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

有機板以其質輕、高透光率、易復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 是國內應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，并經雙面拋光達到航空級光學要求。分子鏈經過拉伸取向后，使DYB-3 具備更好的抗銀紋和抗裂紋擴展性、耐溶劑性等，廣泛應用在增壓的航空透明件上，如殲擊機風擋、艙蓋，客機、運輸機的側窗、舷窗等。

我國的澆注有機玻璃主要應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，直升機風擋的面積越來越大、外形也越來越復雜，風擋玻璃暴漏的問題也在增加。某型號直升機每年有20 多架份的風擋玻璃出現裂紋，影響了正常的飛行任務。

本文系統對比了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據見表1[1]。從表1 可知，YB-3 經過定向拉伸后，拉伸強度雖提高4%，對應的沖擊韌性提高1 倍，斷裂韌度提高1.83 倍，抗銀紋性提高1 倍。

表1 國產有機玻璃的典型性能數據*

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力集中相當敏感，零件中的內應力或裝配應力稍大，就會誘發銀紋，甚至裂紋[2]。

有機玻璃作為塑性材料， 鄭修麟[3]發現其遵循正應變斷裂準則，當切口根部局部應變達到材料的斷裂延性εf時，切口根部材料發生斷裂形成裂紋，并推導出了塑性材料平面應變狀態下的切口強度估算式：

式中σN為試件所受凈斷面名義應力；Kt為應力集中系數；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。根據切口強度估算式(1)，σN應隨著Kt增大反比下降。鄭修麟等[2-4]研究發現：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的關系見式（2）。式(2)中Y 為斷裂力學中計算應力強度因子KIC的形狀函數， a 為Griffith 裂紋半長。

表示材料切口敏感性的傳統方法是求切口強度對抗拉強度的比值NSR =σN/σb，式（1）變為：

令切口敏感度因子KN= NSR·Kt，則KN為材料常數，其物理意義是：當Kt≤KN時NSR ≥1. 0 ，材料對切口不敏感；當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，表現在較大的范圍內對切口不敏感( KN = 2. 5)；而非定向玻璃對切口敏感( KN = 1. 2) 。

表2 10mm 光滑件拉伸試驗結果

1.3 耐應力-溶劑性

史建立等[5]系統地研究有機溶劑、水、紫外光等單個因素以及水-紫外光-應力-溶劑多因素循環作用對其失效的影響，并給出YB-3 的應力-溶劑銀紋試驗結果。應力-溶劑銀紋臨界應力σc按文獻[6]進行。溶劑的影響見表2。有機玻璃應力-溶劑銀紋臨界應力σc是與其溶度參數δp 和溶劑的溶度參數δs 之差Δδ 有關。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， 并引起局部高聚物的溶脹， 導致其屈服應力明顯下降。在高聚物的應力-溶劑銀紋試驗中，σc反映的是試樣中最薄弱區的屈服應力。

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境中的應力-溶劑銀紋臨界應力——σc，并就取向對航空有機玻璃抗環境-應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，繼續延長照射時間，σc基本穩定。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境-應力開裂的能力。

表2 YB-3 有機玻璃應力-溶劑銀紋應力σc 與溶劑類型的關系

1.4 人工加速老化、自然老化

以C-C、C-H、C-O 結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的耐久性評定內容和試驗方法。

史建立等[5]研究發現隨著紫外光輻照時間的增加，DYB-3 和YB-3 的σc值都下降；當輻照時間20min 內，σc下降得比較快，繼續延長照射時間，σc趨于穩定。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 年開始發霧，10 年呈霧狀乳白色，集中在朝陽面深度約0.15mm 以內；老化6 年板材朝陽表面出現細小的銀紋，老化10 年銀紋發展成短小的裂紋，稀疏地分布在朝陽表面，其中有的相交。DYB-3 老化4 年亦呈現霧狀乳白色．程度比YB-3 輕；老化10 年板材仍舊沒有出現銀紋。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，材料主要發生了物理變化，可能是內部水分、低分子物質逸出，以及空穴里氣體的揮發，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。實驗發現：力學性能會發生變化， 即拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量都呈現下降趨勢；機理為：老化前后的Tg 分別為121.8℃和121.4℃，GPC 測試最大摩爾質量Mp 和重均摩爾質量Mw 都下降， 說明在有機玻璃內部有小分子物質產生， 但是小分子物質產生很少并沒有影響有機玻璃玻璃化轉變溫度的變化， 有機玻璃的容易水解的基團位于高分子鏈的側鏈中，主鏈完好。

2 結 語

分析上述具體指標，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，如風擋，提高飛機整體的耐久性。

[1]航空制造工程手冊·非金屬結構件工藝[M].航空工業出版社，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.材料的力學性能[M].西安，西北工業大學出版社，1991.57 ～61

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

[6]過梅麗，劉貴春，張復盛，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].航空學報，1990，11(6)：B281-B289

[7]史建立，曹慶鵬，過梅麗.航空有機玻璃環境-應力開裂的研究2.取向的影響[J].材料科學與工程，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，2007，35(7)：58-60