孫 煒 ， 范金娟 ,*， 劉檳滔

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

0 引言

有機(jī)玻璃材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯，具有質(zhì)量輕、透光性好、優(yōu)良的耐候性及力學(xué)性能、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)風(fēng)擋、座艙蓋、舷窗等航空透明件中[1-2]。其中，座艙玻璃是飛機(jī)上相對(duì)薄弱的結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生溶劑腐蝕出現(xiàn)銀紋和裂紋[3-4]。由于有機(jī)玻璃具有缺口敏感性，銀紋及裂紋的存在會(huì)降低有機(jī)玻璃的強(qiáng)度，并產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生安全隱患[5-6]。且飛機(jī)在飛行過(guò)程中會(huì)承受不同的載荷，如艙內(nèi)壓力、循環(huán)氣動(dòng)載荷、溫度載荷及安裝應(yīng)力等作用，在多種因素的影響下可能會(huì)導(dǎo)致透明件在空中爆破，對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成重大損失[7]。目前，由于溶劑腐蝕造成有機(jī)玻璃失效的報(bào)道較多，但是腐蝕性溶劑來(lái)源并不確定[8-11]。因此，只有對(duì)航空有機(jī)玻璃事故的發(fā)生引起重視，找到腐蝕性溶劑來(lái)源，才能有針對(duì)性的采取預(yù)防措施，避免事故再次發(fā)生。

飛機(jī)在起飛爬升過(guò)程中座艙玻璃發(fā)生爆裂，外界溫度為-35 ℃，座艙壓力正常。玻璃材料為MYB-3，厚度為8 mm，安裝方式為軟式連接，玻璃邊緣與滌綸條粘接，并由密封劑密封。該飛機(jī)服役環(huán)境比較干燥，早晚溫差不大。本研究對(duì)失效座艙玻璃進(jìn)行外觀檢查、宏微觀觀察、能譜測(cè)試和紅外光譜測(cè)試，并與其他架次飛機(jī)座艙玻璃進(jìn)行對(duì)比，分析其失效的原因。

1 試驗(yàn)方法

采用目視檢查的方法觀察失效座艙玻璃整體外觀，判斷其源區(qū)位置及裂紋走向。采用LEICA DMS 1000 體視顯微鏡對(duì)失效玻璃斷口進(jìn)行宏觀觀察。采用FEI NOVANANO 450 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)失效玻璃和不同架次飛機(jī)未失效玻璃的斷口進(jìn)行微觀觀察，并采用能譜測(cè)試分析不同區(qū)域的元素成分差異。采用Nioclet Magna-IR750 紅外光譜儀對(duì)失效玻璃不同位置進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，對(duì)其腐蝕成分進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀檢查

對(duì)失效座艙玻璃進(jìn)行外觀檢查，可見(jiàn)失效座艙玻璃從位置1～3 處起源向兩側(cè)擴(kuò)展，并在擴(kuò)展過(guò)程中交匯形成臺(tái)階（圖1a）。位置1～3 局部放大后，可見(jiàn)開(kāi)裂源區(qū)均位于滌綸條粘接部位和未粘接部位的交界處（圖1b～圖1d）。

圖1 失效座艙玻璃外觀Fig.1 Appearance of failure cockpit glass

2.2 斷口宏微觀觀察

將3 處開(kāi)裂源區(qū)位置切割下來(lái)進(jìn)行宏觀觀察，可見(jiàn)開(kāi)裂源區(qū)為線源，均從座艙內(nèi)側(cè)向外側(cè)方向擴(kuò)展；在擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞弧線特征，斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；擴(kuò)展后期斷口表面粗糙，呈放射狀擴(kuò)展棱線（圖2）。

3 處源區(qū)微觀形貌相似，在此僅對(duì)位置1 源區(qū)進(jìn)行描述。位置1 源區(qū)表面可見(jiàn)大量直徑約為1 μm的圓形腐蝕坑，為典型的溶劑腐蝕特征（圖3a）。由于腐蝕坑只出現(xiàn)在開(kāi)裂斷口邊緣，斷口內(nèi)部疲勞弧線附近未見(jiàn)腐蝕痕跡，表明有機(jī)玻璃先發(fā)生溶劑腐蝕產(chǎn)生腐蝕坑，腐蝕坑處會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，在長(zhǎng)期交變氣動(dòng)載荷的作用下，座艙玻璃從腐蝕坑處起源發(fā)生疲勞斷裂。對(duì)源區(qū)側(cè)表面進(jìn)行微觀觀察，可見(jiàn)側(cè)表面靠近源區(qū)的位置也存在腐蝕微裂紋，進(jìn)一步表明座艙玻璃開(kāi)裂與溶劑腐蝕有關(guān)（圖3b）。

2.3 腐蝕成分分析

圖2 失效玻璃開(kāi)裂源區(qū)宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of cracking source region of failure glass

圖3 失效玻璃位置1 斷口微觀形貌Fig.3 Fracture morphology of position 1 of failure glass

座艙玻璃與滌綸條之間是采用丙烯酸酯膠黏劑粘接的軟連接方式，并且用聚硫密封劑密封，開(kāi)裂源區(qū)均位于滌綸條粘接部位和未粘接部位的交界處，對(duì)有機(jī)玻璃造成溶劑腐蝕的腐蝕介質(zhì)可能來(lái)源于膠粘劑、密封劑及外界環(huán)境。

對(duì)失效玻璃內(nèi)部、源區(qū)腐蝕坑、源區(qū)側(cè)表面、側(cè)表面膠粘劑以及密封劑分別進(jìn)行能譜測(cè)試，通過(guò)對(duì)比不同部位的元素差異，尋找腐蝕介質(zhì)來(lái)源。能譜測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1?？芍ё摬Ａг磪^(qū)的腐蝕坑部位及源區(qū)側(cè)表面均含有較多Cl 元素，而玻璃內(nèi)部未腐蝕部位不含有Cl 元素，表明有機(jī)玻璃的溶劑腐蝕與含Cl 物質(zhì)有關(guān)。密封劑與腐蝕坑部位的元素差異較大，且不含有Cl 元素；而膠粘劑中含有較多Cl 元素，由此表明，密封劑與有機(jī)玻璃的腐蝕無(wú)關(guān)，對(duì)玻璃造成溶劑腐蝕的含Cl 物質(zhì)可能來(lái)源于膠粘劑。

表1 失效座艙玻璃能譜測(cè)試結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Energy spectrum test results of failure cockpit glass (mass fraction /%)

對(duì)失效玻璃內(nèi)部、源區(qū)腐蝕坑以及膠粘劑分別進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，結(jié)果如圖4 所示，可見(jiàn)1728 cm-1處 為C=O 的 伸 縮 振 動(dòng) 峰，1385 cm-1處 是—CH3的變角振動(dòng)峰，1245 cm-1處是酯基中—C—O—C 的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰；1148 cm-1處是酯基中—C—O—C 的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，為甲基丙烯酸甲酯的特征吸收峰，甲基丙烯酸甲酯是有機(jī)玻璃MYB-3 和丙烯酸酯膠粘劑的基本組成[12-13]。其中，源區(qū)腐蝕坑和膠粘劑的紅外光譜圖在756 cm-1處出現(xiàn)C—Cl 的特征吸收峰，而玻璃內(nèi)部沒(méi)有該特征峰[14]；因此，腐蝕坑部位的Cl 元素并非來(lái)源于外界環(huán)境中的Cl-，而是來(lái)源于膠粘劑中的含Cl有機(jī)物。源區(qū)腐蝕坑與膠粘劑的紅外光譜圖相近，但腐蝕坑部位在1000～1300 cm-1的特征吸收峰基本消失，進(jìn)一步表明該處發(fā)生腐蝕反應(yīng)，且導(dǎo)致有機(jī)玻璃發(fā)生腐蝕的含Cl 有機(jī)物來(lái)源于膠粘劑。

圖4 失效玻璃紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectrum of failure glass

2.4 其他架次飛機(jī)座艙玻璃腐蝕檢測(cè)

將其他架次飛機(jī)座艙玻璃從滌綸條粘接部位和未粘接部位的交界處人為打開(kāi)斷口進(jìn)行對(duì)比觀察，可知，玻璃內(nèi)側(cè)人為打開(kāi)斷口邊緣未見(jiàn)腐蝕坑等腐蝕痕跡，微觀形貌見(jiàn)圖5。

圖5 人為打開(kāi)斷口邊緣Fig.5 Artificial fracture edge

對(duì)玻璃內(nèi)部、人為打開(kāi)斷口邊緣及側(cè)表面膠粘劑分別進(jìn)行能譜分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，可知人為打開(kāi)斷口邊緣及側(cè)表面膠粘劑中均不含有Cl 元素，表明座艙玻璃所使用的膠粘劑中不應(yīng)該含有含Cl 有機(jī)物。

2.5 工序排查

對(duì)失效座艙玻璃所使用的丙烯酸酯膠粘劑中含Cl 有機(jī)物來(lái)源進(jìn)行排查。通過(guò)查看膠液成分，發(fā)現(xiàn)配制膠液原材料中的過(guò)氧化苯甲酰可能使用過(guò)氯仿作為溶劑。過(guò)氧化苯甲酰在使用前的處理方法有2 種，分別為干燥處理和精制處理，且這2 種方法選用1 種即可。其中，干燥處理過(guò)程中不涉及含Cl 有機(jī)物；精制過(guò)程需要將過(guò)氧化苯甲酰溶解在氯仿中，氯仿對(duì)有機(jī)玻璃有較強(qiáng)的腐蝕作用，推斷膠粘劑中的含Cl 有機(jī)物可能為溶劑氯仿[15]。過(guò)氧化苯甲酰如果選擇精制作為處理過(guò)程，將難以保證氯仿完全清除。因此，建議粘接有機(jī)玻璃時(shí)使用的丙烯酸酯膠粘劑中的原材料過(guò)氧化苯甲酰選用干燥處理，避免膠液中混入氯仿。

3 結(jié)論與建議

1）座艙玻璃斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2）膠粘劑中的含Cl 有機(jī)物對(duì)有機(jī)玻璃產(chǎn)生溶劑腐蝕導(dǎo)致玻璃開(kāi)裂。

3）建議丙烯酸酯膠粘劑中的原材料過(guò)氧化苯甲酰選用干燥處理，避免膠粘劑中混入氯仿。