Effect of Phase Change Materials on the Thermal Protective Performance of the Multi-layered Fabrics Examined by TPP Tester under Flash Fire

Cotton fabrics treated with phase change materials( PCMs)were used in multi-layered fabrics of the fire fighter protective clothing to study its effect on thermal protection. The thermal protective performance( TPP) of the multi-layered fabrics was measured by a TPP tester under flash fire. Results showed that the utilization of the PCM fabrics improved the thermal protective performance of the multi-layered fabrics. The fabric with a PCM add on of 41. 9% increased the thermal protection by 50. 6% and reduced the time to reach a second degree burn by 8. 4 s compared with the reference fabrics( without PCMs). The employment of the PCM fabrics also reduced the blackened areas on the inner layers. The PCM fabrics with higher PCM melting temperature could bring higher thermal protective performance.

Effect of Air Gap under Fabric on Thermal Protective Performance Using an Improved Apparatus

The bench top test is one of the most important and effective methods to evaluate the total thermal protective performance(TPP) of firefighters' protective clothing,which is greatly influenced by the air gaps entrapped.In this paper,to investigate the effect of air gap width on TPP,a new improved apparatus with two height changeable buttons to hold the thermal sensor was developed to get a series of air gap sizes from 0 mm to 40 mm.The TPP of two types of flame-resistant outer fabrics was measured with TPP test apparatus respectively.Analysis of temperature rise with each air gap width was made to determine the effects of different air gaps on protective performance.It was indicated that air gap size had great effect on TPP of fabrics in the bench top test.An air gap width above 8 mm was suggested for the thermal protective clothing design.

Modeling Thermal Protective Performance of Multilayer Fabrics for Firefighters

This paper is to report a prediction model for thermal protective performance of multilayer fabrics based on Matlab neural network toolbox. Then a back propagation (BP) neural network model is developed to predict thermal protective performance of multilayer fabrics for firefighters. The network consists of twelve input nodes, six hidden nodes, and one output node. The inputs are weight, thickness, density of warp and weft, limited oxygen index (LOI), and heat conductivity of each-layer fabric. Thermal protective performance (TPP) rating of multilayer fabrics is the output. In this paper, the data from the experiments are used as learning information for the neural network to develop a reliable prediction model. Finnally the model performance is verified, and the proposed model can be applied to predict the thermal protective performance of multilayer fabrics for firefighters.

水分对消防灭火防护服织物系统辐射热防护性能的影响

现阶段消防灭火服热防护性能评估中,对水分影响的考虑不足。为研究水分在不同织物层中对其热防护性能的影响差异,在低热辐射暴露下,分别在外层、舒适层、外层与舒适层设置不同含水量水平,分别针对直接热暴露、包含热暴露与蓄热释放全程两种情形进行试验测评。研究发现,无论是直接热暴露还是综合考虑蓄热释放的作用,增加外层织物水分含量有利于提升多层织物整体热防护能力,且随着水分含量的增大而上升;舒适层织物润湿则会削弱多层织物整体热防护能力,提高舒适层的吸湿排汗能力,保持其干燥是保持灭火防护服热防护性能的手段之一。外层与舒适层同时润湿时,二者之间呈现交互影响,未来可进一步深入研究。

新型热防护材料研究进展

为分析热防护材料领域研究现状和未来发展趋势,文章采用信息可视化、网络分析的研究方法,以Web of Science(WOS)数据库及中国知网(CNKI)数据库中近30年(1993年1月—2023年6月)热防护材料相关的文献作为数据来源绘制可视化信息图谱,对发文量、发文国家地区和机构、研究方向、核心作者、关键词等元素逐一进行分析,剖析热防护材料研究领域的发展动态、研究热点及前沿趋势。结果显示,美国、中国为主要研究国家,在该领域居重要地位;LI J(Li Jun)、SONG G W(Song Guowen)、SU Y(Su Yun)、LU Y H(Lu Yehu)、王云仪、朱方龙等作者为该领域的核心作者,在热应激、热防护服的研究中具有重要影响力;热防护服的热防护性与传热机制、人体的热生理与热舒适为活跃的研究主题与研究热点;相变材料、气凝胶、形状记忆织物、蜂窝夹芯织物、三维间隔织物为当前的研究热点材料,新型热防护材料的研发、服装内部结构的优化是未来研究中有效应对热应激的解决方法,是兼顾热防护服的热防护与热舒适平衡的重要途径。

碳化材料的烧蚀性能参数辨识方法

针对碳化材料烧蚀性能参数测量难度大的问题,对基于优化算法的烧蚀性能参数辨识方法进行了研究。根据一维连续模型描述碳化烧蚀材料的内部热响应情况,与公开试验数据进行对比验证,各测量点计算误差均小于15%。采用基函数表征法对材料碳化前后的比热容和导热率进行表征,基函数选取为切比雪夫多项式。根据PICA材料的温度测试试验数据,对材料的热解动力学参数和基函数的待定系数采用遗传算法进行辨识,将辨识得到的材料烧蚀性能参数代入一维连续模型中进行计算,与验证工况下的试验数据进行比对,计算得到的温度曲线平均相对误差小于10%。

灭火防护服3层组合试样的热防护性能

消防员灭火防护服多为外层、防水透气层、舒适层3层织物制作,3层组合试样的质量和防护服质量直接相关。为了增强3层组合试样的热防护性能,实现灭火防护服轻量化,提高灭火救援的效率,试织了芳纶双层织物和玄武岩/阻燃粘胶包覆织物,试制了芳纶双层包覆聚四氟乙烯(PTFE)膜织物。选择2种舒适层织物和1种轻量防水透气层材料,制成不同组合试样并进行热防护性能测试。试验结果表明:3层组合试样经热防护性能测试后,玄武岩/阻燃粘胶包覆织物组织基本完整,防水透气层的PTFE膜炭化、损毁,防水性能缺失;芳纶双层织物做外层,芳纶混纺凹凸织物为舒适层的组合试样TPP值达1495.2 kW·s/m^(2),试样厚度大于3 mm。

难熔金属表面高温防护涂层抗热震性能研究现状

难熔金属及其合金具有高温强度优异、加工塑性好、耐腐蚀性好等优点,在航空、航天和核工业领域中得到了广泛应用,是一种重要的高温结构材料。但难熔金属及其合金因其自身易氧化的缺点,导致材料在未达到服役温度时就发生严重氧化,从而快速失效。目前,高性能高温防护涂层是保障难熔合金服役性能的关键,然而难熔金属及其合金表面高温防护涂层的实际服役工况非常苛刻,往往伴随着强热震,是导致涂层失效的重要原因。因此,难熔金属表面高温防护涂层在具备优异恒温抗氧化性能的前提下,还需具备良好的抗热震性能。综述了难熔金属表面高温防护涂层的热震失效机制,讨论了影响涂层抗热震性能的关键参数;阐述了难熔金属表面硅化物、金属和复合涂层3类主要涂层体系抗热震性能的研究现状,重点回顾了优化涂层结构、添加陶瓷颗粒以及设计复合涂层等提高涂层抗热震性能的方法及其改善效果;最后,从降低涂层与基体间的热膨胀系数失配度、改善基体/涂层界面结合性能以及设计复合梯度涂层3个方面展望了未来难熔金属高温防护涂层的发展方向。

开放/封闭空气层下水分对阻燃织物热防护性能的影响

为了研究不同种类空气层下水分对消防服用织物热防护性能的影响,基于TPP值测试装置,构建了开放和封闭式空气层,分别从内和从外润湿织物,在不同种类空气层下测试含水织物的TPP值。结果表明:当外层润湿时,开放和封闭空气层促进了水分对热防护性能的积极影响;当内层润湿时,封闭空气层下织物的TPP值先减少后增加,在润湿水平为15%时达到最小值,而开放空气层下,织物TPP值则随润湿水平的增加而增加;外层润湿时防水透气层能有效阻挡水蒸气到达传感器,对热防护性发挥重要作用,而内层润湿时防水透气层则不利于水蒸气向外层转移,对热防护性有消极影响,但开放空气层下此消极影响不明显,TPP值有大幅度增加。

两项防电弧纺织材料测试标准的差异分析

探讨ASTM F1959/F1959M⁃22与IEC 61482⁃1⁃1:2019中关于防电弧纺织材料电弧防护等级测试的差异。两个标准主要在传感器工作温度、正式试验前的暴露电弧能量值裸测校准试验判定方法以及监控传感器距电弧电极中心线的半径距离设置3方面存在差异。通过相关针对性的试验,详细对比分析了3方面差异的原因,并给出了相关建议。认为:在传感器的初始工作温度和温度上限方面,ASTM F1959/F1959M⁃22的设定更合理;在正式试验前的暴露电弧能量值裸测校准试验判定方法方面,IEC 61482⁃1⁃1:2019的判定方法存在不合理性,建议采用ASTM F1959/F1959M⁃22中的判定方法;在监控传感器距电弧电极中心线的半径距离r_(2)的设置条件方面,ASTM F1959/F1959M⁃22对r_(2)换挡条件设置更合理,更有利于提高试验结果的准确性。

高等级化学防护服用多层膜面料的阻燃性能和热防护性能

以芳纶织物、聚酯织物和腈纶织物为骨架层,聚烯烃膜为成型层,聚卤代烯烃膜为阻隔层,试制高等级化学防护服用多层膜面料。采用电子织物强力机、极限氧指数仪、锥形量热仪和热防护性能测试仪,研究织物种类及聚烯烃母粒和阻燃剂种类对多层膜面料力学性能、阻燃性能、燃烧行为和热防护性能的影响。结果表明:以芳纶织物和聚酯织物为骨架层的多层膜面料具有更好的力学性能;以B/C型聚烯烃母粒和Y型阻燃剂为原料的多层膜面料具有更高的阻燃性能;以腈纶织物为骨架层的多层膜面料具有更低的热释放和较高的残炭含量,但是由于在测试过程中会出现严重熔融现象,其热防护性能较差。综上,以芳纶织物为骨架层,C型母粒和Y型阻燃剂制备的聚烯烃膜为成型层,试制的多层膜面料综合性能最佳。

消防员灭火防护服减层结构及其热防护性能评价

介绍了消防员灭火防护服减层结构的实现方式,运用国内外不同的热防护性能评价方法,对标准4层组合面料及3层、2层减层结构组合面料进行评价,并采用热人仪测试不同组合面料制成的灭火防护服的防护效果。结果表明,3层和2层减层结构组合面料能达到标准4层组合面料的性能,满足消防员灭火防护服要求,符合轻质化发展趋势。

热模拟技术在钢板镀层与防护研究中的应用与展望

首先探讨了热模拟技术的基本原理和方法,包括温度控制、热循环模拟、应力控制以及试样在不同气体氛围下受热形变的过程等。接着分析了热模拟技术在研究钢板镀层的晶粒尺寸、晶界特征、相组成与相变行为、界面反应、缺陷与裂纹以及涂层性能等方面的应用。进一步比较了热模拟技术与其他研究方法的优势和融合方式,包括传统实验方法、数值模拟和材料表征技术等。最后讨论了热模拟技术在钢板镀层研究中的局限性与展望,并探讨了热模拟技术在其他新型材料研究中的潜在应用。

PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布的热防护性能

设计制备了3组不同混纺比的聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布隔热层面料,PBO纤维与间位芳纶的质量比分别为10/90、20/80和30/70。将制备的PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布与市售常规芳纶隔热水刺非织造布(对位芳纶与间位芳纶质量比为20/80)进行性能测试对比,探究不同混纺比PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布的热防护性能和应用潜力。研究结果表明:3组PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布均表现出优异的热防护效果,没有因PBO纤维的高导热率而降低灭火服组合的热防护性能,其中,PBO纤维与间位芳纶混纺比为20/80时,混纺水刺非织造布的热防护性能最佳。

Air plasma-sprayed high-entropy (Y_(0.2)Yb_(0.2)Lu_(0.2)Eu_(0.2)Er_(0.2))_(3)Al_(5)O_(12) coating with high thermal protection performance

High-entropy rare-earth aluminate(Y_(0.2)Yb_(0.2)Lu_(0.2)Eu_(0.2)Er_(0.2))_(3)Al_(5)O_(12)(HE-RE_(3)Al_(5)O_(12))has been considered as a promising thermal protection coating(TPC)material based on its low thermal conductivity and close thermal expansion coefficient to that of Al2O3.However,such a coating has not been experimentally prepared,and its thermal protection performance has not been evaluated.To prove the feasibility of utilizing HE-RE_(3)Al_(5)O_(12) as a TPC,HE-RE_(3)Al_(5)O_(12) coating was deposited on a nickelbased superalloy for the first time using the atmospheric plasma spraying technique.The stability,surface,and cross-sectional morphologies,as well as the fracture surface of the HE-RE_(3)Al_(5)O_(12) coating were investigated,and the thermal shock resistance was evaluated using the oxyacetylene flame test.The results show that the HE-RE_(3)Al_(5)O_(12) coating can remain intact after 50 cycles at 1200℃ for 200 s,while the edge peeling phenomenon occurs after 10 cycles at 1400℃ for 200 s.This study clearly demonstrates that HE-RE_(3)Al_(5)O_(12) coating is effective for protecting the nickel-based superalloy,and the atmospheric plasma spraying is a suitable method for preparing this kind of coatings.

轴承腔典型结构热防护性能模型实验研究

针对航空发动机轴承腔中带隔热夹层的典型热防护结构,开展了模型试验件的隔热性能实验研究。通过搭建专用试验平台测量不同热防护结构在典型工作温度下的隔热性能,使用稳态法开展相应结构的等效导热率研究。结果表明,气凝胶材料厚度增加可快速提升结构整体热阻,在相同厚度条件下空气夹层与气凝胶隔热性能相当;在组合隔热夹层1/3处增加反射屏后可提升隔热温差20.4%;考虑安装“热短路”效应影响,典型组合隔热试验件热导率最小为0.58W/(m·K),远大于单独隔热材料的热导率。

热接触暴露下多层防护服的热传递及皮肤烫伤研究

为给高温作业人群提供更好的保护,研究多层防护服的热传递问题,以提升热防护服的防护功效。基于阻燃织物的热传递特性与皮肤生物热传递机理,构建“热接触环境-服装-人体皮肤”之间热传递模型,利用热接触防护性能试验,验证了模型预测结果的准确性,并进一步调查接触压力、织物基本参数对皮肤温度与皮肤烧伤时间的影响。结果表明:接触压力对热防护服的防护性能有较大影响,易受压部位需要更高的热防护;该模型能够准确预测不同压力状态下热防护服的防护性能,为热防护服的热功能工程设计与高性能材料研制提供理论支持。

长时热辐射环境对消防头盔防护特性的影响

消防头盔的防护性能对于判断消防救援人员在热暴露环境中的安全十分重要。利用自主设计的长时热辐射测试平台,研究了消防头盔暴露于4级热辐射强度(2、5、7和10 kW/m^(2))下热学、力学、光学等性能参数的变化规律,测定了消防头盔各部位的内外温升、硬度和照度。结果表明:热暴露过程中,消防头盔的内外温升随热辐射强度的增大而增加,硬度、照度皆随热辐射强度的增大而衰减;当温度达到200℃时面罩起泡导致透光率下降,当热辐射强度为10 kW/m^(2)时面罩起泡面积过大造成其光学性能失效,且盔壳硬度过低造成其力学防护性能失效;消防头盔内顶部填充的缓冲层可有效吸收辐射热量,降低盔内温度,但不同位置热辐射对盔内温升速率无显著的影响。

消防服外层织物参数对组合面料热防护性能的影响

选择不同消防灭火服外层织物,将其与防水透气隔热层、舒适层组成的组合面料进行热防护值测试,分析消防灭火服外层织物基本参数与热防护性能之间的关系,研究消防灭火服外层织物结构、材料导热系数、热收缩率对其热防护性能的影响。结果表明:消防灭火服外层织物热防护性能与材料导热系数、遇热产生的气腔高度、表/里层经纬密度配置显著相关。在相同重量下,对热防护值要求较高的消防灭火服进行外层面料设计时,外层织物在组织结构上应采用双层结构,其表/里层经纬密度配比接近1.5∶1;在材料选用上,表层材料热收缩率应相对较大,里层材料热收缩率应较小且导热系数低。

改性SiO_(2)气凝胶隔热材料的制备及其性能

为提高二氧化硅气凝胶材料的综合性能,采用酸-碱两步法成功制备改性二氧化硅气凝胶,并以芳纶纤维毡为骨架支撑体与二氧化硅气凝胶进行复合。利用红外光谱、X射线衍射、扫描电镜及能谱等对其进行表征,测试并分析其疏水性能、整体热防护性能及阻燃性。结果表明,改性二氧化硅气凝胶属于疏水型材料(接触角为133.89°),其热防护值(TPP)、辐射热传导指数(RHTI 24)和对流热传导指数(CHTI 24)依次为645.46±54.38 kW·s·m^(-2)、12.5 s、9.1 s。阻燃性能测试结果显示试样的损毁长度为40 mm,未出现阴燃、续燃、熔融、滴落等现象。参照行业标准,改性二氧化硅气凝胶材料的关键指标达到隔热材料的要求,其在航空航天、化工、建筑、消防等领域具有潜在的应用前景。