秦瑞祥 歐迎春 張保軍 左 巖

（1 海裝駐天津地區(qū)軍事代表局，北京100073；2 中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

有機(jī)板以其質(zhì)輕、高透光率、易復(fù)雜成形的特點(diǎn)成為重要的航空透明材料。錦西化工研究院研制的YB-3、DYB-3 是國內(nèi)應(yīng)用較廣泛的兩種航空有機(jī)玻璃牌號(hào)。YB-3 有機(jī)玻璃是澆注板，主要應(yīng)用在不增壓的航空透明件上，如直升機(jī)座艙。DYB-3 有機(jī)玻璃是由YB-3 板定向拉伸而成，并經(jīng)雙面拋光達(dá)到航空級(jí)光學(xué)要求。分子鏈經(jīng)過拉伸取向后，使DYB-3 具備更好的抗銀紋和抗裂紋擴(kuò)展性、耐溶劑性等，廣泛應(yīng)用在增壓的航空透明件上，如殲擊機(jī)風(fēng)擋、艙蓋，客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)的側(cè)窗、舷窗等。

我國的澆注有機(jī)玻璃主要應(yīng)用在直升機(jī)透明件上。隨著直升機(jī)視野和流線外形要求的不斷提高，直升機(jī)風(fēng)擋的面積越來越大、外形也越來越復(fù)雜，風(fēng)擋玻璃暴漏的問題也在增加。某型號(hào)直升機(jī)每年有20 多架份的風(fēng)擋玻璃出現(xiàn)裂紋，影響了正常的飛行任務(wù)。

本文系統(tǒng)對(duì)比了YB-3 和DYB-3 有機(jī)玻璃的各項(xiàng)性能，為非增壓飛機(jī)透明件的選材作參考。

1 YB-3 和DYB-3 有機(jī)玻璃的對(duì)比項(xiàng)目

1.1 基本性能

YB-3 和DYB-3 有機(jī)玻璃典型性能數(shù)據(jù)見表1[1]。從表1 可知，YB-3 經(jīng)過定向拉伸后，拉伸強(qiáng)度雖提高4%，對(duì)應(yīng)的沖擊韌性提高1 倍，斷裂韌度提高1.83 倍，抗銀紋性提高1 倍。

表1 國產(chǎn)有機(jī)玻璃的典型性能數(shù)據(jù)*

1.2 缺口敏感性

有機(jī)透明件常采用孔的形式與機(jī)身骨架連接，艙蓋上的螺栓孔、梅花槽及加工和使用中造成的劃痕等都是廣義的切口。航空有機(jī)玻璃對(duì)缺口和應(yīng)力集中相當(dāng)敏感，零件中的內(nèi)應(yīng)力或裝配應(yīng)力稍大，就會(huì)誘發(fā)銀紋，甚至裂紋[2]。

有機(jī)玻璃作為塑性材料， 鄭修麟[3]發(fā)現(xiàn)其遵循正應(yīng)變斷裂準(zhǔn)則，當(dāng)切口根部局部應(yīng)變達(dá)到材料的斷裂延性εf時(shí)，切口根部材料發(fā)生斷裂形成裂紋，并推導(dǎo)出了塑性材料平面應(yīng)變狀態(tài)下的切口強(qiáng)度估算式：

式中σN為試件所受凈斷面名義應(yīng)力；Kt為應(yīng)力集中系數(shù)；E 為彈性模量；σf為材料的斷裂強(qiáng)度，且有εf=ln (1 - ψ)，σf=σb(1 +ψ) ，ψ 為斷面收縮率，σb為材料抗拉強(qiáng)度。根據(jù)切口強(qiáng)度估算式(1)，σN應(yīng)隨著Kt增大反比下降。鄭修麟等[2-4]研究發(fā)現(xiàn)：Kt剛開始增大時(shí)，σN并不下降，此時(shí)的切口強(qiáng)度不低于光滑試件強(qiáng)度σb；當(dāng)Kt大于某一臨界值后，σN才成反比下降，這一臨界值稱為切口敏感度因子KN；當(dāng)切口深度及試件尺寸為定值時(shí)，Kt隨切口根部半徑ρ 的減小繼續(xù)增大到另一臨界值Kρ時(shí)，切口強(qiáng)度保持在一定的水平上，此時(shí)的切口強(qiáng)度由材料的斷裂韌度KIC控制，Kρ稱為尖切口不敏感因子。

σN與Kt的關(guān)系見式（2）。式(2)中Y 為斷裂力學(xué)中計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC的形狀函數(shù)， a 為Griffith 裂紋半長(zhǎng)。

表示材料切口敏感性的傳統(tǒng)方法是求切口強(qiáng)度對(duì)抗拉強(qiáng)度的比值NSR =σN/σb，式（1）變?yōu)椋?/p>

令切口敏感度因子KN= NSR·Kt，則KN為材料常數(shù)，其物理意義是：當(dāng)Kt≤KN時(shí)NSR ≥1. 0 ，材料對(duì)切口不敏感；當(dāng)Kt> KN時(shí)NSR < 1. 0，材料對(duì)切口敏感。

王 泓 等[2]研 究 了10mmYB-3、DYB-3 有機(jī)玻璃光滑件的KN，見表2。DYB-3 的強(qiáng)度σb略高于YB-3 的強(qiáng)度，但其伸長(zhǎng)率卻大大高于YB-3，因而使定向PMMA 的切口敏感度因子有很大提高，表現(xiàn)在較大的范圍內(nèi)對(duì)切口不敏感( KN = 2. 5)；而非定向玻璃對(duì)切口敏感( KN = 1. 2) 。

表2 10mm 光滑件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.3 耐應(yīng)力-溶劑性

史建立等[5]系統(tǒng)地研究有機(jī)溶劑、水、紫外光等單個(gè)因素以及水-紫外光-應(yīng)力-溶劑多因素循環(huán)作用對(duì)其失效的影響，并給出YB-3 的應(yīng)力-溶劑銀紋試驗(yàn)結(jié)果。應(yīng)力-溶劑銀紋臨界應(yīng)力σc按文獻(xiàn)[6]進(jìn)行。溶劑的影響見表2。有機(jī)玻璃應(yīng)力-溶劑銀紋臨界應(yīng)力σc是與其溶度參數(shù)δp 和溶劑的溶度參數(shù)δs 之差Δδ 有關(guān)。Δδ 越小， σc就越小。即溶劑對(duì)高聚物的溶解能力越強(qiáng)， 則溶劑就越容易滲入最薄弱區(qū)， 并引起局部高聚物的溶脹， 導(dǎo)致其屈服應(yīng)力明顯下降。在高聚物的應(yīng)力-溶劑銀紋試驗(yàn)中，σc反映的是試樣中最薄弱區(qū)的屈服應(yīng)力。

史建立等[7]采用懸臂梁法對(duì)比了YB-3 和DYB-3 航空有機(jī)玻璃在不同環(huán)境中的應(yīng)力-溶劑銀紋臨界應(yīng)力——σc，并就取向?qū)娇沼袡C(jī)玻璃抗環(huán)境-應(yīng)力開裂能力的影響及機(jī)理進(jìn)行了分析。新鮮DYB-3 的σc值為18.03MPa，而YB-3 的只有8.98Mpa，即取向可將σc提高1 倍；吸水12 天后，YB-3 的吸水率為0.42%，σc值為5.66MPa，下降37%，而對(duì)應(yīng)的DYB-3 吸水率為0.37%，σc為14.07MPa， 只 降 低22%； 紫外 輻60min 后，YB-3 的 值 下 降 到6MPa 左 右，而DYB-3 的σc值下降到10MPa，繼續(xù)延長(zhǎng)照射時(shí)間，σc基本穩(wěn)定。雙軸拉伸取向提高了有機(jī)玻璃在潮濕及紫外條件下的抗環(huán)境-應(yīng)力開裂的能力。

表2 YB-3 有機(jī)玻璃應(yīng)力-溶劑銀紋應(yīng)力σc 與溶劑類型的關(guān)系

1.4 人工加速老化、自然老化

以C-C、C-H、C-O 結(jié)合的有機(jī)玻璃抗紫外老化性能低，也是用戶使用有機(jī)玻璃最為關(guān)心的問題之一。黃寶臣[8]闡述了紫外線加速老化方法，并介紹了美國空軍高性能透明件系統(tǒng)的耐久性評(píng)定內(nèi)容和試驗(yàn)方法。

史建立等[5]研究發(fā)現(xiàn)隨著紫外光輻照時(shí)間的增加，DYB-3 和YB-3 的σc值都下降；當(dāng)輻照時(shí)間20min 內(nèi)，σc下降得比較快，繼續(xù)延長(zhǎng)照射時(shí)間，σc趨于穩(wěn)定。DYB-3 隨輻照時(shí)間的下降率高于YB-3，原因是DYB-3 的表面缺陷少于YB-3， 輻照后缺陷濃度的增加會(huì)使其σc值明顯下降。盡管如此， 照射60min 后，YB-3 的σc值為6MPa 左右，而DYB-3 為10MPa 左右。

史偉琪[9]系統(tǒng)地研究了YB-3、DYB-3 及其它有機(jī)玻璃的大氣自然老化壽命，YB-3 板材在廣州暴曬4 年開始發(fā)霧，10 年呈霧狀乳白色，集中在朝陽面深度約0.15mm 以內(nèi)；老化6 年板材朝陽表面出現(xiàn)細(xì)小的銀紋，老化10 年銀紋發(fā)展成短小的裂紋，稀疏地分布在朝陽表面，其中有的相交。DYB-3 老化4 年亦呈現(xiàn)霧狀乳白色．程度比YB-3 輕；老化10 年板材仍舊沒有出現(xiàn)銀紋。YB-3 有機(jī)玻璃的大氣老化壽命被確定為5.5 年，DYB-3 有機(jī)玻璃的大氣老化壽命被確定為l0 年以上。

在有機(jī)板材疲勞方面的研究也很多，如肖健[10]研究了DYB-3 有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理和擴(kuò)展模型，賈敬華[11]試驗(yàn)測(cè)定和分析了YBMD-3 有機(jī)玻璃的等幅疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律和疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值，馬麗婷[12]提出三種描述有機(jī)玻璃拉伸疲勞S-N 曲線的模型等。

1.5 其它

沈莉莉等[13]研究了DYB-3 有機(jī)玻璃的熱老化性能，指出DYB-3 有機(jī)玻璃在50℃的熱空氣老化條件下，材料主要發(fā)生了物理變化，可能是內(nèi)部水分、低分子物質(zhì)逸出，以及空穴里氣體的揮發(fā)，降低了有機(jī)玻璃的的自由體積、增大了分子間作用力，使得有機(jī)玻璃試樣隨著熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度升高。

馬麗婷等[14]對(duì)有機(jī)玻璃在鹽水條件下的人工加速老化試驗(yàn)進(jìn)行了研究， 得到了有機(jī)玻璃在鹽水條件下的老化規(guī)律和老化機(jī)理。將彎曲試樣和拉伸試樣均放入盛有濃度為3 %鹽水的玻璃器皿中， 然后再把此玻璃器皿放入溫度為50 ℃的人工氣候箱中進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：力學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化， 即拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；機(jī)理為：老化前后的Tg 分別為121.8℃和121.4℃，GPC 測(cè)試最大摩爾質(zhì)量Mp 和重均摩爾質(zhì)量Mw 都下降， 說明在有機(jī)玻璃內(nèi)部有小分子物質(zhì)產(chǎn)生， 但是小分子物質(zhì)產(chǎn)生很少并沒有影響有機(jī)玻璃玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的變化， 有機(jī)玻璃的容易水解的基團(tuán)位于高分子鏈的側(cè)鏈中，主鏈完好。

2 結(jié) 語

分析上述具體指標(biāo)，與YB-3 有機(jī)玻璃相比，DYB-3 航空有機(jī)玻璃具有更好的可靠性和耐久性，國外的透明件主要采用定向板來加工。但DYB-3 有機(jī)玻璃的價(jià)格昂貴，熱成形存在玻璃收縮、反彈等問題，有一定成形難度，這些使得定向板有機(jī)制品的成本較高。

綜合考慮性能和成本，建議非增壓飛機(jī)透明件，在承受氣動(dòng)載荷較大的部位采用定向板加工，如風(fēng)擋，提高飛機(jī)整體的耐久性。

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