飛機(jī)風(fēng)擋玻璃脫膠故障研究

摘要：為解決某型飛機(jī)風(fēng)擋玻璃脫膠故障，從生產(chǎn)過(guò)程控制、膠片原材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行故障原因排查，結(jié)合有限元分析數(shù)據(jù)確定了故障原因及其產(chǎn)生機(jī)理，制定了故障解決措施并進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明故障定位準(zhǔn)確，改進(jìn)方法可行。

關(guān)鍵詞：層合結(jié)構(gòu)；脫膠；應(yīng)力集中；玻璃化

Keywords：laminated glass；delamination；stress concentration；vitrification

1 故障情況

外場(chǎng)使用中，某型飛機(jī)風(fēng)擋玻璃出現(xiàn)了彩虹光斑現(xiàn)象，即脫膠故障。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員通過(guò)目視檢查發(fā)現(xiàn)，故障中出現(xiàn)的彩虹狀光斑主要分布在風(fēng)擋玻璃四周，左右兩邊光斑面積大于上下兩邊光斑面積，如圖1所示。用戶反映，該故障均發(fā)生在冬季，飛機(jī)停放一段時(shí)間后光斑面積會(huì)縮小。

2 故障確認(rèn)

2.1 風(fēng)擋玻璃結(jié)構(gòu)形式

某型飛機(jī)風(fēng)擋玻璃由4層無(wú)機(jī)玻璃、3層PVB膠片、包邊材料、密封材料以及上下框架組成，如圖2所示。

2.2 脫膠位置

對(duì)故障件進(jìn)行氣密性抗壓試驗(yàn)以確定脫膠位置。將玻璃內(nèi)表面壓力升至45kPa，可見(jiàn)脫膠區(qū)域明顯擴(kuò)散，向四周延展。拆解故障件發(fā)現(xiàn)，脫膠處位于第二層PVB膠片層（見(jiàn)圖2），其余位置無(wú)脫膠現(xiàn)象。

對(duì)其他類似故障件進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)脫膠故障均出現(xiàn)在相同位置，面積均大于30%，按GJB4186《飛機(jī)風(fēng)擋玻璃失效判定準(zhǔn)則》中關(guān)于玻璃脫膠要求的規(guī)定，屬于完全失效。

3 原因分析與驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)分析，決定從生產(chǎn)過(guò)程控制、膠片原材料控制及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)三個(gè)方面入手查找原因，故障樹(shù)如圖3所示。

3.1 玻璃基片彎曲度超標(biāo)

鋼化后的玻璃彎曲度或配片間隙過(guò)大會(huì)造成膠片無(wú)法有效填充玻璃層之間的間隙，合片后局部粘接強(qiáng)度較弱，可能引發(fā)脫膠故障。

產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)條件中與玻璃彎曲度相關(guān)的指標(biāo)要求有兩項(xiàng)：玻璃單片的彎曲度≤0.4mm；配片間隙≤0.5mm。復(fù)查脫膠層兩側(cè)玻璃的生產(chǎn)記錄可知，玻璃彎曲度均在0.2～0.4mm范圍內(nèi)，配片間隙均在0.15～0.4mm范圍內(nèi)，符合技術(shù)條件要求。

因此，排除玻璃彎曲度和配片間隙超標(biāo)引起脫膠故障的可能。

3.2 蒸壓溫度/壓力偏差

膠片層和玻璃層在高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行合片，即蒸壓。蒸壓過(guò)程中溫度或壓力出現(xiàn)偏差會(huì)造成粘接強(qiáng)度低，可能引發(fā)脫膠故障。

復(fù)查蒸壓生產(chǎn)過(guò)程記錄可知：1）合片室溫、濕度及環(huán)境控制符合工藝文件要求；2）蒸壓設(shè)備壓力、溫度等監(jiān)視測(cè)量設(shè)備完好，均在檢定有效期內(nèi)；3）蒸壓過(guò)程符合蒸壓制度，過(guò)程中溫度、壓力未出現(xiàn)偏差，符合工藝文件要求。

因此，排除蒸壓溫度/壓力偏差引起脫膠故障的可能。

3.3 揮發(fā)物質(zhì)量占比超標(biāo)

如果合片采用的膠片材料的揮發(fā)物質(zhì)量占比超標(biāo)，產(chǎn)品使用過(guò)程中揮發(fā)物質(zhì)（如氣體、水分子、有機(jī)揮發(fā)物等）將從膠層中分解或析出，影響膠片與玻璃的接觸界面，可能引發(fā)脫膠故障。

產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)條件中，對(duì)膠片揮發(fā)物的指標(biāo)要求為：揮發(fā)物質(zhì)量占比≤2%。對(duì)發(fā)生脫膠故障的產(chǎn)品所用的膠片原始檢驗(yàn)記錄、生產(chǎn)批號(hào)及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行復(fù)查，膠片的揮發(fā)物質(zhì)量占比均在0.2%～0.38%范圍內(nèi)，滿足技術(shù)條件要求。

因此，排除膠片揮發(fā)物質(zhì)量占比超標(biāo)引起脫膠故障的可能。

3.4 膠片粘接強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)

如果合片采用的膠片材料粘接強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，使用過(guò)程中無(wú)法有效地保持自身與相鄰玻璃層的連接，將引起脫膠故障。

對(duì)用于該風(fēng)擋玻璃的膠片批次進(jìn)行全面復(fù)查，共計(jì)98個(gè)批次，膠片粘接強(qiáng)度均大于8MPa，符合GJB1258A-2005《聚乙烯醇縮丁醛中間膜》對(duì)PVB膠片粘接強(qiáng)度的要求。

因此，排除膠片粘接強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)引起脫膠故障的可能。

3.5 結(jié)構(gòu)形式缺陷

玻璃結(jié)構(gòu)形式存在缺陷，如果在第二膠片層有截面突變，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，氣密載荷下局部應(yīng)力較大，就可能引發(fā)脫膠故障。

圖4為風(fēng)擋安裝圖。由圖4可知，為保證安裝后玻璃外表面與機(jī)身理論外緣齊平，玻璃設(shè)計(jì)呈臺(tái)階狀，并且玻璃臺(tái)階高度較高。因此，第二膠片層處于主承力層與非承力層結(jié)合面位置，確實(shí)有截面突變，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

因此，不能排除結(jié)構(gòu)形式缺陷引起脫膠故障的可能。

3.6 膠片材料選用不合理

如果PVB膠片性能無(wú)法滿足故障部位的使用要求，或者經(jīng)過(guò)一定的日歷年后其性能有所衰減，無(wú)法滿足故障部位的使用要求，可能引發(fā)脫膠故障。

外層膠片應(yīng)具有優(yōu)異的粘接性能和較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。PVB膠片的初始粘接強(qiáng)度較高，但隨著日歷年老化，其粘接強(qiáng)度下降明顯；同時(shí)，PVB的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于20℃，低溫環(huán)境下呈玻璃態(tài)，具有較大的剛性，無(wú)法跟隨玻璃變形，最終將造成局部分層。

因此，不能排除材料選用不合理引起脫膠故障的可能。

通過(guò)有限元分析得到，第二層PVB膠片（故障部位）應(yīng)力值明顯高于其他膠片層，最大拉應(yīng)力值為1.08MPa。結(jié)合日歷年查詢PVB性能數(shù)據(jù)，可知膠片的粘接強(qiáng)度下降到1～2MPa。在低溫環(huán)境下，PVB膠片轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，具有較大的剛性，跟隨玻璃變形所產(chǎn)生的拉應(yīng)力的急劇上升（>1.08MPa），大于其粘接強(qiáng)度，最終造成分層。

4 解決措施

4.1 玻璃結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)

為了降低故障部位膠片層的應(yīng)力集中水平，對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將“兩層小片玻璃+兩層大片玻璃”式結(jié)構(gòu)更改為“一層小片玻璃+三層大片玻璃”式結(jié)構(gòu)。同時(shí)，對(duì)各層厚度進(jìn)行調(diào)整，不改變玻璃的機(jī)械接口。改進(jìn)后的玻璃結(jié)構(gòu)剖面見(jiàn)圖5。

對(duì)改進(jìn)后的玻璃結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到：主承力層與非主承力層之間的膠合層最大拉應(yīng)力值只有0.18MPa。

4.2 膠片材料改進(jìn)

優(yōu)化材料選型，將外層膠片層PVB更改為PU。相對(duì)PVB材料，PU材料的玻璃化溫度低（接近-55℃），使用環(huán)境中能一直保持高彈態(tài)，不存在玻璃化轉(zhuǎn)變問(wèn)題；耐老化性能好，隨著日歷年增長(zhǎng)粘接強(qiáng)度的降低不明顯。此外，國(guó)內(nèi)暫時(shí)沒(méi)有PU膠片材料性能的相關(guān)規(guī)范，實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)PU材料的常溫粘接強(qiáng)度>11MPa，低溫下粘接強(qiáng)度有一定量的增大。

5 結(jié)論

通過(guò)分析得出導(dǎo)致風(fēng)擋玻璃脫膠故障的主要原因是：原玻璃結(jié)構(gòu)在故障部位存在明顯的應(yīng)力集中以及PVB膠片低溫下轉(zhuǎn)為玻璃態(tài)。改進(jìn)玻璃結(jié)構(gòu)形式和膠片材料后，新?tīng)顟B(tài)的風(fēng)擋玻璃飛行情況良好，故障徹底解決，表明故障定位準(zhǔn)確，改進(jìn)方法可行。

參考文獻(xiàn)

[1] 張永勝. 波音787風(fēng)擋駕駛艙風(fēng)擋外層破裂研究 [J]. 航空維修與工程，2018（11）：63-65.

[2] 王益鋒. 民用飛機(jī)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)符合性驗(yàn)證方法 [J]. 中國(guó)科技信息. 2016（21）：62-64.

[3] 冷國(guó)新. 飛機(jī)風(fēng)擋材料的選用[J]. 玻璃. 2001（4）：45-46.

作者簡(jiǎn)介

張?chǎng)?，工程師，主要從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、透明件設(shè)計(jì)工作。