用于民机透明件的定向有机玻璃材料性能研究

杨雪梅，朱子旻

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

有机玻璃，即聚甲基丙烯酸酯（PMMA），是一种非晶态的高分子聚合物。它具有较高的力学强度及较好的光学性能，常用于飞机风挡、观察窗等透明件。然而非定向的浇铸有机玻璃存在抗冲击强度低、抗银纹能力差的问题。为改进浇铸有机玻璃的性能，提高有机玻璃在航空工业上的应用，将有机玻璃在玻璃化转变温度以上进行双轴定向拉伸，使分子链段沿拉伸方向取向后得到定向拉伸有机玻璃[1-2]。

定向拉伸有机玻璃在取向方位的力学性能显著提高，它具有良好的光学性能、较好的抗裂纹扩展性和抗银纹性、重量轻以及较高的静强度等优点，自上世纪五十年代首次用于F-104座舱透明件以来，一直是飞机透明件的主要材料。

然而用于飞机透明件的定向拉伸有机玻璃由于技术含量高、难度大，在全球范围内只有极少数厂家具备生产能力，主要分布在美国和欧洲。在国内，锦西化工研究院经过数十年的研制，终于开发出与行业成熟材料性能水平相当的定向有机玻璃[3]。这是我国迄今为止所有牌号的有机玻璃中综合性能最好的一种。该有机玻璃已于2013年在CAAC适航审查代表的全程监控下，严格按照民机材料标准完成了3批次材料的符合性验证试验，试验结果合格[4]。这表明该定向有机玻璃的基本性能已满足民用航空要求。

某单位使用该定向有机玻璃制造了某型号商用飞机旅客观察窗透明件，该透明件已于2021年按照CCAR-25-R4中25.775d）条款[5]要求，完成了适航验证试验，试验项目包括考虑环境条件的极限压力、破损安全、负压和疲劳试验，试验结果合格。这标志着国内研制出的定向有机玻璃制造的旅客观察窗透明件从材料到结构设计、制造工艺均满足民用飞机装机要求。

但是，行业成熟定向拉伸有机玻璃自问世后广泛应用于各种飞机型号，其耐久性经过大量民机型号的验证。国内研制的定向有机玻璃性能稳定性是否满足民用飞机的耐久性要求仍需要通过一系列试验进行深入验证。

本文按照民用飞机旅客观察窗透明件的设计和验证需求，综合对比国内外定向拉伸有机玻璃材料的物理性能，并提出一种民机适航认可的材料性能稳定性评价方法，对国产定向拉伸有机玻璃进行稳定性评价。

1 实验部分

1.1 原材料

国产定向拉伸有机玻璃，牌号YB-DM-10，生产厂家为锦西化工研究院。

1.2 设备及仪器

试验使用的设备及仪器型号见表1。

表1 定向有机玻璃材料的物理性能测试项目及测试方法Table 1 Test requirements and test methods for physical properties of stretched acrylic

1.3 试样的制备/实验过程

对国产与行业成熟定向拉伸有机玻璃采用数控机床进行切割，制备成表1尺寸的试样。

1.4 测试与表征

按照民机材料标准CMS-PL-101《单层抗裂纹扩展的改性丙烯酸酯塑料和零件》对国产与行业成熟定向拉伸有机玻璃材料的物理性能进行全面测试，具体测试项目及测试方法详见表1。

1.5 定向拉伸有机玻璃性能稳定性分析计算方法

对于制造民用飞机透明件的定向拉伸有机玻璃，目前尚未有成熟的分析计算方法表征其材料稳定性。与金属材料相比，考虑到有机玻璃的分子结构更接近聚合物基复合材料，参考CMH-17 Vol-3《复合材料手册卷三》[6]，复合材料结构的疲劳验证通常采用载荷放大系数法，载荷放大系数法结合了寿命系数法和载荷系数法，可同时实现合理的试验载荷及试验持续时间，故利用载荷放大系数LEF（Loading Enhancement factor）来表征定向拉伸有机玻璃的稳定性[7]。

剩余强度的形状参数bR和疲劳寿命的形状参数bL是确定载荷放大系数的关键参数。在小样本情况下，旅客观察窗有机玻璃材料的疲劳分散性包括疲劳剩余强度和疲劳寿命，两者均服从双参数WEIBULL分布，通过公式（1）及公式（2）可以计算出bR和bL[8-9]。

式（1）中：bR为剩余强度形状参数；Sa为特征强度参数；bR为不同设计细节计算得到的形状参数。

式（2）中：bL为疲劳寿命形状参数；Na为特征寿命参数；bL为不同设计细节计算得到的形状参数。

通过有机玻璃光滑静强度拉伸和光滑静强度压缩试验项目，确定bR值。通过光滑疲劳寿命试验项目，确定bL值。最后根据公式（3）计算求得旅客观察窗有机玻璃LEF参数。

LEF是试验周期（N）的函数，它的表达式为：

式（3）中：bL为疲劳寿命形状参数；bR为强度形状参数；n为疲劳试验件数量；γ为置信度（B基准置信度为0.95）；p为可靠度（B基准可靠度为0.90）；Γ(x)为伽马函数，为γ置信度2n自由度的卡方分布；N为试验周期。

2 结果与讨论

2.1 物理性能

有机玻璃是一种长链的高分子聚合物，因其形成的分子链较柔软，有机玻璃的抗拉伸和抗冲击性能比普通的玻璃高约10倍。经过高温定向拉伸后的有机玻璃，分子链段沿拉伸方向取向，提高了材料的韧性。

定向拉伸有机玻璃是目前最优良的高分子透明材料，透光率可达90%，较普通玻璃的透光率高。国内外定向拉伸有机玻璃材料的透光率及雾度试验结果见表2。透光率反映了有机玻璃透明件的透光效率，国产有机玻璃与行业成熟有机玻璃均能满足性能指标要求，且透光率相当。雾度则反应了材料内部结构的均一性[10]，国产有机玻璃与行业成熟有机玻璃均能满足性能指标要求，其中国产有机玻璃的雾度为0.37%，较行业成熟材料小0.75%，说明国产拉伸有机玻璃材料内部结构的均一性更优。

表2 国内外定向拉伸有机玻璃材料物理性能数据Table 2 Physical properties data for domestic and imported stretched acrylic

定向拉伸有机玻璃具有优良的抗银纹性，用作舷窗、风挡结构层时，可以延长使用寿命，提高飞行安全性。国内外定向拉伸有机玻璃的物理性能试验结果见表2。试验结果表明异丙醇、甲苯/乙酸异丁酯溶液作为溶剂的抗银纹性均能满足性能指标要求，且国内外材料的抗银纹性相当。

热松弛是指定向拉伸有机玻璃升温到高于玻璃化转变温度时，分子链发生解取向，使定向有机玻璃产生收缩，甚至会恢复至拉伸前的状态。有机玻璃板材定向度降低会导致材料拉伸强度降低，抗冲击性、韧性和抗银纹性均下降[11]。通过公式（4）计算热松弛。国内外定向拉伸有机玻璃的两级热松弛试验结果见表2。第一级温度的热松弛用来表示定向拉伸有机玻璃的耐温性能[12]。试验结果表明，国产有机玻璃的第一级热松弛为3.32%，国外材料则为5.04%，均满足性能指标，且国产有机玻璃的耐温性较优于国外材料。第二级温度的热松弛则用来表示定向拉伸有机玻璃的分子链取向程度。试验结果得出国产有机玻璃的第二级热松弛为40.72%，国外材料则为44.84%。有文献表示可通过第二级恒温热松弛计算出该有机玻璃板材的定向度[12]，公式（5）为热松弛与定向度的计算关系。拉伸有机玻璃定向度反应了经过双向拉伸后的定向有机玻璃在整张板面上定向度均匀区域的定向程度。通过计算得出，国产有机玻璃的定向度为68.7%，国外成熟材料的定向度则为81.3%。计算结果表明国外成熟材料的定向度相对较高。

式（4）中，S为热松弛；l1为加热后长度；l0为最初长度。

式（5）中，D为定向度；S为热松弛。

定向有机玻璃的性能主要取决于分子链平面取向的程度，定向度过小时，其性能将无法满足要求；定向度过大时，虽其力学性能得以提升，但会出现玻璃板材层间破坏，使抗剪切强度大幅度下降[13]，故对国内外定向拉伸有机玻璃的剪切强度进行对比。

有机玻璃经过双轴拉伸后，平行于拉伸平面的力学强度均得到较大幅度提升，而垂直于拉伸平面的层间结合强度会降低。通常用剪切强度来表征定向玻璃的层间破坏程度[14]。分析国内外定向拉伸有机玻璃的剪切强度，试验结果如表2所示，国产有机玻璃的剪切强度为58.7MPa，国外材料则仅有21.4MPa，略大于性能指标要求。试验结果证明，定向度过高会产生层间分层，因而国外材料的剪切强度小于国产定向拉伸有机玻璃材料。

定向拉伸有机玻璃的拉伸强度及压缩强度是重要的力学性能指标，相比于剪切强度，拉伸强度及压缩强度展现了玻璃整体强度的优劣。表3和表4分别为国产定向拉伸有机玻璃的拉伸强度和压缩强度试验结果。可以看出，该材料拉伸强度和压缩强度的破坏模式均为屈服，其拉伸屈服强度和压缩屈服强度的均值分别为76.88MPa和120.75MPa。行业成熟材料的均值为75.59MPa和116.34MPa。可见该材料的静力性能数据略高于行业成熟材料。上述试验结果说明，国产材料已达到了国外成熟材料的水平，且物理性能较优。

表3 定向有机玻璃拉伸强度试验结果Table 3 Stretched acrylic tensile strength test results

表4 定向有机玻璃压缩强度试验结果Table 4 Stretched acrylic compression strength test results

2.2 性能稳定性

不同于金属及聚合物基复合材料，有机玻璃的分散性较大。民机结构件的试验验证成本非常高，决定了试验样本量往往很小。尤其是疲劳试验，需要加载的疲劳循环数往往很高，可达数十万次，完成整个试验需要的周期很长，成本也非常高。工程上为了确保验证试验的充分性，通常将透明件验证试验载荷放大一定倍数来研究性能稳定性。

2.2.1 剩余强度形状参数bR

通过有机玻璃光滑静强度拉伸和光滑静强度压缩试验结果，确定bR值。表3和表4分别为该定向有机玻璃的拉伸强度和压缩强度试验结果。通过试验数据计算得到离散系数小于1%，说明该材料的稳定性较好。对表3和表4试验结果分别计算形状参数，结果见表5。

表5 定向有机玻璃的静强度形状参数计算结果Table 5 Calculation of static strength shape parameters of stretched acrylic

表5中的2项静强度形状参数满足WEIBULL分布，使用最大似然法对其进行求解，得到形状参数bR=9.04，特征强度参数Sa=221，代入公式（1）得到众位数，即强度形状参数bR=218。

2.2.2 疲劳寿命形状参数bL

通过光滑疲劳寿命试验项目，确定bL值。表6为该定向有机玻璃的疲劳性能数据。可以看出，该定向有机玻璃在88%和90%应力水平下的疲劳寿命均值分别为217208次和108158次，疲劳性能优异。然而与2.2.1节所述拉伸强度和压缩强度相比，其疲劳性能离散系数较大，材料疲劳寿命稳定性有待进一步提高。

表6 定向有机玻璃的疲劳性能试验结果Table 6 Stretched acrylic fatigue proprieties test results

根据1.5节，每级应力水平下疲劳寿命数据均满足WEIBULL分布，使用最大似然法对试验数据进行求解，得到各级应力水平的形状参数bˆiL及不同应力水平下的特征寿命参数Nˆa,i，计算结果见表7。

表7 不同应力水平条件下的疲劳寿命形状参数和特征寿命参数Table 7 Fatigue life shape parameters and characteristic life parameters under different stress levels

表7中形状参数满足WEIBULL分布，使用最大似然法对其进行求解，得到形状参数bL=62.4，特征强度参数Na=1.05，代入公式（2）得到众位数，即疲劳寿命形状参数bL=1.05。

2.2.3 载荷放大系数计算

根据B基准上定义90%的可靠性与95%的置信度，将上述强度形状参数和疲劳寿命形状参数代入公式（3），即得载荷放大系数（LEF）。根据AC 25.775-1[15]要求旅客观察窗透明件用定向有机玻璃的载荷系数为1.15。对试验的结果进行计算分析，假设只针对一个试验件（n=1）试验，且计算此试验件的一倍寿命。其载荷放大系数为1.015，小于理论载荷系数1.15，说明国产定向有机玻璃满足民用飞机旅客观察窗透明件关于材料稳定性的要求。

上述仅针对试验件（n=1）及一倍寿命进行载荷放大系数的计算，分析试验周期及试验件数量对载荷放大系数的影响。增加试验周期，表8为试验周期与载荷放大系数的关系。数据结果表明，随着试验周期不断增加，其载荷放大系数将会有微弱的下降。当增加试验件数量时，分析其载荷放大系数，两者的关系如图2所示，随着试验件数量的增加，载荷放大系数逐渐下降。说明试验周期越大，试验件数量越多，其载荷放大系数LEF的值则越趋近于1，说明该材料的分散性小，性能稳定性好。但为确保试验件能满足稳定性的要求，通常都是选择最大的LEF进行疲劳试验。

图2 LEF与N关系图Fig.2 The relationship between LEF and N

表8 具有B基准可靠性的试验周期与载荷放大系数的关系Table 8 Relationship between test period and loading enhancement factor

3 结论

本文按照民用飞机旅客观察窗透明件的设计和验证要求，对国产定向有机玻璃的物理性能和性能稳定性进行了测试表征，并与行业成熟产品进行对标。

（1）国内外定向拉伸有机玻璃的透光率均达到90%以上，国产拉伸有机玻璃的雾度为0.37%，较国外的玻璃性能更优，且国内外定向有机玻璃抗银纹能力相当。

（2）国产有机玻璃的定向度为68.7%，国外材料为81.3%，国外材料剪切强度仅有21.4MPa，国外拉伸有机玻璃定向度过高，使材料易产生层间分层，致使剪切强度较低，国产有机玻璃具有合适的定向度及较优的力学性能。

（3）采用载荷放大系数法对该材料性能稳定性进行分析计算，得国产定向有机玻璃的载荷放大系数LEF为1.015，满足民用飞机旅客观察窗透明件关于材料变异的要求。

（4）国产定向拉伸有机玻璃的物理性能及性能稳定性均满足民用飞机旅客观察窗透明件的需求，故采用国产有机玻璃制造的民用飞机旅客观察窗透明件有望打破国外成熟材料垄断，实现装机应用。