YB-3 與DYB-3 航空有機玻璃綜合性能對比

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）

有機板以其質(zhì)輕、高透光率、易復(fù)雜成形的特點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玻璃牌號。YB-3 有機玻璃是澆注板，主要應(yīng)用在不增壓的航空透明件上，如直升機座艙。DYB-3 有機玻璃是由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，如殲擊機風(fēng)擋、艙蓋，客機、運輸機的側(cè)窗、舷窗等。

我國的澆注有機玻璃主要應(yīng)用在直升機透明件上。隨著直升機視野和流線外形要求的不斷提高，直升機風(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。某型號直升機每年有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)對比了YB-3 和DYB-3 有機玻璃的各項性能，為非增壓飛機透明件的選材作參考。

1 YB-3 和DYB-3 有機玻璃的對比項目

1.1 基本性能

YB-3 和DYB-3 有機玻璃典型性能數(shù)據(jù)見表1[1]。從表1 可知，YB-3 經(jīng)過定向拉伸后，拉伸強度雖提高4%，對應(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)有機玻璃的典型性能數(shù)據(jù)*

1.2 缺口敏感性

有機透明件常采用孔的形式與機身骨架連接，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。航空有機玻璃對缺口和應(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，就會誘發(fā)銀紋，甚至裂紋[2]。

有機玻璃作為塑性材料， 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，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為材料抗拉強度。根據(jù)切口強度估算式(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，σN并不下降，此時的切口強度不低于光滑試件強度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，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，切口強度保持在一定的水平上，此時的切口強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)中計算應(yīng)力強度因子KIC的形狀函數(shù)， a 為Griffith 裂紋半長。

表示材料切口敏感性的傳統(tǒng)方法是求切口強度對抗拉強度的比值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NSR ≥1. 0 ，材料對切口不敏感；當(dāng)Kt> KN時NSR < 1. 0，材料對切口敏感。

王 泓 等[2]研 究 了10mmYB-3、DYB-3 有機玻璃光滑件的KN，見表2。DYB-3 的強度σb略高于YB-3 的強度，但其伸長率卻大大高于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)對切口不敏感( KN = 2. 5)；而非定向玻璃對切口敏感( KN = 1. 2) 。

表2 10mm 光滑件拉伸試驗結(jié)果

1.3 耐應(yīng)力-溶劑性

史建立等[5]系統(tǒng)地研究有機溶劑、水、紫外光等單個因素以及水-紫外光-應(yīng)力-溶劑多因素循環(huán)作用對其失效的影響，并給出YB-3 的應(yīng)力-溶劑銀紋試驗結(jié)果。應(yīng)力-溶劑銀紋臨界應(yīng)力σc按文獻(xiàn)[6]進行。溶劑的影響見表2。有機玻璃應(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。即溶劑對高聚物的溶解能力越強， 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]采用懸臂梁法對比了YB-3 和DYB-3 航空有機玻璃在不同環(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玻璃抗環(huán)境-應(yīng)力開裂能力的影響及機理進行了分析。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)延長照射時間，σc基本穩(wěn)定。雙軸拉伸取向提高了有機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)合的有機玻璃抗紫外老化性能低，也是用戶使用有機玻璃最為關(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)的耐久性評定內(nèi)容和試驗方法。

史建立等[5]研究發(fā)現(xiàn)隨著紫外光輻照時間的增加，DYB-3 和YB-3 的σc值都下降；當(dāng)輻照時間20min 內(nèi)，σc下降得比較快，繼續(xù)延長照射時間，σc趨于穩(wěn)定。DYB-3 隨輻照時間的下降率高于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 有機玻璃的大氣老化壽命被確定為5.5 年，DYB-3 有機玻璃的大氣老化壽命被確定為l0 年以上。

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

1.5 其它

沈莉莉等[13]研究了DYB-3 有機玻璃的熱老化性能，指出DYB-3 有機玻璃在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)，降低了有機玻璃的的自由體積、增大了分子間作用力，使得有機玻璃試樣隨著熱老化時間的延長，抗拉強度升高。

馬麗婷等[14]對有機玻璃在鹽水條件下的人工加速老化試驗進行了研究， 得到了有機玻璃在鹽水條件下的老化規(guī)律和老化機理。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 ℃的人工氣候箱中進行人工加速老化試驗。實驗發(fā)現(xiàn)：力學(xué)性能會發(fā)生變化， 即拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量都呈現(xiàn)下降趨勢；機理為：老化前后的Tg 分別為121.8℃和121.4℃，GPC 測試最大摩爾質(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玻璃玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的變化， 有機玻璃的容易水解的基團位于高分子鏈的側(cè)鏈中，主鏈完好。

2 結(jié) 語

分析上述具體指標(biāo)，與YB-3 有機玻璃相比，DYB-3 航空有機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 有機玻璃的價格昂貴，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制品的成本較高。

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

[1]航空制造工程手冊·非金屬結(jié)構(gòu)件工藝[M].航空工業(yè)出版社，1996：277～281

[2]王泓，鄢君輝，鄭修麟.航空有機玻璃切口強度及切口敏感性估算[J].機械強度，2001，23(2)：131 ～133

[3]Zheng XL.On an unified model for predicting notch strength and fracture toughness [J]. Eng. Fract.Mech.，1989，33(5)：685 ～695

[4]鄭修麟.材料的力學(xué)性能[M].西安，西北工業(yè)大學(xué)出版社，1991.57 ～61

[5]史建立，吳健，過梅麗.環(huán)境因素對三號航空有機玻璃應(yīng)力-溶劑銀紋的影響[J].航空學(xué)報，1996，17（3）：360-363

[6]過梅麗，劉貴春，張復(fù)盛，劉士昕.4 號航空有機玻璃在大氣老化中表面開裂的原因分析[J].航空學(xué)報，1990，11(6)：B281-B289

[7]史建立，曹慶鵬，過梅麗.航空有機玻璃環(huán)境-應(yīng)力開裂的研究2.取向的影響[J].材料科學(xué)與工程，1996，14(4)：43-46

[8]黃寶臣.航空有機玻璃全紫外線加速老化方法初探[J].飛機設(shè)計，1995，1：35-40

[9]史偉琪.航空有機玻璃板材的大氣老化壽命[J].材料工程，1993：28-31

[10]肖健.MDYB-3 航空有機玻璃疲勞裂紋特性的試驗研究[D].2004

[11]賈敬華，李亞智，肖健.YB-MD-3 有機玻璃的疲勞裂紋擴展特性研究[J].航空材料學(xué)報2006，26(5)：100-103

[12]馬麗婷，陳新文，厲蕾.有機玻璃拉伸疲勞行為研究[J].失效分析與預(yù)防2010，5(2)：78-81

[13]沈莉莉等.YB-DM-3 航空有機玻璃的熱老化性能[J].中國有色金屬學(xué)報，2005，15：436-440

[14]馬麗婷，陳新文，蘇彬.有機玻璃在鹽水條件下老化性能的研究[J].塑料工業(yè)，2007，35(7)：58-60