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热重分析技术及其在高分子表征中的应用

高分子学报 2022年第2期53卷 193-210页

作者：谢启源陈丹丹丁延伟中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心合肥230026

热重分析技术(TGA)是在程序控制温度和设定气氛下表征材料受热过程中的质量随温度或时间变化的高精度研究工具,具有重复性好、灵敏度高和热过程控制精准等优点.近年来,TGA技术在高分子材料领域得到了广泛应用,促进了高分子材料热稳定性... 详细信息

热重分析技术(TGA)是在程序控制温度和设定气氛下表征材料受热过程中的质量随温度或时间变化的高精度研究工具,具有重复性好、灵敏度高和热过程控制精准等优点.近年来,TGA技术在高分子材料领域得到了广泛应用,促进了高分子材料热稳定性、组成分析以及热分解机理等材料细观热响应特性的深入研究.本文分别从热重分析基本原理、仪器校准、实验方案设计、实验操作、热重曲线综合解析以及各环节中易出现的不当操作、异常数据与解决方案等方面进行阐述,并给出了在高分子科学研究领域中的典型应用案例、未来发展趋势及机遇与挑战.在实际应用中,基于TGA与傅里叶红外光谱(FTIR)、示差扫描量热法(DSC)、气相色谱-质谱联用(GC/MS)等技术的联用分析,将有利于进一步揭示高分子材料在不同气氛和热激励等条件下的详细热响应信息,为性能优异的新型高分子材料研发与设计、热解机理及燃烧蔓延动力学等领域提供支撑和指导.

关键词：热重分析技术曲线解析热稳定性热解机理案例分析

高压开关柜阻燃绝缘件在役老化诱发着火事故的综合分析

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火灾科学 2022年第2期31卷 120-128页

作者：任美杰谢启源宋思齐中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室合肥230026 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院南京211103 中国科学技术大学先进技术研究院合肥230088

高压开关柜长期连续运行在高温高湿环境下,内部的阻燃绝缘件会老化而导致性能劣化,进而引起电弧击穿乃至着火事故。为揭示绝缘件样品老化对其击穿与引燃特性的影响机制,针对已在役运行12年开关柜内老化阻燃固封极柱样品和同配方新样品,... 详细信息

高压开关柜长期连续运行在高温高湿环境下,内部的阻燃绝缘件会老化而导致性能劣化,进而引起电弧击穿乃至着火事故。为揭示绝缘件样品老化对其击穿与引燃特性的影响机制,针对已在役运行12年开关柜内老化阻燃固封极柱样品和同配方新样品,开展了微观形貌、热重-差示扫描量热、热重-红外光谱和微量燃烧特性综合分析。结果表明:开关柜内的长期电热应力易使环氧树脂绝缘材料的微观结构产生破坏,内部易产生孔洞和裂纹,导致其绝缘性能下降;开关柜内的高温环境易使绝缘材料内部分子链缓慢断裂,导致老化样品更易受热分解;同时,柜内高温高湿环境既可使其材料内部孔隙吸湿而降低绝缘性能,还易导致磷系阻燃剂吸潮氧化,降低其阻燃性能;最后,与新样品相比,12年老化样品在升温初期的燃烧释热更高,一旦形成击穿电弧,更易着火燃烧。研究结果为高压开关柜因绝缘件老化失效而形成击穿起火事故提供了分析要点,并可作为未来更高性能阻燃绝缘件的优化设计依据。

关键词：高压开关柜固封极柱绝缘老化环氧树脂火灾事故

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密闭腔室内高压七氟丙烷喷放与局部过冷研究

消防科学与技术 2022年第10期41卷 1440-1444页

作者：袁焱华卢启钊谢启源应急管理部上海消防研究所上海倍安实业有限公司上海200032 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230027

针对高压七氟丙烷气体喷放行为,建立了密闭腔室高压气体小孔喷射动态发展与演化模型,基于数值分析研究了高压七氟丙烷小孔喷射过程中的组分场、温度场和速度场等特性,并开展了相应喷放试验研究。计算结果表明,七氟丙烷喷射后易形成气体... 详细信息

针对高压七氟丙烷气体喷放行为,建立了密闭腔室高压气体小孔喷射动态发展与演化模型,基于数值分析研究了高压七氟丙烷小孔喷射过程中的组分场、温度场和速度场等特性,并开展了相应喷放试验研究。计算结果表明,七氟丙烷喷射后易形成气体回卷,继而在障碍物靠近喷射口一侧形成七氟丙烷稀薄区域。七氟丙烷发生意外喷射时,尽管在喷口附近产生的最低温度低至-20℃,当七氟丙烷喷射口距离电子设备超过1.75 m时,则相应的低温影响往往在可接受范围。

关键词：消防七氟丙烷高压喷射低温损伤机房电子设备数值模拟

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高压击穿电弧作用下SMC绝缘隔板引燃特性

消防科学与技术 2022年第7期41卷 888-894页

作者：宋思齐任美杰李成钢谢启源国网江苏省电力有限公司电力科学研究院江苏南京211103 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230026 中国科学技术大学先进技术研究院安徽合肥230088

绝缘隔板是高压开关柜的重要部件,采用高压起弧实验平台,针对5,10 mm两种厚度的SMC绝缘隔板开展了电弧引燃与燃烧实验,研究了质量损失率、余焰时间、温度曲线等特征量随电弧作用时间的变化规律。结果表明,高压作用下,两电极首先绕SMC竖... 详细信息

绝缘隔板是高压开关柜的重要部件,采用高压起弧实验平台,针对5,10 mm两种厚度的SMC绝缘隔板开展了电弧引燃与燃烧实验,研究了质量损失率、余焰时间、温度曲线等特征量随电弧作用时间的变化规律。结果表明,高压作用下,两电极首先绕SMC竖直板形成倒“U”型夹持加热电弧;持续电弧作用下的烧蚀过程可以分为起弧上扬、夹持引燃、侧面弧降、余焰燃烧四个阶段。10 mm样品余焰的产生时间较晚,且需要更长的加热时间达形成显著自维持燃烧,烧蚀结束后样品炭化烧蚀度较低,可见,SMC绝缘隔板增厚,有利于其结构完整性和防火隔火能力的提升。由样品不同区域的表面温度曲线,弧根对该区域对样品表面的加热强度反而较弱,即样品表面的温升受弧柱距离和自持火焰的双重作用,包含多个互相影响的热过程。研究结果可用于高压开关柜绝缘隔板的科学选型与优化布设,为开关柜防火安全性能的提升提供科学依据。

关键词：高压开关柜 SMC 绝缘隔板电弧引燃机理

高压击穿电弧作用下开关柜内典型阻燃绝缘件引燃特性的实验研究

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火灾科学 2022年第1期31卷 15-24页

作者：宋思齐任美杰李成钢贾勇勇谢启源国网江苏省电力有限公司电力科学研究院南京211103 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室合肥230026 中国科学技术大学先进技术研究院合肥230088

高压开关柜内的绝缘件失效故障,易引发火灾事故、区域停电甚至影响电网系统的稳定运行。基于高压击穿电弧模拟与材料引燃机理综合模拟实验平台,针对4 mm厚支柱绝缘子和固封极柱,开展了15 kV击穿电弧作用下的系列引燃实验研究。结果表明... 详细信息

高压开关柜内的绝缘件失效故障,易引发火灾事故、区域停电甚至影响电网系统的稳定运行。基于高压击穿电弧模拟与材料引燃机理综合模拟实验平台,针对4 mm厚支柱绝缘子和固封极柱,开展了15 kV击穿电弧作用下的系列引燃实验研究。结果表明,高压电极横向击穿后,电弧迅速上翻形成自上而下“夹持”样品的倒“U”形弧柱,弧根与弧顶首先炭化或引燃。阻燃绝缘件样品顶部形成火焰后,随着燃烧的进行,逐渐从顶部形成穿透样品的内部击穿电弧,该电弧易诱发剧烈燃烧的水平喷射火焰。内部击穿电弧位置向下移动呈“2阶段”特征:在初始阶段较慢,支柱绝缘子和固封极柱样品内击穿点下移速度分别约为2.55 mm/s和1.74 mm/s,而在第2阶段分别增大至78.50 mm/s和35.03 mm/s。此外,高压起弧瞬间,在紧邻电极上方的绝缘材料表面,升温速率可达180℃/s。研究结果可用于高压开关柜各类阻燃绝缘件的科学选型与优化设计,为开关柜防火安全性能的提升提供科学依据。

关键词：高压开关柜阻燃材料环氧树脂电弧引燃机理

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高压电缆过载运行条件下内外温度场演化特性

中国安全科学学报 2018年第11期28卷 92-97页

作者：刘凯谢启源中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230027

为预防高压电力电缆运行中,因线芯横截面面积不满足电流载荷要求形成过载,而发生热灾害事故,基于高压电缆径向层状材料分布结构,探究电缆内部线芯生热、中间层导热与外表层散热耦合机制;对同一电缆,保持线芯截面与外层结构不变,分析不... 详细信息

为预防高压电力电缆运行中,因线芯横截面面积不满足电流载荷要求形成过载,而发生热灾害事故,基于高压电缆径向层状材料分布结构,探究电缆内部线芯生热、中间层导热与外表层散热耦合机制;对同一电缆,保持线芯截面与外层结构不变,分析不同电流强度导致其过载时,电缆内外温度场演化特征;针对不法厂商恶意缩小线芯截面的行为,分析该"人为过载"因素引起的线芯过热危险性,并讨论表面对流散热条件、线芯种类等因素对该过载过热行为的影响。结果表明:电缆线芯过细、外层材料增厚导致电缆内外温度显著增高,易引发热灾害事故;与铜芯电缆相比,铝芯电缆发热更显著,在通风散热不良环境中,更易引发热灾害事故。

关键词：电缆过热电缆火灾线芯线芯发热模型温度

引入熔融糊状区的PMMA逆流火蔓延数值模拟

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清华大学学报（自然科学版） 2020年第12期60卷 1039-1046页

作者：罗圣峰谢启源张辉王光健清华大学工程物理系北京100084 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室合肥230026 清华大学航天航空学院北京100084

该文通过数值模拟研究了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板材逆流火蔓延过程,将PMMA火蔓延过程中的糊状区熔融相变传热过程引入到材料的能量方程,并建立气相燃烧反应的组分方程和传热微分方程。通过在材料上边界局部位置施加固定热流以实现点火... 详细信息

该文通过数值模拟研究了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板材逆流火蔓延过程,将PMMA火蔓延过程中的糊状区熔融相变传热过程引入到材料的能量方程,并建立气相燃烧反应的组分方程和传热微分方程。通过在材料上边界局部位置施加固定热流以实现点火过程,研究相变材料由点火、非稳定火蔓延到稳定火蔓延过程中的典型特性。基于凝聚相温度场,获得了糊状区和熔融相界面的形态。结果表明:火焰前缘附近的糊状区较薄,火焰前锋下游糊状区呈缓慢增厚趋势,火焰前锋附近的液相熔融界面较浅;随着与火焰前锋距离的增大,熔融深度逐渐加深。基于模拟结果和尺度分析,表明熔融界面形态近似呈二次函数发展。

关键词：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 火蔓延数值模拟熔融相变

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弱磁物体矢量探测系统研究

弱磁物体矢量探测系统研究

作者：谢启源南京航空航天大学

学位级别：硕士

弱磁物体矢量探测系统试图通过测量一片区域内的磁场矢量分布模式，以此来推算处于地磁场内的铁磁目标物体的位置及磁性参数。虽然磁场矢量探测能获得比标量探测更多的目标物体磁场信息，但是探测难度也将大大增加。尽管如此，磁探测技... 详细信息

弱磁物体矢量探测系统试图通过测量一片区域内的磁场矢量分布模式，以此来推算处于地磁场内的铁磁目标物体的位置及磁性参数。虽然磁场矢量探测能获得比标量探测更多的目标物体磁场信息，但是探测难度也将大大增加。尽管如此，磁探测技术的再一次突破必然在矢量探测或基于矢量探测的新方法上。为了充分了解弱磁物体矢量探测的技术难点和重点，本文试图通过试制弱磁物体矢量探测设备展开研究。对于矢量探测，本文研究了：建立弱磁物体在地磁场磁化作用下产生的感应磁场矢量场模型;针对地磁场的变化特性，研究了结合数学形态滤波和基于EMD分解的HHT磁场滤波技术，实现对磁场数据的滤波;为了避开磁场矢量传感器对姿态的敏感，研究了基于矢量探测的全张量磁场梯度探测法，通过测量被测磁场矢量在空间三个方向的变化率以获取目标物体的位置及磁性参数，并且研究了基于全张量磁场梯度探测的目标物体定位算法;为了提高磁场矢量探测的精度，引入了基于椭球约束和正交Procrustes分析的矢量传感器校正算法，在不同噪声水平下进行了算法仿真，结果表明该校正方法能有效的完成校正工作，且具有一定的鲁棒性。文章最后对磁场矢量探测设备及全张量磁场梯度探测设备的开发进行了阐述，包括传感器支架设计，数据采集软件开发及实验硬件设备搭建。在户外进行了矢量传感器静态测量和全张量磁场梯度测量的区域测量实验，利用现场数据进行了滤波算法的验证，并且利用全张量磁场梯度测量的数据进行了目标物体的定位，验证了定位算法的有效性。

关键词：磁场探测磁偶极子定位形态滤波 HHT滤波误差校正全张量梯度探测

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核电站浸渍活性炭阴燃蔓延特性的实验研究

火灾科学 2019年第2期28卷 85-93页

作者：雷晴晴谢启源中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室

碘吸附器内的核级浸渍活性炭是核电站主要火灾荷载之一,首先通过热重实验与分析,确定了核级浸渍活性炭阴燃前锋温度为350℃,获得了活化能为48.6 kJ/mol。继而基于自主设计的圆柱型活性炭填充床阴燃模拟实验台,在无强迫气流条件下,针对... 详细信息

碘吸附器内的核级浸渍活性炭是核电站主要火灾荷载之一,首先通过热重实验与分析,确定了核级浸渍活性炭阴燃前锋温度为350℃,获得了活化能为48.6 kJ/mol。继而基于自主设计的圆柱型活性炭填充床阴燃模拟实验台,在无强迫气流条件下,针对上表面中心引燃条件下的核级浸渍活性炭横向与纵向阴燃蔓延特性进行了实验研究。填充床径向截面温度场重构结果表明,核级浸渍活性炭在高温点热源作用下,易形成快速发展的阴燃蔓延燃烧过程。其中,横向蔓延燃烧速度达3.6 mm/min,明显快于纵向蔓延速度的0.5 mm/min。此外,内部温度场动态演化过程表明,浸渍活性炭向下蔓延燃烧过程中,将在其中部区域形成不断扩大的高温燃烧区,局部温度高于700℃,而此时其上表面温度却相对降低,易掩盖内部的危险区域。

关键词：浸渍活性炭阴燃蔓延核电站碘吸附器