Ανάλυση της απόκρισης σύνθετων πολυμερών υλικών υπό συνθήκες φωτιάς
Authors: Σικούτρης Δημήτριος 
Published: August 2021

Στην παρούσα διατριβή με τίτλο «Ανάλυση της απόκρισης σύνθετων πολυμερώνυλικών υπό συνθήκες φωτιάς. Εφαρμογή σε αεροπορικές κατασκευές»πραγματοποιείται εργασία στην αριθμητική προσομοίωση και πειραματικήδιερεύνηση της συμπεριφοράς αεροπορικών κατασκευών σε συνθήκες φωτιάς. Στηνμέχρι τώρα βιβλιογραφία οι διάφοροι έλεγχοι για πιστοποίηση των αεροπορικώνυλικών αλλά και των αεροσκαφών στο σύνολό τους αποτελούνταν από εκτενείςπειραματικές δοκιμές σε μεσαία κλίμακα καθώς και σε πλήρους κλίμακαςκατασκευές. Οι προδιαγραφές των ελέγχων ορίζονται από την ΟμοσπονδιακήΔιεύθυνση Αεροπλοΐας των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής, Federal AviationAdministration FAA. Όπως γίνεται αντιληπτό πλήρους κλίμακας δοκιμές είναιχρονοβόρες αλλά και οικονομικά ασύμφορες, για τον λόγο αυτό τα τελευταία χρόνιαπραγματοποιούνται προσπάθειες από την FAA για καθιέρωση Προτύπων ελέγχουμικρής κλίμακας τα οποία σε συνδυασμό με αριθμητικά μοντέλα θα είναι σε θέση ναπροβλέπουν την συμπεριφορά των αεροπορικών κατασκευών σε συνθήκες φωτιάςαπό την φάση του σχεδιασμού τους. Θα εξασφαλίζεται έτσι καλύτερη διαχείρισηοικονομικών και υλικών πόρων. Στην βιβλιογραφία ο μεγαλύτερος όγκοςαριθμητικής μοντελοποίησης έχει πραγματοποιηθεί στους τομείς της ναυπηγικής καιτων θαλάσσιων κατασκευών καθώς επίσης και τα τελευταία χρόνια στον τομέα τηςαστικής δόμησης. Αριθμητική δουλεία πάνω στην συμπεριφορά των αεροπορικώνκατασκευών είναι υπερβολικά περιορισμένη και εκεί στοχεύει να συμβάλει ηπαρούσα διατριβή. Οι αεροπορικές κατασκευές εκτός των περιορισμών καιπροδιαγραφών που θέτουν οι άλλες εφαρμογές απαιτούν την ελαχιστοποίηση τουπροστιθέμενου βάρους στην κατασκευή.Διάφοροι τύποι πολυμερών συνθέτων υλικών χρησιμοποιούνται στην βιομηχανία,διακρινόμενα σε θερμοσκληρυνόμενα και θερμοπλαστικά. Αρχικά παρουσιάζονται ταθερμοσκληρυνόμενα ξεκινώντας από τους ευρέως χρησιμοποιούμενους πολυεστέρεςκαι βινυλεστέρες, στις φαινολικές και εποξικές ρητίνες καταλήγοντας στους υψηλήςθερμοκρασίας κυανεστέρες. Εν συνεχεία γίνεται αναφορά στα συνήθηχρησιμοποιούμενα θερμοπλαστικά, πολυπροπυλένιο PP, Poly-ether ether-ketonePEEK και polyphenylene Sulphide PPS. Φυσικά δεν παραλείπεται να γίνει σύντομηαναφορά και στις τυπικές διεργασίες θερμικής αποσύνθεσης των προαναφερθέντωνπολυμερών.Η συμπεριφορά των σύνθετων πολυμερών υλικών σε συνθήκες φωτιάςπεριγράφεται από κάποια χαρακτηριστικά μεγέθη τα οποία χρησιμοποιούνται για τηνποιοτική και ποσοτική σύγκριση των διαφόρων υποψήφιων αεροπορικών υλικών.Συγκεκριμένα τα μεγέθη αυτά είναι: Heat Release Rate HRR, Thermal Stability IndexTSI, Limited Oxygen Index LOI, Extinction Flammability Index ESI, Time-toIgnition,Surface Flame Spread, Mass Loss, Smoke Density, Smoke Toxicity. Οιδιαδικασίες ελέγχου και τα υπολογιζόμενα μεγέθη γίνονται βάσει διεθνών Προτύπωνπου κυρίως για τον τομέα της αεροναυπηγικής ορίζονται από την ΟμοσπονδιακήΔιεύθυνση Αεροπλοΐας FAA. Η αριθμητική προσομοίωση προϋποθέτει γνώση της συμπεριφοράς τωνπολυμερών υλικών σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, για τον σκοπό αυτόπραγματοποιήθηκαν πειράματα απώλειας μάζας με χρήση θερμογραβιμετρίας TGAκατά την διάρκεια της οποίας η απώλεια μάζας καθώς και ο ρυθμός αυτήςπαρακολουθούνται και καταγράφονται σαν συνάρτηση του ρυθμού θέρμανσης. Μέσααπό αυτά τα δεδομένα μπορεί να πραγματοποιηθεί εκτίμηση του τρόπουαποσύνθεσης του πολυμερούς. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η θεώρηση τηςμονοβάθμιας αντίδρασης (single-stage reaction) που αποτελεί και την πλέοναπλουστευμένη προσέγγιση. Στην θεώρηση αυτή θεωρείται πως η πολυμερής μήτραπερνάει από την «παρθένα» κατάσταση στην απανθρακομένη μέσα σε ένα βήμα. Ηπεριγραφή της αντίδρασης αυτής γίνεται με μια μονοβάθμια αντίδραση τύπουArrhenius.Σε δεύτερο βήμα χρησιμοποιήθηκε κινητική θεωρία πολλαπλών σταδίων (multistagekinetics) σύμφωνα με την οποία πραγματοποιήθηκε ακριβέστερη προσέγγισητης απόσύνθεσης της πολυμερούς μήτρας των συνθέτων υλικών με απόκλισημικρότερη του 5% από τα πειραματικά δεδομένα της θερμογραβιμετρείας(thermogravimetry). Και στις δύο προσεγγίσεις της αποσύνθεσης υπολογίσθηκαν οικινηματικές παράμετροι: συντελεστής συχνότητας A (frequency factor), ενέργειαενεργοποίησης ΕΑ (activation energy), τάξη αντίδρασης n (reaction order) για κάθεστάδιο. Με την ολοκλήρωση αυτού του σταδίου υπήρχε μια αξιόπιστη δυνατότητααναπαράστασης της διαδικασίας αποσύνθεσης στο πείραμα της θερμογραβιμετρίας.Είναι γνωστό ότι οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας επηρεάζουν της τιμές τωνθερμοφυσικών ιδιοτήτων των υλικών. Αναλογιζόμενοι ότι στην διαρκεία τηςεπιβολής της φλόγας στα σύνθετα υλικά όχι μόνο η θερμοκρασία αλλά και η σύστασημεταβάλλεται συνεχώς λόγω της αποσύνθεσης κρίθηκε αναγκαία η ανάπτυξη μιαςμεθοδολογίας που θα συμπεριλαμβάνει την επίδραση της αποσύνθεσης στηνμεταβολή των θερμοφυσικικών ιδιοτήτων (θερμική αγωγιμότητα, ειδικήθερμοχωρητικότητα και πυκνότητα) της πολυμερούς μήτρας και κατά συνέπεια τουσυνθέτου υλικού. Οι εξαγόμενες μαθηματικές σχέσεις χρησιμοποιήθηκαν στηναριθμητική προσομοίωση που ακολούθησε.Με σκοπό την ορθή αριθμητική μοντελοποίηση κρίνεται αναγκαία η μέτρηση καιβαθμονόμηση του θερμικού φορτίου τον πειραματικών δοκιμών. Το μετρούμενοθερμικό φορτίου χρησιμοποιήθηκε εν συνεχεία ως φόρτιση στα αναπτυχθένταμοντέλα. Χρησιμοποιήθηκαν δύο πειραματικές διατάξεις εφαρμογής φλόγας, μίαμεσαίας κλίμακας σύμφωνα με τις διατάξεις του FAA Standard, που περιγράφεταιστο ISO2685:1998(E) “Aircraft – Environmental test procedure for airborneequipment – Resistance to fire in designated fire zones” και μίας εργαστηριακήςκλίμακος. Πραγματοποιήθηκε μέτρηση με θερμοζεύγη και καλορίμετρο νερού καθώςκαι αριθμητική μοντελοποίηση με χρήση CFD για την πρώτη διάταξη. Ενώ για τηνεργαστηριακής κλίμακας έγινε μέτρηση με θερμοζεύγη και ενός αισθητήρα θερμικούφορτίου «water-cooled Hukseflux Schmit-Boelter SBG01 sensor».Εν συνεχεία πραγματοποιήθηκε η κατασκευή των δοκιμίων των υποψήφιωνυλικών καθώς και οι πειραματικές δοκιμές και έλεγχοι τους. Συγκεκριμέναπραγματοποιήθηκε: Θερμιδομετρία κώνου (cone calorimetry), Θερμογραβιμετρία(thermogravimetry), Θερμιδομετρία Διαφορικής Ανίχνευσης (Differencial Scanning Calorimetry, DSC), Μέτρηση Θερμικής αγωγιμώτητας, Δοκιμή διείσδυσης φλόγας(Fire burnthrough penetration).Καθώς ο χαρακτηρισμός της αποσύνθεσης των πολυμερών υλικών, η μεταβολήτων θερμοφυσικών ιδιοτήτων, η μέτρηση και βαθμονόμηση του επιβαλλόμενουθερμικού φορτίου καθώς και οι πειραματικές δοκιμές έχουν ολοκληρωθεί ακολουθείη αριθμητική προσομοίωση. Οι συνοριακές συνθήκες θερμικού φορτίου και ψύξηςεπιλέχθησαν ως εξής. Ως φόρτιση θεωρήθηκε η κατανομή του θερμικού φορτίου (σεkW/m2) στην εμπρός επιφάνεια του πάνελ. Στην ψύξη της πίσω επιφάνειας λήφθηκευπόψη τόσο η ελεύθερη μεταφορά θερμότητας με επαφή όσο και η ακτινοβολία. Τομοντέλο της συμπεριφοράς του υλικού διαμορφώθηκε κατάλληλα ώστε να γίνεικατανοητό από τις απαιτήσεις ενός εμπορικού κώδικα Πεπερασμένων Στοιχείωνεπίλυσης θερμικών προβλημάτων και προσομοιώθηκαν οι πειραματικές δοκιμέςδιείσδυσης φλόγας των δύο πειραματικών διατάξεων, μεσαίας και εργαστηριακήςκλίμακος.Πλέον της αριθμητικής προσομοίωσης της συμπεριφοράς σε φωτιά επίπεδωνδοκιμίων αεροπορικών κατασκευών, πραγματοποιήθηκε προσπάθεια απλουστευμένηςμοντελοποίησης των συνθηκών φλόγας ενός λιμνάζοντος όγκου καυσίμουαεροσκαφών στο εξωτερικό μιας ατράκτου. Δημιουργήθηκε ένα τρισδιάστατορευστομηχανικό μοντέλο πρόβλεψης του θερμικού φορτίου στην επιφάνεια μιαςτυπικής ατράκτου σύμφωνα με τις προδιαγραφές γεωμετρίας του Προτύπου “Fullscaletest evaluation of Aircraft fuel fire burnthrough resistance improvements”DOT/FAA/AR-98/52,1999. Τα ρευστομηχανικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν μεδεδομένα βιβλιογραφίας για μεγάλες φλεγόμενες δεξαμενές λιμνάζοντος καυσίμου.Εκτός από την μελέτη της απόκρισης των αεροπορικών κατασκευών σε συνθήκεςφλόγας σκοπός της παρούσας εργασίας είναι και η παρουσίαση λύσεων οι οποίες θαέχουν την δυνατότητα της βελτίωσης της συμπεριφοράς των υπαρχουσών δομώνκαθώς και των μελλοντικών σύνθετων δομών. Ενδεικτικά αναφέρεται η δυνατότηταχρήσης νανοεγκλεισμάτων, και βελτιωμένων μονωτικών υλικών, π.χ. aerogels. Όπωςέχει ήδη αναφερθεί οι αεροπορικές κατασκευές θέτουν τον περιορισμό τηςελαχιστοποίησης του προστιθέμενου βάρους, για τον λόγο αυτό η ενίσχυση τωνσυνθέτων υλικών θα πρέπει να πραγματοποιηθεί σε επίπεδο υλικού και σχεδιασμού.Πρέπει δηλαδή η ίδια η κατασκευή που είναι ικανή να φέρει τα μηχανικά φορτία ναεξασφαλίζει και την πιστοποίηση της FAA για συνθήκες φωτιάς.Συνοψίζοντας, η παρούσα διατριβή πραγματοποιεί μια καινοτόμο, γρήγορη καιαρκετά ακριβή προσέγγιση του σημαντικότατου ζητήματος της συμπεριφοράς τωνπολυμερικών σύνθετων αεροπορικών δομών σε συνθήκες φωτιάς Η πολυπλοκότητατου όλου φαινομένου επέβαλε την πραγματοποίηση παραδοχών και απλουστεύσεων.Καθώς όμως με την αυξανόμενη χρήση των συνθέτων υλικών στις αεροπορικέςκατασκευές, ο τομέας της ασφάλειας σε συνθήκες φλόγας είναι συνεχώς αυξανόμενοςκαι απαιτητικός. Για αυτό οι παραδοχές και θεωρήσεις της παρούσας διατριβήςμπορούν να βελτιωθούν με χρήση νέων υπολογιστικών μεθόδων και πειραματικώνδεδομένων με στόχο την ακόμα ακριβέστερη πρόβλεψη της συμπεριφοράς τοναεροπορικών δομών σε συνθήκες φλόγας.