用于民機透明件的定向有機玻璃材料性能研究

楊雪梅，朱子旻

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

有機玻璃，即聚甲基丙烯酸酯（PMMA），是一種非晶態的高分子聚合物。它具有較高的力學強度及較好的光學性能，常用于飛機風擋、觀察窗等透明件。然而非定向的澆鑄有機玻璃存在抗沖擊強度低、抗銀紋能力差的問題。為改進澆鑄有機玻璃的性能，提高有機玻璃在航空工業上的應用，將有機玻璃在玻璃化轉變溫度以上進行雙軸定向拉伸，使分子鏈段沿拉伸方向取向后得到定向拉伸有機玻璃[1-2]。

定向拉伸有機玻璃在取向方位的力學性能顯著提高，它具有良好的光學性能、較好的抗裂紋擴展性和抗銀紋性、重量輕以及較高的靜強度等優點，自上世紀五十年代首次用于F-104座艙透明件以來，一直是飛機透明件的主要材料。

然而用于飛機透明件的定向拉伸有機玻璃由于技術含量高、難度大，在全球范圍內只有極少數廠家具備生產能力，主要分布在美國和歐洲。在國內，錦西化工研究院經過數十年的研制，終于開發出與行業成熟材料性能水平相當的定向有機玻璃[3]。這是我國迄今為止所有牌號的有機玻璃中綜合性能最好的一種。該有機玻璃已于2013年在CAAC適航審查代表的全程監控下，嚴格按照民機材料標準完成了3批次材料的符合性驗證試驗，試驗結果合格[4]。這表明該定向有機玻璃的基本性能已滿足民用航空要求。

某單位使用該定向有機玻璃制造了某型號商用飛機旅客觀察窗透明件，該透明件已于2021年按照CCAR-25-R4中25.775d）條款[5]要求，完成了適航驗證試驗，試驗項目包括考慮環境條件的極限壓力、破損安全、負壓和疲勞試驗，試驗結果合格。這標志著國內研制出的定向有機玻璃制造的旅客觀察窗透明件從材料到結構設計、制造工藝均滿足民用飛機裝機要求。

但是，行業成熟定向拉伸有機玻璃自問世后廣泛應用于各種飛機型號，其耐久性經過大量民機型號的驗證。國內研制的定向有機玻璃性能穩定性是否滿足民用飛機的耐久性要求仍需要通過一系列試驗進行深入驗證。

本文按照民用飛機旅客觀察窗透明件的設計和驗證需求，綜合對比國內外定向拉伸有機玻璃材料的物理性能，并提出一種民機適航認可的材料性能穩定性評價方法，對國產定向拉伸有機玻璃進行穩定性評價。

1 實驗部分

1.1 原材料

國產定向拉伸有機玻璃，牌號YB-DM-10，生產廠家為錦西化工研究院。

1.2 設備及儀器

試驗使用的設備及儀器型號見表1。

表1 定向有機玻璃材料的物理性能測試項目及測試方法Table 1 Test requirements and test methods for physical properties of stretched acrylic

1.3 試樣的制備/實驗過程

對國產與行業成熟定向拉伸有機玻璃采用數控機床進行切割，制備成表1尺寸的試樣。

1.4 測試與表征

按照民機材料標準CMS-PL-101《單層抗裂紋擴展的改性丙烯酸酯塑料和零件》對國產與行業成熟定向拉伸有機玻璃材料的物理性能進行全面測試，具體測試項目及測試方法詳見表1。

1.5 定向拉伸有機玻璃性能穩定性分析計算方法

對于制造民用飛機透明件的定向拉伸有機玻璃，目前尚未有成熟的分析計算方法表征其材料穩定性。與金屬材料相比，考慮到有機玻璃的分子結構更接近聚合物基復合材料，參考CMH-17 Vol-3《復合材料手冊卷三》[6]，復合材料結構的疲勞驗證通常采用載荷放大系數法，載荷放大系數法結合了壽命系數法和載荷系數法，可同時實現合理的試驗載荷及試驗持續時間，故利用載荷放大系數LEF（Loading Enhancement factor）來表征定向拉伸有機玻璃的穩定性[7]。

剩余強度的形狀參數bR和疲勞壽命的形狀參數bL是確定載荷放大系數的關鍵參數。在小樣本情況下，旅客觀察窗有機玻璃材料的疲勞分散性包括疲勞剩余強度和疲勞壽命，兩者均服從雙參數WEIBULL分布，通過公式（1）及公式（2）可以計算出bR和bL[8-9]。

式（1）中：bR為剩余強度形狀參數；Sa為特征強度參數；bR為不同設計細節計算得到的形狀參數。

式（2）中：bL為疲勞壽命形狀參數；Na為特征壽命參數；bL為不同設計細節計算得到的形狀參數。

通過有機玻璃光滑靜強度拉伸和光滑靜強度壓縮試驗項目，確定bR值。通過光滑疲勞壽命試驗項目，確定bL值。最后根據公式（3）計算求得旅客觀察窗有機玻璃LEF參數。

LEF是試驗周期（N）的函數，它的表達式為：

式（3）中：bL為疲勞壽命形狀參數；bR為強度形狀參數；n為疲勞試驗件數量；γ為置信度（B基準置信度為0.95）；p為可靠度（B基準可靠度為0.90）；Γ(x)為伽馬函數，為γ置信度2n自由度的卡方分布；N為試驗周期。

2 結果與討論

2.1 物理性能

有機玻璃是一種長鏈的高分子聚合物，因其形成的分子鏈較柔軟，有機玻璃的抗拉伸和抗沖擊性能比普通的玻璃高約10倍。經過高溫定向拉伸后的有機玻璃，分子鏈段沿拉伸方向取向，提高了材料的韌性。

定向拉伸有機玻璃是目前最優良的高分子透明材料，透光率可達90%，較普通玻璃的透光率高。國內外定向拉伸有機玻璃材料的透光率及霧度試驗結果見表2。透光率反映了有機玻璃透明件的透光效率，國產有機玻璃與行業成熟有機玻璃均能滿足性能指標要求，且透光率相當。霧度則反應了材料內部結構的均一性[10]，國產有機玻璃與行業成熟有機玻璃均能滿足性能指標要求，其中國產有機玻璃的霧度為0.37%，較行業成熟材料小0.75%，說明國產拉伸有機玻璃材料內部結構的均一性更優。

表2 國內外定向拉伸有機玻璃材料物理性能數據Table 2 Physical properties data for domestic and imported stretched acrylic

定向拉伸有機玻璃具有優良的抗銀紋性，用作舷窗、風擋結構層時，可以延長使用壽命，提高飛行安全性。國內外定向拉伸有機玻璃的物理性能試驗結果見表2。試驗結果表明異丙醇、甲苯/乙酸異丁酯溶液作為溶劑的抗銀紋性均能滿足性能指標要求，且國內外材料的抗銀紋性相當。

熱松弛是指定向拉伸有機玻璃升溫到高于玻璃化轉變溫度時，分子鏈發生解取向，使定向有機玻璃產生收縮，甚至會恢復至拉伸前的狀態。有機玻璃板材定向度降低會導致材料拉伸強度降低，抗沖擊性、韌性和抗銀紋性均下降[11]。通過公式（4）計算熱松弛。國內外定向拉伸有機玻璃的兩級熱松弛試驗結果見表2。第一級溫度的熱松弛用來表示定向拉伸有機玻璃的耐溫性能[12]。試驗結果表明，國產有機玻璃的第一級熱松弛為3.32%，國外材料則為5.04%，均滿足性能指標，且國產有機玻璃的耐溫性較優于國外材料。第二級溫度的熱松弛則用來表示定向拉伸有機玻璃的分子鏈取向程度。試驗結果得出國產有機玻璃的第二級熱松弛為40.72%，國外材料則為44.84%。有文獻表示可通過第二級恒溫熱松弛計算出該有機玻璃板材的定向度[12]，公式（5）為熱松弛與定向度的計算關系。拉伸有機玻璃定向度反應了經過雙向拉伸后的定向有機玻璃在整張板面上定向度均勻區域的定向程度。通過計算得出，國產有機玻璃的定向度為68.7%，國外成熟材料的定向度則為81.3%。計算結果表明國外成熟材料的定向度相對較高。

式（4）中，S為熱松弛；l1為加熱后長度；l0為最初長度。

式（5）中，D為定向度；S為熱松弛。

定向有機玻璃的性能主要取決于分子鏈平面取向的程度，定向度過小時，其性能將無法滿足要求；定向度過大時，雖其力學性能得以提升，但會出現玻璃板材層間破壞，使抗剪切強度大幅度下降[13]，故對國內外定向拉伸有機玻璃的剪切強度進行對比。

有機玻璃經過雙軸拉伸后，平行于拉伸平面的力學強度均得到較大幅度提升，而垂直于拉伸平面的層間結合強度會降低。通常用剪切強度來表征定向玻璃的層間破壞程度[14]。分析國內外定向拉伸有機玻璃的剪切強度，試驗結果如表2所示，國產有機玻璃的剪切強度為58.7MPa，國外材料則僅有21.4MPa，略大于性能指標要求。試驗結果證明，定向度過高會產生層間分層，因而國外材料的剪切強度小于國產定向拉伸有機玻璃材料。

定向拉伸有機玻璃的拉伸強度及壓縮強度是重要的力學性能指標，相比于剪切強度，拉伸強度及壓縮強度展現了玻璃整體強度的優劣。表3和表4分別為國產定向拉伸有機玻璃的拉伸強度和壓縮強度試驗結果。可以看出，該材料拉伸強度和壓縮強度的破壞模式均為屈服，其拉伸屈服強度和壓縮屈服強度的均值分別為76.88MPa和120.75MPa。行業成熟材料的均值為75.59MPa和116.34MPa。可見該材料的靜力性能數據略高于行業成熟材料。上述試驗結果說明，國產材料已達到了國外成熟材料的水平，且物理性能較優。

表3 定向有機玻璃拉伸強度試驗結果Table 3 Stretched acrylic tensile strength test results

表4 定向有機玻璃壓縮強度試驗結果Table 4 Stretched acrylic compression strength test results

2.2 性能穩定性

不同于金屬及聚合物基復合材料，有機玻璃的分散性較大。民機結構件的試驗驗證成本非常高，決定了試驗樣本量往往很小。尤其是疲勞試驗，需要加載的疲勞循環數往往很高，可達數十萬次，完成整個試驗需要的周期很長，成本也非常高。工程上為了確保驗證試驗的充分性，通常將透明件驗證試驗載荷放大一定倍數來研究性能穩定性。

2.2.1 剩余強度形狀參數bR

通過有機玻璃光滑靜強度拉伸和光滑靜強度壓縮試驗結果，確定bR值。表3和表4分別為該定向有機玻璃的拉伸強度和壓縮強度試驗結果。通過試驗數據計算得到離散系數小于1%，說明該材料的穩定性較好。對表3和表4試驗結果分別計算形狀參數，結果見表5。

表5 定向有機玻璃的靜強度形狀參數計算結果Table 5 Calculation of static strength shape parameters of stretched acrylic

表5中的2項靜強度形狀參數滿足WEIBULL分布，使用最大似然法對其進行求解，得到形狀參數bR=9.04，特征強度參數Sa=221，代入公式（1）得到眾位數，即強度形狀參數bR=218。

2.2.2 疲勞壽命形狀參數bL

通過光滑疲勞壽命試驗項目，確定bL值。表6為該定向有機玻璃的疲勞性能數據。可以看出，該定向有機玻璃在88%和90%應力水平下的疲勞壽命均值分別為217208次和108158次，疲勞性能優異。然而與2.2.1節所述拉伸強度和壓縮強度相比，其疲勞性能離散系數較大，材料疲勞壽命穩定性有待進一步提高。

表6 定向有機玻璃的疲勞性能試驗結果Table 6 Stretched acrylic fatigue proprieties test results

根據1.5節，每級應力水平下疲勞壽命數據均滿足WEIBULL分布，使用最大似然法對試驗數據進行求解，得到各級應力水平的形狀參數b?iL及不同應力水平下的特征壽命參數N?a,i，計算結果見表7。

表7 不同應力水平條件下的疲勞壽命形狀參數和特征壽命參數Table 7 Fatigue life shape parameters and characteristic life parameters under different stress levels

表7中形狀參數滿足WEIBULL分布，使用最大似然法對其進行求解，得到形狀參數bL=62.4，特征強度參數Na=1.05，代入公式（2）得到眾位數，即疲勞壽命形狀參數bL=1.05。

2.2.3 載荷放大系數計算

根據B基準上定義90%的可靠性與95%的置信度，將上述強度形狀參數和疲勞壽命形狀參數代入公式（3），即得載荷放大系數（LEF）。根據AC 25.775-1[15]要求旅客觀察窗透明件用定向有機玻璃的載荷系數為1.15。對試驗的結果進行計算分析，假設只針對一個試驗件（n=1）試驗，且計算此試驗件的一倍壽命。其載荷放大系數為1.015，小于理論載荷系數1.15，說明國產定向有機玻璃滿足民用飛機旅客觀察窗透明件關于材料穩定性的要求。

上述僅針對試驗件（n=1）及一倍壽命進行載荷放大系數的計算，分析試驗周期及試驗件數量對載荷放大系數的影響。增加試驗周期，表8為試驗周期與載荷放大系數的關系。數據結果表明，隨著試驗周期不斷增加，其載荷放大系數將會有微弱的下降。當增加試驗件數量時，分析其載荷放大系數，兩者的關系如圖2所示，隨著試驗件數量的增加，載荷放大系數逐漸下降。說明試驗周期越大，試驗件數量越多，其載荷放大系數LEF的值則越趨近于1，說明該材料的分散性小，性能穩定性好。但為確保試驗件能滿足穩定性的要求，通常都是選擇最大的LEF進行疲勞試驗。

圖2 LEF與N關系圖Fig.2 The relationship between LEF and N

表8 具有B基準可靠性的試驗周期與載荷放大系數的關系Table 8 Relationship between test period and loading enhancement factor

3 結論

本文按照民用飛機旅客觀察窗透明件的設計和驗證要求，對國產定向有機玻璃的物理性能和性能穩定性進行了測試表征，并與行業成熟產品進行對標。

（1）國內外定向拉伸有機玻璃的透光率均達到90%以上，國產拉伸有機玻璃的霧度為0.37%，較國外的玻璃性能更優，且國內外定向有機玻璃抗銀紋能力相當。

（2）國產有機玻璃的定向度為68.7%，國外材料為81.3%，國外材料剪切強度僅有21.4MPa，國外拉伸有機玻璃定向度過高，使材料易產生層間分層，致使剪切強度較低，國產有機玻璃具有合適的定向度及較優的力學性能。

（3）采用載荷放大系數法對該材料性能穩定性進行分析計算，得國產定向有機玻璃的載荷放大系數LEF為1.015，滿足民用飛機旅客觀察窗透明件關于材料變異的要求。

（4）國產定向拉伸有機玻璃的物理性能及性能穩定性均滿足民用飛機旅客觀察窗透明件的需求，故采用國產有機玻璃制造的民用飛機旅客觀察窗透明件有望打破國外成熟材料壟斷，實現裝機應用。