0 引言

民机舱内装饰在现代大型商用飞机中占有重要地位，一架现代宽体飞机所用的舱内装饰材料重量已占到飞机空重的15%以上^[1]，其中复合材料的使用面积可达1 000 m²以上^[2]。复合材料在舱内装饰中的大量使用，对满足内饰强度刚度要求，提升飞机减重效果，提高飞机的安全性和舒适性，降低飞机的运行成本，具有重要意义^[3]。但是复合材料的大量使用也同时直接影响着民用飞机的安全，增加了飞机的火灾风险性。目前国内民机舱内装饰已进入全面自主设计和国产开发时代，复合材料的设计使用需求和国产开发节奏与复合材料的使用和审定经验不足^[4]，性能数据匮乏的现状间存在落差和不适配，因此需要探索符合当前形势下民用飞机复合材料的设计使用和阻燃验证方法。

1 复合材料阻燃验证适航条款要求

据由FAA牵头、世界民航领域广泛参与的客舱安全研究技术组CRSTG的统计，有40%的乘客在飞机坠撞事故中幸存，却在随后发生的火灾中死亡^[5]。作为飞机客舱环境内占据面积最大与乘客交联也最多的舱内装饰，其是否防火阻燃严重影响着机上乘员的安全。而复合材料作为民机舱内装饰的主要材料，其阻燃性能直接对民机安全产生直接影响。在适航审定领域，CCAR25部《运输类飞机适航标准》^[6]对民机设计提出完善明确的适航要求以保障民机安全。

讨论复合材料阻燃验证的基础是复合材料构件本身须具备稳定的阻燃性能。稳定的性能来源于两方面，一方面是复合材料的原材料性能须符合经批准的材料规范和材料标准，即符合CCAR 25.603条款的要求; 另一方面是构件的加工成型工艺须符合经批准的工艺规范要求，即符合CCAR 25.605条款要求。CCAR 25.853（a）条对座舱内部设施的材料提出了阻燃的要求，其对应的附录F第I部分更是提供了明确的试验方法和判据。

2 民机舱内装饰复合材料应用情况

目前民用飞机舱内装饰中复合材料主要应用于大部件壁板^[7]，包括天花板、侧壁板、分舱板、门装饰和行李箱等储藏设施。其中天花板、侧壁板、分舱板和行李箱等储藏设施通常使用复合材料夹层板（由两块结构面板与轻质夹芯构成的一种层状结构板）的设计形式，而门装饰等则使用复合材料层压板（含有一层或一层以上的预浸料且没有芯材的零件）的设计形式。

预浸料是用树脂基体在严格控制条件下浸渍连续纤维或织物制成的树脂基体与增强体的组合物，民用飞机常用的预浸料为酚醛树脂玻璃纤维织物预浸料。大量研究成果表明，聚合物的易燃性与其燃烧时的成炭量有直接关系。聚合物燃烧时生成的炭层，可显著改善材料的阻燃性。而酚醛树脂在分解时具有较高的热稳定性和较强的碳化趋势，因此不易点燃^[8]。酚醛树脂与玻璃纤维等耐燃的无机纤维复合，可进一步提高其阻燃性能。预浸料的黏性可分为超低黏性/无黏性（适用于加压成型）、轻微黏性（适用于无复杂外形成型）和中等黏性（适用于复杂外形）。

芯材是指夹层结构中两侧蒙皮间的芯子，常用的芯材有根据自然界蜂巢结构原理制作的正六角形结构芯材，也称为蜂窝芯。蜂窝芯具有质轻和较好的强度和刚度性能等优点，根据蜂窝芯的材料可分为金属蜂窝芯（如铝蜂窝）和非金属蜂窝芯（如纸蜂窝）。舱内装饰常用的蜂窝芯材为芳纶纸蜂窝芯，是由芳纶纸叠块经过拉伸成型后，浸涂酚醛树脂而得到具有特定蜂格尺寸和形状的夹芯材料，其芳纶纸叠块由芳纶纸张经过胶黏剂胶接后压制而成。因浸涂酚醛树脂，芳纶纸蜂窝芯也具有一定的阻燃性能。

上述两种复合材料在国内已建立起材料规范体系并获适航批准，符合规范要求的材料也已在国产开发研制中。

3 复合材料成型工艺简介

舱内装饰复合材料常采用中温模压机成型和中温热压罐成型两种成型工艺，中温模压机成型适用于平板和部分曲面设计简单的零件成型，热压罐常用于复杂型面设计的零件成型。中温模压机和中温热压罐成型都是将复合材料坯料在模具上铺叠好后通过升温加压保温降温卸压等过程使材料成型为所需形状和质量的工艺方法。就工艺方法的实质而言，两者都属于物理变化，是加压成型和加热粘接的组合变化。复合材料的材料属性通过成型工艺转化为制件的性能，因此成型工艺细小的变更都会影响制件的性能和稳定性。在复合材料成型工艺中，升降温速率、固化压力、温度和时间等都会影响最终成型构件的性能^[9]。上述两种复合材料成型工艺在国内已建立起工艺规范体系并获适航批准。

4 复合材料阻燃适航验证讨论

目前国内民用飞机已进入全面自主设计阶段，无论是基础的材料规范和工艺规范体系建立，作为支撑的国内航空产业链培育还是上游的主制造商设计，都在朝着民用飞机全面的“国产化”方向大步迈进。民用飞机舱内装饰作为飞机内部的“名片”和形象，踏在了国产化浪潮的最前端。但面临现阶段薄弱的国内材料和工艺规范体系，合格的国内材料开发研制，丰富的客户定制化需求和严格的适航验证要求，民用飞机舱内装饰设计和验证需要探索符合当前形势的前进道路。本文基于民用飞机常用内饰材料组合（即酚醛树脂预浸料和芳纶纸蜂窝芯组合）在中温模压成型和热压罐成型工艺下的阻燃性能和适航验证进行讨论。

美国联邦航空局政策声明Flammability Testing of Interior Materials: PS-ANM-25.853-01-R2^[10]对阻燃验证中材料、构件和设计特征的等效验证方法提供了指导。该文中两处提到了工艺规范，第一处是表述当前的政策声明是基于现有正在使用的航空材料和工艺规范，当有新的航空材料和工艺规范投入使用时，需重新评估其材料性能对验证工作的影响。第二处为可接受等效验证的第22条，当表面处理材料如填孔腻子等是在已批准的工艺规范指导下使用，且该工艺规范已建立该表面材料不影响燃烧性能的临界值时，该材料无需进行燃烧试验验证。其余等效验证方法中均无对工艺规范的明确和提及。由此可得，相同复合材料铺层形式在两个相同工艺类型但不同工艺参数的已批准材料规范下指导成型，当两工艺规范均已建立足够的阻燃试验数据库时可表明不同工艺参数对材料、构件和设计特征的阻燃性能的影响忽略不计时，可认为两种工艺规范在阻燃适航验证中“等效”，即一种工艺规范的阻燃案例可等效验证相同复合材料铺层形式在其他近似工艺规范下的阻燃性能。

本文在已有的适航实践案例中对两组模压机成型和热压罐成型的复合材料构型案例进行验证分析。所举案例的复合材料构型均采用已批准的合格材料规范控制下的材料并经已批准的工艺规范进行制造成型。每组复合材料的铺层形式一致，成型工艺一致，但工艺规范中升降温速率、固化压力、温度和时间等参数存在差异。验证构型的铺层信息如表1所示，验证构型的阻燃试验结果如表2所示。

续表2

从上述试验结果可以看出，不同工艺参数对移去火源后的平均焰燃时间和试样滴落物跌落后继续焰燃的时间影响不大。再选取主要的烧焦长度进行定量分析，对每一组试验的三个试验结果计算其离散系数，再对两组试验的均值取离散系数，通过对比两个分散系数以分析相同工艺的不同参数对复合材料阻燃性能的影响。离散系数计算见公式（1）和公式（2），统计结果如表3所示。

式中: $\stackrel{-}{x}$为样本平均值，CV为样本离散系数100%。

从离散系数的计算结果可以看出，不同工艺参数下的平均烧焦长度的离散系数，是在相同工艺参数下平均烧焦长度本身的离散系数附近的。即不同工艺参数导致的复合材料阻燃性能离散性与复合材料本身阻燃性能的离散性水平相当。

综上所述，可以认为相同复合材料铺层形式，相同复合材料成型工艺下，本文所选的两种工艺规范参数的不同对复合材料阻燃性能影响不大。对于适航验证实践意义来说，当同一种材料铺层形式和工艺规范的组合已表明其阻燃性能满足条款要求时，采用另一种相同工艺类型但工艺参数不同的工艺规范进行生产制造，可无需进行阻燃验证。

另一个供参考的讨论方向为根据PS-ANM-25.853-01-R2等效验证方法第21条的Option#1，当胶黏剂和粘接材料都能满足阻燃要求时，可视为该组合结构符合阻燃要求。目前适航验证实践中类似案例并未对该处的胶黏剂使用的工艺规范作出明确要求。内饰材料的粘接通常需要在一定压力和温度条件下固化一定时间，而复合材料成型也存在升温加压情况下通过预浸料自带的黏性进行粘接，两者的工艺实质上存在相同之处。综上所述，复合材料构件其组份材料均满足阻燃要求时，其成型构件是否无需进行阻燃试验。基于目前已搜集到的近80例民用飞机舱内装饰复合材料阻燃试验数据，所有酚醛树脂预浸料和芳纶纸蜂窝芯组合的复合材料构件均满足适航条款的阻燃要求，无论其成型工艺及有无表面装饰材料。但鉴于已有样本量对于可能的复合材料铺层设计种类占比较小，可待后续国内复合材料阻燃试验数据库建立并进行相关研究和论证。

5 结论

民用飞机复合材料的使用占比正在不断提高，尤其对于舱内装饰产品。适航规章中对舱内装饰复合材料的使用提出了明确的材料、工艺和阻燃要求。目前国内已初步建立复合材料的材料规范和工艺规范体系，合格的复合材料预浸料和蜂窝芯也在进行国产化开发。面对目前的产业形势，从业人员应对复合材料的适航燃烧验证进行相关的讨论和探索。本文从PS-ANM-25.853-01-R2的解读理解出发，基于已有的复合材料阻燃适航验证案例，讨论并分析了相同铺层形式和工艺类型下工艺参数对阻燃性能的影响，并提供了一种可供参考的讨论和后续验证方向。希望对我国复合材料在民用飞机舱内装饰上的应用和阻燃适航审定具有一定的参考和借鉴作用。

参考文献