойства

Экологическая адаптивность

• Устойчивость к высоким и низким температурам: долговременная стабильность при -65°C~125°C, материалы высокотемпературной зоны устойчивы к 260°C, отсутствие хрупкого растрескивания при низких температурах и отсутствие размягчения или деформации при высоких температурах;
• Устойчивость к радиации: выдерживает излучение частиц высокой энергии (γ-лучи, электронные лучи), с сохранением механических характеристик ≥80% после облучения, без деградации, обесцвечивания или охрупчивания;
• Устойчивость к старению: снижение производительности ≤20% после термоокислительного старения и УФ-старения, что обеспечивает стабильность и надежность долгосрочной службы на орбите (15–20 лет);
• Низкая летучесть: коэффициент потери массы (TML) ≤1% в условиях высокого вакуума, собранный летучий конденсационный материал (CVCM) ≤0,1%, что позволяет избежать летучих загрязнений прецизионных инструментов.

Обработка и совместимость

III. Основные стандарты и требования к характеристикам материалов LSZH в аэрокосмической области

3.1 Базовая стандартная система

• GJB 773A-2000 «Общие спецификации для аэрокосмических кабелей»: определяет требования к огнестойкости, малодымности, безгалогенности, устойчивости к высоким и низким температурам и радиационной стойкости для материалов изоляции/оболочек LSZH, используемых в аэрокосмических кабелях;
• GJB 1709-1993 «Общие спецификации для огнестойких материалов для военного электронного оборудования»: уточняет рейтинг огнестойкости (класс A), плотность дыма, рейтинг токсичности и показатели механических характеристик для материалов LSZH, используемых в аэрокосмическом электронном оборудовании;
• GJB 2485-1995 «Метод испытаний на вакуумную дегазацию материалов космического корабля»: стандартизирует методы испытаний летучих веществ для материалов LSZH в высоком вакууме, требующие TML ≤1% и CVCM ≤0,1%;
• HB 5470-1991 «Методы испытаний на горение авиационных неметаллических материалов»: определяет методы испытаний на вертикальное и горизонтальное горение для материалов LSZH для внутренних работ в аэрокосмической отрасли.

Международные стандарты

• SAE AS 22759 «Стандарт для аэрокосмических изолированных проводов»: основной американский стандарт для аэрокосмических кабелей, требующий, чтобы материалы LSZH соответствовали термостойкости от -65 ° C до 200 ° C, огнестойкости UL94 V-0 и требованиям к безгалогенному низкому дымообразованию.;
• FAR 25.853 «Характеристики горения материалов салона самолета»: обязательный международный стандарт гражданской авиации, требующий, чтобы материалы салона аэрокосмической техники самозатухали в течение 12 секунд при испытаниях на вертикальное горение без устойчивого горения или капания;
• IEC 60332-3 «Испытание на возгорание пучка кабелей»: Международный стандарт огнестойкости кабелей, требующий, чтобы кабели LSZH для аэрокосмической отрасли прошли испытания на возгорание пучков класса А;
• IEC 61034-2 «Испытание на плотность дыма при горении кабеля»: определяет метод испытаний, требующий, чтобы коэффициент пропускания дыма для материала LSZH составлял ≥60%.

3.2 Требования к ключевым показателям эффективности

Основные показатели эффективности материалов LSZH, сочетающие аэрокосмические стандарты и требования к обслуживанию, показаны в Таблице 1 :

3.3 Дифференцированные требования для аэрокосмических сценариев

• Основные требования: приоритет низкой токсичности, вторичная огнестойкость, чрезвычайно низкий дымовыделение; дымовые газы не содержат цианистого водорода и галогеноводородов, светопропускание ≥70%, соответствует требованиям безопасности жизни космонавтов;
• Применимые материалы: внутренние части LSZH на основе полиуретана, кабели LSZH на основе полиолефина, малотоксичные эпоксидные герметизирующие материалы.

Беспилотные космические аппараты (спутники, зонды)

• Основные требования: приоритет огнестойкости, низкая адаптация к дыму, высокая стабильность; упор на подавление повреждений оборудования, вызванных пожарами, с повышенными требованиями к радиационной стойкости и вакуумостойкости, TML ≤0,5%;
• Применимые материалы: конструкционные компоненты LSZH на основе полиимида, герметизирующие материалы LSZH на основе эпоксидной смолы, кабели из сшитого полиолефина.

Ракеты-носители

• Основные требования: высокая термостойкость, огнестойкость, низкий дымовыделение, легкий вес; конструктивные элементы устойчивы к температуре -65°С~180°С, кабели должны выдерживать пусковую вибрацию и высокие температуры, плотность не более 1,5 г/см⊃3;;
• Применимые материалы: композиты LSZH из углеродного волокна и эпоксидной смолы, оболочка кабеля LSZH на основе EVA, термостойкие полиимидные пленки.

IV. Типичные применения материалов LSZH в аэрокосмической продукции

4.1 Изоляция и оболочка аэрокосмического кабеля

• Изоляционный слой: устойчивость к высоким и низким температурам, радиационная стойкость, высокая изоляция, низкий дым и отсутствие галогенов, огнезащитный; длительная термостойкость -65°С~125°С, пробойная прочность ≥20 кВ/мм;
• Оболочный слой: износостойкость, маслостойкость, устойчивость к старению, огнестойкость, низкий дым и отсутствие галогенов, высокая гибкость; выдерживает стартовую вибрацию и удар микрометеороида, удлинение при разрыве ≥200%.

Выбор материала и применение

• Изоляционный слой: материалы LSZH на основе сшитого полиолефина (XLPE) (система EVA/ATH/красный фосфор), термостойкость до 125°C, с отличными изоляционными характеристиками, сертифицированы GJB 773A, используются для кабелей управления космических кораблей и космических станций в Шэньчжоу;
• Оболочный слой: материалы LSZH на основе термопластичного полиуретана (ТПУ), обладающие высокой износостойкостью, высокой эластичностью, маслостойкостью, адаптирующиеся к сложным внекабинным условиям, используемые для корпусов ракет-носителей и внешних кабелей спутников;
• Высокотемпературные кабели: изоляционные материалы LSZH на основе полиимида (PI), термостойкие до 260°C, используемые для электронных кабелей вокруг двигателей космических кораблей и в зонах с высокими температурами.

4.2 Аэрокосмические интерьеры и структурные компоненты

• Амортизация сиденья: пенопластовые материалы LSZH на основе полиуретана, плотностью ≤0,5 г/см⊃3;, высокоэластичные, малодымные и малотоксичные, соответствующие требованиям огнестойкости FAR 25.853, используемые для сидений космонавтов пилотируемых космических кораблей;
• Внутренние декоративные панели: листы LSZH на основе полиолефина, огнестойкие, класса V-0, малодымные, устойчивые к старению, легкие и простые в обработке, используются для внутренней отделки кабин космических станций;
• Уплотнительные прокладки/полоски: EVA/резиновый материал LSZH, маслостойкий, устойчивый к высоким и низким температурам, высокоэластичный, используется для уплотнений дверей и окон кабины для предотвращения утечки газа.

Легкие структурные компоненты

• Кронштейны/корпуса сателлитов: композиты LSZH на основе углеродного волокна и эпоксидной смолы, прочность на разрыв ≥500 МПа, плотность ≤1,2 г/см⊃3;, огнестойкость V-0, радиационная стойкость, достигается единство легкого веса и высокой прочности;
• Платы для монтажа приборов: материалы LSZH на основе полиимида, армированные стекловолокном, термостойкие до 200°C, механически стабильные, малодымные и не содержащие галогенов, используемые для прецизионного монтажа и фиксации приборов на космических кораблях.

4.3 Инкапсуляция электронных компонентов аэрокосмической отрасли

• Огнестойкость: рейтинг UL94 V-0, предотвращает возгорание, вызванное короткими замыканиями;
• Низкая летучесть: TML ≤0,5%, CVCM ≤0,05%, что позволяет избежать летучих загрязнений микросхем и печатных плат;
• Устойчивость к радиации: отсутствие значительного ухудшения характеристик после гамма-излучения;
• Прочность соединения: ≥15 МПа, что обеспечивает прочное соединение между компонентами и печатными платами.

Выбор материала и применение

4.4 Аэрокосмические композиционные матричные материалы

Композиты LSZH из углеродного волокна и эпоксидной смолы

Полиимидные композиты LSZH, армированные стекловолокном

V. Проблемы узких мест и направления оптимизации аэрокосмических материалов LSZH

5.1 Существующие проблемы с узкими местами

Недостаточная долговременная стабильность в экстремальных условиях

Очевидные недостатки огнестойкости при высоких температурах

Эффективность дымоподавления и показатели низкой токсичности будут улучшены

Заметное противоречие между себестоимостью и крупномасштабным производством

5.2 Направления оптимизации

• Наноантипирены: нанокрасный фосфор, наномонтмориллонит, наноSiO₂ с содержанием ≤5%, значительно улучшающие огнезащитные и механические свойства;
• Реактивные антипирены: введение элементов фосфора и азота в молекулярные цепи полимера для достижения внутренней огнестойкости, предотвращения миграции и осаждения огнезащитного состава.

Модификация для стабилизации экстремальных условий

• Сшивка облучением: использование облучения электронным лучом для формирования трехмерных сетчатых структур в молекулярных цепях полимеров, повышение термостойкости материала, радиационной стойкости и механической прочности;
• Нано-композит: добавление нано-TiO₂ и нано-ZnO для усиления старения материала под воздействием ультрафиолета и радиационной устойчивости;
• Покрытие поверхности: нанесение устойчивых к высоким температурам и радиации покрытий для изоляции от сильной экологической эрозии.

Недорогая разработка жаропрочных материалов LSZH

• Разработать устойчивые к высоким температурам полиолефины и модифицированные полиуретановые материалы, улучшающие термостойкость до 180–200 °C за счет повышения жесткости молекулярной цепи, при стоимости всего 1/3 стоимости полиимида.;
• Оптимизировать процессы синтеза полиимидов, используя недорогие мономеры (такие как пиромеллитовый диангидрид, заменяющие некоторые дорогие мономеры) для снижения производственных затрат и содействия крупномасштабному применению.

Подавление дыма и повышение эффективности низкой токсичности

• Исследовать и разрабатывать вспучивающиеся антипирены для подавления дыма, способствующие образованию более плотных слоев угля во время сгорания материала для подавления образования дыма и улучшения светопропускания до ≥70%;
• Оптимизируйте составы для снижения выбросов токсичных газов, таких как CO и NOx, достижения рейтинга токсичности при горении TA (нетоксичный), отвечающего экстремальным требованиям безопасности пилотируемых космических кораблей.

Зеленое недорогое крупномасштабное производство

• Внедрить эффективные производственные процессы, такие как смешивание расплавов и реактивная экструзия, упрощая процессы, повышая эффективность производства и снижая потребление энергии;
• Перерабатывать и повторно использовать отходы производства аэрокосмических материалов, обеспечивая циклическое использование и снижая затраты на сырье;
• Разрабатывать материалы LSZH на биологической основе (такие как полиуретан и эпоксидная смола на биологической основе), сочетая защиту окружающей среды и низкую стоимость, способствуя развитию экологически чистых аэрокосмических материалов.

VI. Выводы и перспективы

1. Материалы с низким дымовыделением и нулевым галогеном (LSZH) с их основными характеристиками, такими как безгалогенная низкая токсичность, низкая дымовыделение, огнестойкость, механическая стабильность и адаптируемость к окружающей среде, идеально соответствуют требованиям безопасной эксплуатации аэрокосмической продукции в закрытых помещениях и экстремальных условиях. Они стали предпочтительными безопасными материалами для аэрокосмических кабелей, внутренних конструкций, электронной герметизации и композитных материалов;
2. Огнезащитные свойства и подавление дыма материалов LSZH являются результатом сочетания нескольких механизмов: конденсированной фазы (поглощение тепла, образование угля, разбавление), газовой фазы (захват радикалов, инертное разбавление) и синергетического подавления дыма . Эффективная конструкция огнезащитной системы является ключом к балансу огнестойкости и механических свойств;
3. Материалы LSZH в аэрокосмической области должны соответствовать строгим стандартам, таким как GJB, SAE и FAR , с упором на пять аспектов: огнестойкость, малодымность, отсутствие галогенов, механические свойства и адаптируемость к окружающей среде. Дифференцированные требования к пилотируемым/беспилотным космическим кораблям и ракетам-носителям значительны;
4. Современные аэрокосмические материалы LSZH по-прежнему сталкиваются с узкими местами, включая трудности в балансировании огнестойкости и механических свойств, недостаточную устойчивость к экстремальным условиям окружающей среды, недостатки в работе при высоких температурах и высокую стоимость, что ограничивает их дальнейшее широкомасштабное применение;
5. Благодаря разработке эффективных огнезащитных систем, экстремальному изменению окружающей среды, недорогой разработке устойчивых к высоким температурам материалов, а также подавлению дыма и повышению низкой токсичности можно эффективно преодолеть существующие технические узкие места, способствуя высококачественному применению материалов LSZH в аэрокосмической области.

С постоянным развитием пилотируемых космических полетов, исследования дальнего космоса, строительства космических станций и других аэрокосмических проектов требования к высокой производительности, высокой стабильности, низкой стоимости и экологичности материалов LSZH будут еще больше возрастать. Будущие исследования, разработки и применение материалов LSZH для аэрокосмической отрасли будут отражать следующие тенденции:

1. Высокая производительность: уделяя особое внимание устойчивости к сверхвысоким температурам (260°C+), чрезвычайно низкому дымообразованию и низкой токсичности, сверхвысокой механической прочности и сверхдлительному сроку службы (20+ лет), разработка материалов LSZH нового поколения, адаптированных к экстремальным миссиям, таким как исследование дальнего космоса и пилотируемая посадка на Луну;
2. Многофункциональная интеграция: достижение многофункциональной интеграции огнестойкости, низкого дымообразования, радиационной стойкости, теплопроводности, электропроводности и легкого дизайна, отвечающего интегрированным и интеллектуальным требованиям проектирования аэрокосмической продукции;
3. Экологичность и низкая стоимость: материалы LSZH на биологической основе, переработанные материалы и эффективные низкоэнергетические производственные процессы становятся горячими точками исследований и разработок, способствуя разработке экологически чистых и низкоуглеродных аэрокосмических материалов;
4. Интеллект: разработка самовосстанавливающихся, огнестойких предупреждающих и экологически чувствительных интеллектуальных материалов LSZH, повышающих безопасность и надежность эксплуатации аэрокосмической продукции;
5. Внутреннее замещение и автономия: Дальнейшее преодоление иностранных технологических монополий, достижение полного автономного контроля над высококачественными материалами LSZH, основными антипиренами и ключевым производственным оборудованием, поддержка высококачественного развития аэрокосмической промышленности Китая.

Будучи «хранителем» аэрокосмической безопасности , технологический прогресс материалов LSZH будет продолжать защищать аэрокосмическую технику.