保温用膨胀涂料的智能试验
在建筑、船舶和飞机的结构钢表面，膨胀涂层是许多保温系统的一个重要特征。当它们在火灾中暴露在高温下时，内部发生的化学反应会使它们膨胀，并形成一层层被称为“炭”的燃烧泡沫。与最初的涂层不同，这些炭层的结构并不均匀;当它们膨胀时，内部会形成各种大小的缝隙，使它们成为热量的不良导体。这个属性被称为“孔隙度”，它是由由空空间组成的材料体积的分数量化的。现在，膨胀涂料已成为防止火灾蔓延的理想基础。
最终，由不同材料和厚度组成的膨胀型涂层可以形成具有各种不同孔隙率和厚度的炭层，响应于不同的热量。这意味着它们作为热绝缘体的能力可以在不同的情况下广泛变化，从而创造了研究人员在防火中测试其有效性。然而，材料的复杂行为使它们在典型的实验室条件下难以测试。在他们的研究中，康博士和他的同事提出了复杂的新方法，更有效地进行了这些测试。
性能测试中的缺陷
为了在实验室中加热材料，研究人员经常使用一种名为“锥形加热器”的设备，它可以在材料的大表面积上均匀地分配热量。然而，正如康博士解释的那样，这对于膨胀涂层来说要困难得多。他说:“使用锥形加热器来进行热表征是一种常见的方法，但由于膨胀的涂层在接受热量时会膨胀，样品表面和锥形加热器之间的距离会缩小。”“这导致了非恒定的热暴露，因此，一个不准确的测量。”
当这种情况发生时，炭层表面会随着膨胀而经历越来越高的热量，这使得这些测试变得越来越不现实。因此，到目前为止，不可预测的焦炉距离缩短意味着隔热系统防火能力的测试精度受到限制；造成建筑物和车辆损坏的风险增加，同时危及公共安全，甚至可能危及生命。对Kang博士的团队来说，这表明迫切需要更智能的测试技术，这种技术不仅仅是从固定位置加热膨胀涂层，还可以判断锥形加热器何时必须响应炭层的变化。
“这项研究的目的是改进现有的大型火灾测试系统标准，以便更好、更省时、更节省成本的质量控制，”Kang博士描述道。“在这项工作中，我们建立了一个实验室规模的加热装置，能够测量膨胀涂层的隔热性能、膨胀率和质量损失率。”这些工作的关键是在加热涂层时实时准确评估炭层的性能，不影响其内部结构。
我们已经开发了一个强大的工具，用于对膨胀涂层进行精确和详细的分析。
应对扩张
为了实现这些目标，Kang博士和他的同事开发了一种激光扫描技术，可以在炭化层受热并随后膨胀时持续评估其表面。通过测量样品膨胀引起的光密度变化，该技术为实时测量加热器与焦层之间的距离提供了一种非常精确的方案。连接在加热器上的电机可以对这些测量结果做出反应，通过将锥体向后移动刚好合适的距离;确保涂层继续经历均匀的加热，就像在真正的火灾中一样。
Kang博士解释说:“这篇论文中介绍的仪器具有基于激光的表面跟踪功能，这使得锥加热器和样品表面之间保持恒定的距离。”“这导致了恒定的入射热通量;因此，测量更加准确。”研究人员声称，他们是世界上第一个将这种基于激光的表面跟踪特性纳入此类防火产品测试计划的团队。然而，通过进一步的改进，他们的测试方案将达到前所未有的精确度。
结合计算机断层扫描
除了激光跟踪功能外，康博士的团队现在已经将计算机断层扫描（CT）技术纳入他们的分析中。CT通常用于医学，包括从多个不同角度拍摄样本的x射线图像，以有规律的间隔生成一系列二维横截面切片，揭示其在不同深度的结构。有了足够的切片，研究人员就可以在不造成任何损伤的情况下建立样本内部结构的详细3D图像。对于Kang博士和他的同事来说，CT可以生成详细的、实时的炭层内部图像，使他们能够量化炭层的孔隙率和质量损失率。
我们已经建造了一个实验室规模的加热设备，能够测量保温性能，膨胀率和质量损失率。
通过将CT与先进的成像软件相结合，研究人员现在已经展示了世界领先的隔热系统测试能力。“近年来，CT技术在燃烧和火灾研究中的应用迅速普及，我们的团队很早就进入了这一领域，”康博士描述道。“在这些研究中，我们开发了将显微CT扫描与图像处理技术相结合的完整方法。这为分析易碎膨胀炭层的结构特征或孔隙率提供了一种非常有效的方法，这是确定膨胀涂层防火能力的关键。”
在最近的研究中，研究人员分析了这些特性是如何随着膨胀涂层的初始厚度以及不同的热强度而变化的。重要的是，他们发现较薄的涂层在突然暴露于强烈的加热后，会由于气体脱落而迅速失去质量。这将降低焦炭层的厚度和孔隙率，降低其防火效果。最终，这种膨胀机制提出了一种名为“表观热导率”的层的性能，这与材料的防火性能直接相关。
隔热的改进
为了将钢结构表面隔热层的导热系数降至最低，Kang博士的研究小组建议使用初始厚度超过一定阈值的膨胀涂层。此外，它们开发的分析技术提供了一种测试结构钢基保温系统是否适合特定任务的新方法。“通过关联在这些论文中开发的热和结构表征方法，我们已经产生了一种用于对膨胀型涂层进行准确和详细分析的强大工具，”康博士描述。
该团队现在对他们的研究未来的意义抱有很高的希望。“我们的研究考虑到了新产品的开发和现有产品的改进。它还允许在大规模防火测试之前进行产品质量检查，而这通常是昂贵和耗时的，”Kang博士总结道。最终，这可以为包括建筑师和工程师在内的团队提供新的方法来确保他们的设计有效的隔热;在确保最高公共安全标准的同时，潜在地降低了因损坏造成的成本。
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