■张俊竹 Zhang Junzhu
(顺德职业技术学院，广东顺德 528300）
摘 要：展览馆中人流较为密集，火灾事件常有发生，故阻燃材料的存在显得尤为重要。针对博物馆、美术馆、科技馆等展览馆用阻燃材料进行分析，以两种阻燃剂为例，利用细观损伤力学法建立细观损伤力学模型，研究了保温材料和装饰材料的宏观力学性能，从而预测其使用寿命。研究发现，两种阻燃材料的使用，提高了建筑用保温材料和装饰材料的弹性模量，使其宏观力学性能显著提升，在添加阻燃材料后其使用寿命有了显著的提升。
关键词：展览馆；阻燃材料；细观损伤力学
Abstract: The population in the exhibition hall is relatively dense, and fire incidents often occur, so the existence of flame resistant materials is very important. The flame resistant materials are used to analyze the museums, art galleries, science and technology museums and other exhibition halls. Taking two kinds of flame resistant materials, namely, Mg(OH)2 and Al(OH)3 as an example, this paper establishes a model of meso damage mechanics by the use of mechanical method of the meso damage mechanics, and researches the macro mechanical properties of the thermal insulation materials and decorative materials so as to predict its service life. This research finds that the use of two kinds of flame resistant materials, namely, Mg(OH)2 and Al(OH)3 can improve the elasticity modulus of the thermal insulation materials and decorative materials used in the construction, so that its macro mechanical properties can have a significant improvement, and its service life can also have a significant improvement after adding flame retardant materials.
Key words: Exhibition hall; Flame retardant materials; Meso damage mechanics
现阶段，阻燃材料已经被广泛的应用于冶金、纺织、建筑、消防等各大行业，甚至在国防工业中都已经有了阻燃材料的身影。
赖学军对阻燃聚丙烯材料进行了研究，并详细介绍了耐水、高效型阻燃剂的制备工艺，指出阻燃材料的制备过程必须严格遵守阻燃剂的阻燃机理，这一点杨丽也进行了深入的探讨。阻燃机理与阻燃剂的种类有关，固相、气相、液相的阻燃机理截然不同，在进行制备时必须充分考虑。
细观力学是一种研究材料显微结构和宏观性能之间联系的一种常用方法，也是一种有效方法。黄建科对金属成形过程中的断裂准则进行了分析，利用细观损伤力学分析金属成型过程的显微结构，并最终发现其韧性变化规律；刘先兰也提出在金属塑性加工过程中，如何有效地观察和衡量金属的塑性十分重要，而细观损伤力学的应用为其提供了有效地途径。
大型展览馆在建设过程城中需要考虑的问题很多，材料的使用和选择十分关键。郭东海就指出在展览馆建筑设计中，必须使用防火材料，避免火灾的发生。为此，阻燃材料的应用十分重要。
本文利用细观损伤力学法，研究了阻燃材料在展览馆建筑过程中发挥的重要作用，通过建立细观损伤力学模型，分析建筑用保温材料和装 饰材料的宏观力学性能，并最终预测其使用寿命。
1 原理分析
1.1 阻燃材料
顾名思义，阻燃材料就是有效地防止或延滞燃烧的一种材料，并且其本身燃点很低，不容易燃烧。阻燃材料作为一种保护材料，其类型有多种，包括固体的和液态的。通常，固体的阻燃材料有各种玻璃、水泥、钢材等，而液态的阻燃材料实际为阻燃剂，即喷涂在各种防火材料或墙体面上，其主要机理是防止起火时墙体或者材料被烧，从而缩小燃烧范围。
阻燃材料也分为有机和无机两种，也可以分为卤素和非卤素。高阻燃材料种类很多，通常用机高阻燃材料以氮系、红磷及化合物、溴系为代表，而无机高阻燃材料主要是三氧化二锑、Mg(OH)2、Al(OH)3、硅系等。
阻燃材料进行阻燃作用的途径不尽相同，通常包括以下几种（见图1）：
■图1 阻燃方式
①促使可燃物碳化，防止其燃烧，最终达到阻燃目的。磷类阻燃剂通常利用使可燃物碳化的作用，在固相中发挥作用；②利用阻燃剂作用形成不挥发隔膜，隔绝空气，达到阻燃效果。在卤化物、氧化锑、硼酸盐和磷类材料等液相阻燃材料使用过程中，这种阻燃效果通常很明显；③利用阻燃剂分解的产物阻隔H、O之间的连锁反应，从而阻止燃烧。在卤化物和氧化锑阻燃材料使用时，会在气相中发挥作用；④分散燃烧热，并分解可燃物质。通常Mg(OH)2、Al(OH)3等阻燃材料使用时，会因分解等化学反应吸收大量的热，其化学生成物是不燃物质，在这两种作用下会阻止可燃物的燃烧。
1.2 展览馆建筑中阻燃材料的应用
对于大型建筑而言，防火措施必须做到位。近年来，大型建筑起火事件屡见不鲜，已经越来越多的火灾事件发生，“火”时刻威胁着我们的人身安全。作为人口最密集的展览馆，每天都要接待成千上万的游客，所以防火成为了展览馆安全任务的重中之重。
对于展览馆建筑，博物馆、美术馆、科技馆等都是其中的一部分。在这些展览馆展开建筑过程中，防火措施必须到位。必须采用高等阻燃材料，防火墙体必须喷涂阻燃剂，只有全方位的工作做到位，才能防止火灾的发生， 防患于未然。
首先，在博物馆、美术馆、科技馆等建设过程中，节能保温的高分子材料即给博物馆、美术馆、科技馆等建筑带来了好处，同时又诱发了火灾的发生，其中包括节能保温的聚氛醋材料，以及博物馆、美术馆、科技馆建筑内部的电线电缆等用聚烯烃材料都是起火的诱因。为此，在这些部位进行阻燃处理就显得十分重要。
其次，在博物馆、美术馆、科技馆等建设过程中，会用到一定的装饰材料。室内装饰品中很多都是可燃材料制成的，比如木质家具， 灯饰用的塑料制品、玻璃制品，以及窗帘等各种纺织制品等等，这些都存在严重的安全问题。总的来说，对这些纺织制品采用阻燃技术，引入阻燃材料十分必要。
结合阻燃材料的种类及其特征，考虑到上述展览馆建筑过程中的实际问题，选择合适的阻燃材料或阻燃剂十分有必要。Mg(OH)2、Al(OH)3作为无机盐阻燃剂，用作阻燃材料制备时，其阻燃机理为靠二者本身发生的化学反应吸收热量，靠化学反应的不燃生成物分解可燃物，从而分散燃烧热，达到阻燃的效果。这种方式不但能阻燃，而且可以抑制烟的生成，此外，Mg(OH)2、Al(OH)3稳定性好，无腐蚀性，高温情况下也不会释放有毒气体，来源很广，价格也能接受，所以是阻燃材料中较为广泛的一种。
本文在此基础上，针对Mg(OH)2、Al(OH)3 两种阻燃剂，研究其应用到博物馆、美术馆、科技馆等建筑的保温材料、装饰材料时，其损伤性能，从而估算博物馆、美术馆、科技馆等展览馆的使用寿命。
2 实验仿真
2.1 细观损伤力学法
何为细观损伤力学，即从细观结构研究材料宏观上的损伤行为、演化过程等。其中， 材料的细观结构包括材料微观形态下的颗粒、孔洞等，而宏观力学性能的损伤表现在其表面的裂纹、断裂等。
常见的细观损伤力学法包括以下几种（见图2）：
■图2 细观损伤力学法的机械方法
常用的细观损伤力学法通常有稀疏近似模型，自洽模型和广义自洽模型。其模型示意图如图3所示：
■图3 常见的微机械模型示意图
在上述三种方法中，广义自洽模型克服了以上两种模型的缺点，是比较完善的。它以无限大的等效介质为基体，并将夹杂和基质的复合球嵌入其中，可以对于各种极端现象给出合理的预测。为此，本文着重利用该种方法进行研究，以下是此方法的详细工作原理（见图4）。
■图4 广义自洽模型
通过广义自洽模型，以Mg(OH)2、Al(OH)3 两种阻燃剂为例，研究当Mg(OH)2、Al(OH)3作为博物馆、美术馆、科技馆等建筑的保温材料、装饰材料时，其损伤行为和宏观力学性能，从而预测博物馆、美术馆、科技馆等展览馆的使用寿命。
2.2 实验仿真
利用细观损伤力学模型法对保温材料和装饰材料进行研究，分析其宏观力学性能，从而对博物馆、美术馆、科技馆等展览馆的使用寿命进行预测过程如图5所示：
■图5 细观损伤力学模型的建立
Mg(OH)2、Al(OH)3通常作为保温材料和装饰材料的基质相进行研究，而要研究其基质相的宏观力学性能，首先必须知道保温材料和装饰材料的典型显微结构，如图6所示：
■图6 材料的典型显微结构
这里选择保温材料（A）和装饰材料（B） 两种材料作为研究对象，其中Mg(OH)2为保温材料（A）的基质相，Al(OH)3为装饰材料（B） 的基质相，其相组成和力学性质如表1、表2 所示：
利用广义自洽模型，针对以上保温材料（A）和装饰材料（B）两种材料的基质相Mg(OH)2、Al(OH)3的弹性性能进行预测。其结果如表3所示：
故此可得到两种材料的应力应变曲线如图7：
■图7 应力应变曲线
由此可得到材料A、B两种材料的杨氏模量应变关系曲线，将杨氏模量与应变曲线分为基质损伤阶段与界面损伤阶段，可以得到如图8关系曲线：
■图8 杨氏模量应变曲线
通过以上分析可知：材料A、B两种材料的的损伤行为取决于基质相Mg(OH)2、Al(OH)3 的性能，或者界面相的性能。其中，基质相Mg(OH)2、Al(OH)3的性能对于材料A、B的宏观性能影响很大，这一点在杨氏模量应变关系曲线可以表征出。
在以上研究的基础上，可以发现保温材料和装饰材料中阻燃剂的应用，即Mg(OH)2、Al(OH)3的使用，提高了其弹性模量，使其宏观力学性能显著提升，这一点在杨氏模量的应力应变曲线图可以看出。
为了进一步预测在阻燃材料使用情况下，博物馆、美术馆、科技馆等展览馆的使用寿命，现引入修正指数曲线法，在上述基础上进一步研究。
修正指数曲线法的数学模型为：
（1）
当K值可以实现确定时，采用最小二乘法确定模型中的参数，而当值不能预先确定时， 采用三和法。把时间序列的n个观察值等分为三部分，每部分有m期，即n=3m。
第一部分：y1, y2, y3, …, ym ；
第二部分：ym+1, ym+2, ym+3, …, y2m；
第三部分：y2m+1, y2m+2, y2m+3, …, y3m；
其中，每部分的趋势之和等于相应的观察值之和，由此给出参数估计。
三合法的步骤如下所示：
记观察值得各部分之和为：
（2）
且有：
（3）
其中：(1+b+b2+…+bm-1)(b-1)=bm-1
从而可以得到：
（4）
由此可得：
（5）
由此可以预测在使用阻燃材料情况下， 博物馆、美术馆、科技馆等展览馆的使用寿命曲线如下（如图9）：
■图9 使用寿命应变曲线
相对没有添加阻燃材料时，在添加阻燃材料后，博物馆、美术馆、科技馆等展览馆的使用寿命有了明显的提高，且提高速度较快， 较为显著。这说明阻燃材料的使用对于博物馆、美术馆、科技馆等展览馆的使用寿命有一定的影响。
3 结语
通过对博物馆、美术馆、科技馆等展览馆用阻燃材料的分析，利用细观损伤力学法建立细观损伤力学模型，以Mg(OH)2、Al(OH)3，研究了保温材料和装饰材料的宏观力学性能，从而预测其使用寿命。
①通过细观力学损伤模型的建立，可以发现Mg(OH)2、Al(OH)3两种阻燃材料的使用， 提高了建筑用保温材料和装饰材料的弹性模量，使其宏观力学性能显著提升，这一点在杨氏模量的应力应变曲线图可以看出；②通过修正指数曲线法预测了使用阻燃材料后博物馆、美术馆、科技馆等展览馆的使用寿命，并发现相对没有添加阻燃材料时，添加阻燃材料后其使用寿命有了显著的提升。
（责任编辑：吉 湘）
参考文献：
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基金项目:广东省高等学校优秀青年教师培养计划资助项目(Yq2013200)
作者简介:张俊竹(1979-),男,副教授、高级环境艺术设计师,研究方向:设计教育、展示设计,E-mail:120328775@qq.com
引文格式:张俊竹.细观损伤力学法下阻燃材料在展览馆建筑中的使用寿命研究[J].家具与室内装饰,2016,(4):72-75.
注：本文来源于《家具与室内装饰》2016年第4 期
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