一、引言

植物纤维因其可再生、环保和可降解的优势，具有替代复合材料中传统合成纤维的潜力，有助于减少碳排放。尽管植物纤维增强复合材料具有许多优点，但其易燃性和力学性能是限制其在航空内饰和轨道交通领域应用所面临的关键问题。尽管目前的阻燃方法可以延缓或终止植物纤维增强复合材料的燃烧过程，但未深入研究分析由植物纤维特殊的化学成分和捻度结构导致复合材料不同于传统合成纤维的特有燃烧行为，也未基于其燃烧特性来设计针对性的阻燃策略。

针对这一问题，同济大学航空航天与力学学院的研究学者通过一系列实验方法，结合有限元仿真研究了植物纤维增强复合材料独特的燃烧行为和灯芯效应。文章发表于复合材料Top期刊《Composites Part B》，被收录于“天然纤维复合材料进展（Advances in Natural Fibre Composites）”特刊，论文标题为“The unique wick effect and combustion behavior of flax fiber reinforced composites: Experiment and simulation”。通讯作者为同济大学于涛教授，第一作者为魏志彪博士。

二、内容概述

实验采用了单向亚麻纤维、单向碳纤维和中科院宁波材料所提供的生物基环氧树脂基体，基于单一变量原则，设计并制备了纯环氧树脂（EP）、碳纤维增强（CFRP）和植物纤维增强（PFRP）复合材料，系统分析并揭示了植物纤维增强复合材料的燃烧行为。

该工作首先研究了三组样品的热稳定性，热重测试表明，三组样品的热解都呈现出两个阶段，而PFRP样品的热分解温度范围向更高的温度区域移动，此外，氧气的存在会导致高温下新的热分解阶段。

图1 样品在氮气和空气氛围下的热重曲线

锥形量热仪试验结果表明，PFRP复合材料的热释放和烟释放行为呈现出多重峰和长时间跨度的特点，而且在燃烧过程中，PFRP复合材料在厚度方向上发生膨胀，并伴随着分层和外部变形，而在其它两组样品中未观察到这种现象。

图2 样品在燃烧进程中的形貌变化

水平燃烧试验表明，PFRP呈现出较低的线性燃烧速率，同时采用热红外仪实时监测了三组样品在水平燃烧中样品的温度场分布，PFRP复合材料在相同位置处的温度也是最低的，和线性燃烧速率结果保持一致。

图3 EP、CFRP和PFRP复合材料的（a）水平燃烧速率,（b）沿纤维方向同一位置处的温度、（c）燃烧过程中的热成像图,（d）样品水平燃烧测试的数码照片,（e）机理示意图

基于Fourier热传导方程，并考虑到植物纤维的真实微观形貌，建立了三组样品在火灾中的热响应模型。有限元仿真结果表明，在沿纤维方向相同位置的温度PFRP样品是最低的，这与水平燃烧测试中红外热成像中温度场分布的实验结果相一致。

图4 EP（a, a1, a2）、CFRP（b, b1, b2）和PFRP（c, c1, c2）有限元模型和热响应下的温度场分布图

三、小结

该研究深入分析了植物纤维增强复合材料的燃烧行为，揭示了植物纤维特殊的化学组成和捻度结构对复合材料燃烧行为的影响。研究结果表明，植物纤维增强复合材料呈现出不同于传统合成纤维增强复合材料的燃烧特性和灯芯效应，该研究结果可为针对性阻燃策略的设计提供思路和指导。

原始文献：

Wei Z, Ji C, Yu T, et al. The unique wick effect and combustion behavior of flax fiber reinforced composites: Experiment and simulation[J]. Composites Part B: Engineering, 2023, 265: 110954.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110954