开发了一种利用辐射加热进行高温（300-800°C）氧指数（OI）测量的装置，并用于对各种高OL材料进行OI测量。通过与使用气体预热装置获得的oi值进行比较，得出了合理的一致性。火焰沿样品边缘的传播对许多高温样品的燃烧行为起着主导作用，因此OI测量结果并不代表大多数实际火灾情况。确定了挥发分释放的物理机制是控制高醇材料OI值的主要因素。分层、开裂、基体渗透、发泡和起泡都会导致不同的燃烧行为和不同的OI特性。复合材料的长期老化也是影响其性能的一个重要因素。在高于300°C的温度下，由于聚合物粘合剂材料分解后残留的碳炭性质稳定，发现oi值非常高。

　　随着聚合物和复合材料的军事应用迅速增加，它们正在稳步改进。在大多数情况下，材料必须通过各种试验，从易燃性和烟雾释放到废水毒性。氧指数（OI）提供了一个广泛使用的耐火性的定量相对排序。oi测试最初是在室温下开发的，并具有使测试统一的astivi标准。对于高级材料，高温下的测试更适合于评估火灾敏感性。Macaione对军队和其他人的测试表明，oi值会随着温度的变化而显著变化，通常随着温度的升高而降低，并且经常改变某些材料的相对等级。随着更好的材料能够承受更严酷的条件，陆军发现其高温测试的需求超过了现有仪器的能力。最近，美国海军制定了高温OI标准，可能会遵循商业标准。

　　OI试验是目前开发新材料的化学家用来判断材料可燃性的主要试验方法。测试非常有影响，因为它简单，易于校准，只需要几克测试材料。该试验测量了维持蔓延火焰蔓延至小材料样品所需的最低环境氧气浓度。火灾研究人员长期以来一直质疑OI试验的重要性，或者说是任何燃烧性试验，其结果没有得到全尺寸火灾试验的证实；在OI试验和评估闪络阻力的全尺寸拐角试验之间，材料危险等级几乎没有对应关系。例如，聚氯乙烯塑料在大规模火灾中尤其危险，但在OI测试中表现良好。这种差异的原因是气相阻燃剂（如卤素）通过降低气相化学反应速率起作用。在OI测试中，这些阻化剂对小火焰特别有效，它只提供一个短暂的释放热量的流动时间，但对较大的危险规模的火灾却不太有效，因为较大的危险规模的火灾的流动时间较长，使得反应进一步接近完成和释放热量。

　　氧指数仪-组装用于进行高温氧指数测量的装置如图1所示。样品室长450mm，宽80mm，顶部有收缩，符合ASTM标准D2863-87中所述的室温试验规范。试验箱是方形的，由钢板制成，用高温硅酮粘合剂密封。它的两侧有一个长窗口，可以容纳辐射加热，另一侧有一个窗口，可以看到与辐射垂直的火焰。样品安装在杆上，杆通过装置底部的O形密封圈延伸至横移机构和驱动电机。横向机构以0至1.4cm/min的速率在6cm范围内转换样品。这补偿了火焰在oi处沿样品传播的典型1cm/min的速率，使辐射加热区保持在相对于火焰的恒定位置。

　　压力调节的纯气瓶提供氧气和氮气流量，由针形阀单独计量，用于精确测量，并根据转子流量计进行校准。虽然转子流量计允许更快的oi测试，并且专门用于以后的测试，但校准提供了比转子流量计更高的精度。由于转子流量计在非常低的流速下不准确，所以该仪器被限制在10-90%的氧气范围内，从而阻止了某些先进材料在极高的氧饱和度下进行测量。这两种气体在到达流动室之前被连接并经历完全的湍流混合。混合气体的高速射流通过一个筛网进入一个集管，该筛网打破了射流，并填充了样品室底部的流量分配集管，该样品室由一个大的压降过滤器形成。在顶部排气收缩的下方仔细密封气室，以防止室内空气进入，否则会被浮力加热气体的较低内部压力吸入。在0°C和大气压下，气体流速规定为4±1mm/sec；oi对流速不敏感。

　　辐射样品加热-辐射加热的目标是在最小延迟和适度使用能量的情况下达到高且均匀的样品温度。市售的斯坦顿-雷德克罗夫特装置（实际OI测量值为300°C）使用一组线圈通过传导预热气体，另一组线圈通过红外辐射为样品提供额外的热量。在高于400°C的温度下，电力需求变得难以满足，辐射热损失急剧增加。与低温炉卷相比，高温灯的优点在于辐射功率与t4成正比，并且在给定的电输入条件下，辐射功率要大得多。此外，还避免了能源消耗和燃气加热的困难。oi测试不需要气体预热，因为1）在辐射加热过程中，气体和样品之间的热传递可以忽略不计；2）气体温度（和密度）不会显著影响火焰温度；只有氧气浓度才是重要的。

表1

　　本初步装置所用的辐射加热装置设计为以最低成本获得最大辐射功率。该装置包括一个1000瓦卤素灯、一个直径46厘米的旋转铝抛物面反射器和一个直径34厘米的丙烯酸菲涅耳透镜。该灯被放置在反射镜的焦点处，形成一个大的准直光束，由菲涅耳透镜聚焦在样品上。光学元件的尺寸必须比2厘米长的灯丝大，以防止光源尺寸引起的样品散焦。在安装过程中必须佩戴滤光镜，除了最小的灯设置，但可以直接进行火焰检查以确定oi，因为灯由集光镜进行防护。

　　与更昂贵的椭圆镜相比，该系统具有更高的f值。损失由有限的收集固体角、反射损失、透镜损失和光谱损失引起。由于旁球面焦点在镜子前5毫米处，因此收集到的光线略少于从灯发出的辐射的一半。镜子是铝质的，所以它的表面只有80-90%的反射，并且有波动，使图像散焦。菲涅耳透镜（最大的廉价透镜）有一个直径34厘米的聚焦光圈，仅聚焦55%的镜光束。另外，由于透镜是塑料的，大部分的红外辐射被吸收和损失，尽管这只占灯总辐射的15%。未来的实验将使用辐射功率计来量化辐射供暖。

　　仪器性能测试-在不损坏设备的情况下，对最大灯具功率额定值下的样品温度进行OI测量。得到了有机玻璃室温下17.5的oi结果，并与文献值进行了匹配，验证了氧氮混合和校准以及仪器的整体性能。在自由空间内，将油室内的热电偶（以减少浮力流造成的变形）穿过灯图像，以表明水平加热比样品均匀且更宽。由样品表面热电偶获取的垂直温度分布图显示，在所有的通量水平上，有一个温度均匀的区域，与几毫米的火焰宽度相比，该区域较宽。在低通量水平和较低的样品温度下，达到平衡的时间很长，但在高通量水平下，平衡只需几分钟。

　　还测试了一个f值为0.9的小椭圆镜的辐射功率传递。这面镜子是电铸的，相对便宜，但捕获了一个大的立体角，在整个灯的辐射光谱中具有很高的反射比。为了进行比较，镜子被聚焦在一块5厘米见方、6毫米厚的poco石墨上。使用一个300瓦的灯，这面镜子将石墨加热到与上面描述的使用1000瓦灯的更大灯具之一相同的温度，表明效率增益大约为3倍。所有三个来源一起能够将石墨在空气中加热到800°C，由未校正的热电偶探针测量（实际温度大约高出50°C）。实际样品的温度加热能力要高得多，因为石墨比复合塑料具有高得多的热导率，并且在OI装置中对流冷却降低。

　　氧指数测试目前用于军事应用的材料必须在极端条件下生存，因此通常具有较高的OI值。这些材料具有不寻常的聚合物配方，以获得最大的热稳定性，通常与不太易燃的基质结合使用作为复合材料。还经常添加阻燃剂和石墨等阻燃填料。当受到加热和辐射通量的影响时，材料在失去其功能完整性之前会经历各种变化。辐射吸收、物理形状、内部化学结构（固化、二次反应）和松散挥发物释放的变化都可能导致材料耐火性的变化。

　　oi测试本身的细节强烈影响oi值。oi是指样品燃烧3分钟的氧气浓度。燃烧终止是指没有剩余可见火焰的时间。这是一个有点主观的标准，通常由相关的一股烟来确定。oi也通过达到氧浓度阈值来确定，火焰在该阈值下燃烧的距离大于5cm。该标准适用于在达到OF之前没有明显燃烧的材料，此时火焰会迅速沿边缘燃烧。必须注意火焰熄灭后的灼热燃烧及其持续时间。在高温下，样品热平衡问题当然变得重要，但尚未得到广泛的研究。对于简单的测量，样品不应表现出任何分解的迹象。烟雾释放、颜色变化或表面外观变化表明样品的变化可能会扭曲oi测量。必须用小的外部火焰在整个顶部点燃样品。点火所需的时间因材料类型和oi而异，但必须注意，在比点燃样品所需的时间更长的时间内，不要使用外部火焰。

　　oi行为的主要变化来自于整个样品是否蒸发和燃烧，或者是否存在残余基质。如果基体留作炭或惰性材料（如玻璃纤维或金属复合材料），燃烧性能会有进一步的差异。基质以多种方式影响燃烧。在火焰上方，它起到散热器的作用，干扰火焰本身的形成。在火焰下方和下方，通过确定从散装材料中逸出的挥发物的路径来给火焰提供燃料，以及材料的状况，影响oi测量。样品越向下，它会影响热传递梯度，这对OI测试很重要。例如，玻璃纤维的低热扩散率使垂直温度梯度变陡，导致样品初始加热所需的热量减少。

　　样品本身也有物理变化，影响热传递和挥发性释放。某些材料因局部加热而膨胀、龟裂、翘曲或泡沫。发泡或膨胀大大降低了材料内部的热传递，而开裂则为挥发物的释放提供了更短的路径，从而增加了裂缝周围局部的挥发速率。一种可以增强燃烧的机制是缓慢的、发光的炭燃烧，它形成稳定的热源，而不同的挥发性释放可能导致火焰熄灭。另一个非常典型的耐火材料oi测试现象是优先边缘燃烧。

　　高级材料表现出许多不同的行为，这些行为在普通材料中看不到，但会影响OI测试。必须注意，试验的方式必须真正代表材料的应用。对于特定的复合材料，这可能意味着在oi测试中必须避免边缘燃烧，因为材料很容易分层。在标准试验中，分层会降低oi，但在实际应用中会增加oi，因为材料是成型和边界的，因此没有暴露的边缘可燃烧，因此分层会减少内部传热并减少挥发性释放。

　　根据高OI值和可用性，选择了五种材料进行广泛的OI测试（表1）。三个是商用的，两个来自陆军材料技术实验室（MTL）的DomenicMacaione博士提供的一组样品。通过热重分析（TGA）测量了质量损失与温度之间的关系，并观察和记录了材料分解的物理特性。TGA测量使用的加热速度为30°C/min，对某些样品来说可能太快，这表明由于分解速度缓慢，进化温度略高于实际温度。

　　从室温到初步辐射加热装置的极限（约550°C）进行试验。由于样品分解阻止了在恒定辐射通量下达到平衡样品温度，因此oi测量的实际温度极限约为300°C。通常，当材料改变吸附（颜色）或表面与大块分离（分层、发泡等）时，在辐射表面通量下，对大块样品的热传递变得不稳定。这种限制可以通过控制表面温度反馈的辐射通量来克服。

　　图2显示了G-10、Ryton-406和黑色酚醛树脂的oi测量值。这些材料的测试将按表中列出的顺序进行说明。解释结果的局限性是由于缺乏对样品化学成分的详细了解。

　　G-10的高OI值是测试的玻璃纤维样品的典型值。同样典型的情况是，随着温度的升高，oi略有但稳定的降低，因为需要更少的热量来维持挥发和燃烧。像许多这样的材料一样，当沿着样品的一个边缘持续燃烧时，氧指数就达到了。蒸汽从玻璃纤维层之间排出，并以喷射的方式点燃。稍微低于oi，样品的顶部会很好地燃烧，但火焰会在沿着样品传播之前熄灭。在Oi燃烧的过程中，沿着一个边缘迅速向下推进。氧浓度在短燃烧时间和快速燃烧之间的转变非常明显，与许多其他材料相比，随着氧浓度的增加，其燃烧时间逐渐延长。

　　G-10还被用于在仪器的高温极限下进行oi测量，因为它在这些温度下保持了结构完整性。样品在火焰区以下烘烤，灯变为最大强度，要求窗口为空冷样品，表面温度测量为550°C。在这些温度下，样品不能在最高可测量氧浓度90%下点燃，因为样品中只剩下玻璃基质。

　　G-10有一个光滑、光亮、半透明的绿色表面，这样在整个大块样品中都会发生辐射吸收，并且中心在210°C下加热最快。环氧树脂开始降解，变成浅棕色。随着温度的升高，材料逐渐变暗，分层开始，被视为连续的变暗点，随着每一内部层的温度升高，这些变暗点在几秒钟（非常快）内扩展到Me样品的宽度。当表面温度升高到330°C以上时，其颜色变黑，气泡液体通过玻璃纤维编织物进入表面。样品温度保持不变，同时所有的液体沸腾成大量的烟雾，然后继续上升。热重分析（TGA）测量表明，在辐射加热条件下，脱挥发物的起始温度可以接近330°C，而在400°C条件下开始的质量损失是环氧焦的毛边。

　　Ryton-406的oi值也如图2所示，非常高。这种光滑光亮的黑色材料被描述为玻璃填充材料，具有由气泡和泡沫控制的加热行为。气泡在接近200°C的温度下开始形成，气泡表面在更高的温度下膨胀。液体的表面张力使得由塑料的蒸发成分形成的气泡不会破裂，而是形成一个膨胀的、相当强的表面，然后与下面的大块材料发生极差的热接触。这是一个优秀的防火性能，但它阻止辐射加热实现均匀样品加热。在大约340°C的温度下，可见烟雾形成，随着温度的升高而变得更密集。在空气中对Ryton-406的TGA数据显示，从350°C开始的质量损失很小，但稳定，在500°C附近开始的热分解导致的质量损失很大。TGA在氮气中只显示热分解挥发，因此将650°C下氧气中的第二个质量损失等同于燃烧炭。

　　黑色酚醛树脂的oi值和温度如图2所示。这种材料是另一类材料的典型，在这种材料中，基体可以在没有火焰的情况下表现出发光燃烧。与往常一样，在点火后的3分钟内，火焰的存在决定了oi，并补充了关于持续发光燃烧的内容。这种材料在燃烧过程中也会收缩，供给火焰的挥发物主要从缝隙中释放出来。这种行为会导致不稳定的燃烧，通常沿边缘向下，而灼热的燃烧会导致火焰在原本看起来已经熄灭的情况下重新形成。

　　当小气泡（≤1mm直径）形成时，接近200°C的黑色半光泽酚醛树脂也开始分解。在250℃以上的温度下，外层分层时形成较大的气泡，防止达到稳定的温度。表面是易碎的，裂缝是开放的，因此高温OI测量值主要取决于这些裂缝能够为火焰提供燃料的时间；燃烧时间在不同的测试之间有很大的差异。空气和氮气中的TGA曲线表明样品中有大量的水，一级脱挥发油开始于300°C，而二级脱挥发油开始于材料热解后450°C。在空气中进行的热重分析试验表明，在高温下，热分解后燃烧，纸的基体几乎完全烧掉。

　　在试验过程中，所有被测样品在一定程度上都表现出优先的边缘燃烧，在G-10燃烧一侧的情况下，或在黑色酚醛燃烧一侧优先，但不在边缘。这种行为表明，没有边缘的表面燃烧测试将提供更高的oi值，如果像大多数应用中一样，覆盖边缘，则可能是更具代表性的测量。边缘烧损是一种常见的现象，可以通过平滑或密封边缘来抑制烧损。这改变了边缘附近的热传递和整体燃烧。

　　作为一种溶液，将5cm（相对于1.2cm）宽的样品放入OI仪器中，并照亮这些样品的中心。燃烧从样品中心垂直向下进行，而不是从边缘向外，形成了一个极好的表面燃烧试验。如预期，oi值略高于标准值。用这种方法测试了G-10和黑色酚醛材料。G-10表面oi值高于≈90%02的测试限值。黑色酚醛表面的oi值如图2所示。oi的增加量将取决于特定类型样品发生边缘燃烧的容易程度。对有机玻璃进行表面燃烧，以证明这种表面燃烧与非复合材料的燃烧方式类似。正如预期的那样，由于有机玻璃不是边缘燃烧材料，因此在表面燃烧试验中，oi保持不变。表面燃烧试验似乎是一个优越的OI测量通常边缘燃烧材料。

　　Ferro-6P是一种纹理清晰的白色玻璃纤维复合材料，编织在一个5毫米宽的垫子上，用于层压。它的OI值由陆军MTL测量，显示出一种异常的温度依赖性。oi值在室温以上急剧增加到非常高的值。图3给出了与陆军数据对比的试验。颜色的变化再一次阻碍了高温测量的稳定。25和200°C下的值一致，而100°C下的值差异显著。首先在100°C下烘烤样品，然后在25°C下对其进行测试，以确定较高温度下的高值，从而解决了这种差异。原因可能是聚合物固化或松散组分蒸发。在任何情况下，低温oi值绝对取决于材料的历史。结果表明，煤焦的分解行为没有明显的二次高温失重现象。

　　为了进一步调查军队样本的变化，对P-14020酚醛树脂进行了测试。该材料的陆军MTLOI数据（表2）显示了更典型的OI行为。辐射加热oi试验显示值明显较高，尽管与一般温度相关。造成这种差异的可能原因是，陆军MTL数据是为新样本采集的，这些样本在本项目测试之前已经老化多年。据推测，缓慢的室温挥发发生在材料中，提高了OI。

表2

　　考虑到在Ferro-6P和P-14020中发现的变化，决定从陆军材料技术实验室测试其他样品材料（表2）。这些材料旨在提供辐射加热装置和标准斯坦顿-雷德克罗夫特装置之间的oi数据比较。其中一些在室温下进行了测试，以消除辐射加热技术导致oi值差异的可能性。在所有情况下，oi值都明显较高，除了一些温度较高的情况，人们不希望长期老化行为很重要。

　　在辐射加热装置上进行的试验也表明，应研究样品温度的平衡问题。辐射通量比标准仪器提供的加热速率大得多，因此人们期望得到更快的平衡。300°C下的样品加热试验表明正在进行显著的分解。这将扭曲预热装置中的oi值，因为与测量的表面温度相比，分解冷却会降低内部温度。Ferro-6p的100°Coi值可以看出这一点，该值介于室温测量和陆军MTL测量之间，可能是因为改变样品的过程仍在进行中。

　　在OI测试过程中，很明显高温下的辐射热与样品的相互作用比预热作用更大，这是通过材料分解时样品吸收率的变化来实现的。一般来说，辐射通量提供了一种样品加热方法，因为火焰蔓延主要是由材料附近火焰的辐射加热引起的，因此它更能反映实际的火灾情况。对G10环氧玻璃纤维和黑色酚醛树脂的数据进行了采集，表明随着通量的增加，oi的降低与温度的降低相似。

　　结论-已研制出一种利用辐射样品加热在高温下进行oi测试的初步装置，并用于对耐火材料进行oi测试。oi测量基于样品温度和辐射通量。将均匀辐射样品加热到550°C以上，并用演示装置实现800°C的温度，该演示装置表明在下一代装置中很容易达到这种温度。与PlexiglasOI值和陆军OI数据的比较验证了设备性能和程序。试验表明，在不显著改变试验程序的情况下，可以显著改进现有技术：（1）用中心点火法对样品进行试验，以避免复合材料边缘主导燃烧；（2）根据辐射通量和样品温度进行试验；（3）对样品平衡进行测量。

　　挥发物释放的物理机制被认为是高ol材料的oi值的主要决定因素。分层、开裂基体渗透、发泡和起泡都会导致不同的燃烧行为和不同的OI特性。边缘燃烧被认为是许多高温样品的主要燃烧机制，导致OI测量结果不代表大多数燃烧情况。较宽样品的中心点火导致表面燃烧oi值比边缘主导燃烧结果高3-5点。表面发射率随温度的变化，极大地改变了样品对辐射能和热通量的吸收。引起材料对火灾条件的重要变化。这种现象是通过在恒定流量下进行OI比较来测量的。

　　通过与陆军数据的比较表明，对于复合材料而言，长期老化和温度固化是决定其OI的重要因素。通过在辐射通量下分解聚合物粘合剂材料，大多数测试材料的OI测量值限制在约300°C。在高于此温度时，由于剩余碳炭性质稳定，发现oi值非常高。