YB-3 与DYB-3 航空有机玻璃综合性能对比

秦瑞祥 欧迎春 张保军 左 岩

（1 海装驻天津地区军事代表局，北京100073；2 中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

有机板以其质轻、高透光率、易复杂成形的特点成为重要的航空透明材料。锦西化工研究院研制的YB-3、DYB-3 是国内应用较广泛的两种航空有机玻璃牌号。YB-3 有机玻璃是浇注板，主要应用在不增压的航空透明件上，如直升机座舱。DYB-3 有机玻璃是由YB-3 板定向拉伸而成，并经双面抛光达到航空级光学要求。分子链经过拉伸取向后，使DYB-3 具备更好的抗银纹和抗裂纹扩展性、耐溶剂性等，广泛应用在增压的航空透明件上，如歼击机风挡、舱盖，客机、运输机的侧窗、舷窗等。

我国的浇注有机玻璃主要应用在直升机透明件上。随着直升机视野和流线外形要求的不断提高，直升机风挡的面积越来越大、外形也越来越复杂，风挡玻璃暴漏的问题也在增加。某型号直升机每年有20 多架份的风挡玻璃出现裂纹，影响了正常的飞行任务。

本文系统对比了YB-3 和DYB-3 有机玻璃的各项性能，为非增压飞机透明件的选材作参考。

1 YB-3 和DYB-3 有机玻璃的对比项目

1.1 基本性能

YB-3 和DYB-3 有机玻璃典型性能数据见表1[1]。从表1 可知，YB-3 经过定向拉伸后，拉伸强度虽提高4%，对应的冲击韧性提高1 倍，断裂韧度提高1.83 倍，抗银纹性提高1 倍。

表1 国产有机玻璃的典型性能数据*

1.2 缺口敏感性

有机透明件常采用孔的形式与机身骨架连接，舱盖上的螺栓孔、梅花槽及加工和使用中造成的划痕等都是广义的切口。航空有机玻璃对缺口和应力集中相当敏感，零件中的内应力或装配应力稍大，就会诱发银纹，甚至裂纹[2]。

有机玻璃作为塑性材料， 郑修麟[3]发现其遵循正应变断裂准则，当切口根部局部应变达到材料的断裂延性εf时，切口根部材料发生断裂形成裂纹，并推导出了塑性材料平面应变状态下的切口强度估算式：

式中σN为试件所受净断面名义应力；Kt为应力集中系数；E 为弹性模量；σf为材料的断裂强度，且有εf=ln (1 - ψ)，σf=σb(1 +ψ) ，ψ 为断面收缩率，σb为材料抗拉强度。根据切口强度估算式(1)，σN应随着Kt增大反比下降。郑修麟等[2-4]研究发现：Kt刚开始增大时，σN并不下降，此时的切口强度不低于光滑试件强度σb；当Kt大于某一临界值后，σN才成反比下降，这一临界值称为切口敏感度因子KN；当切口深度及试件尺寸为定值时，Kt随切口根部半径ρ 的减小继续增大到另一临界值Kρ时，切口强度保持在一定的水平上，此时的切口强度由材料的断裂韧度KIC控制，Kρ称为尖切口不敏感因子。

σN与Kt的关系见式（2）。式(2)中Y 为断裂力学中计算应力强度因子KIC的形状函数， a 为Griffith 裂纹半长。

表示材料切口敏感性的传统方法是求切口强度对抗拉强度的比值NSR =σN/σb，式（1）变为：

令切口敏感度因子KN= NSR·Kt，则KN为材料常数，其物理意义是：当Kt≤KN时NSR ≥1. 0 ，材料对切口不敏感；当Kt> KN时NSR < 1. 0，材料对切口敏感。

王 泓 等[2]研 究 了10mmYB-3、DYB-3 有机玻璃光滑件的KN，见表2。DYB-3 的强度σb略高于YB-3 的强度，但其伸长率却大大高于YB-3，因而使定向PMMA 的切口敏感度因子有很大提高，表现在较大的范围内对切口不敏感( KN = 2. 5)；而非定向玻璃对切口敏感( KN = 1. 2) 。

表2 10mm 光滑件拉伸试验结果

1.3 耐应力-溶剂性

史建立等[5]系统地研究有机溶剂、水、紫外光等单个因素以及水-紫外光-应力-溶剂多因素循环作用对其失效的影响，并给出YB-3 的应力-溶剂银纹试验结果。应力-溶剂银纹临界应力σc按文献[6]进行。溶剂的影响见表2。有机玻璃应力-溶剂银纹临界应力σc是与其溶度参数δp 和溶剂的溶度参数δs 之差Δδ 有关。Δδ 越小， σc就越小。即溶剂对高聚物的溶解能力越强， 则溶剂就越容易渗入最薄弱区， 并引起局部高聚物的溶胀， 导致其屈服应力明显下降。在高聚物的应力-溶剂银纹试验中，σc反映的是试样中最薄弱区的屈服应力。

史建立等[7]采用悬臂梁法对比了YB-3 和DYB-3 航空有机玻璃在不同环境中的应力-溶剂银纹临界应力——σc，并就取向对航空有机玻璃抗环境-应力开裂能力的影响及机理进行了分析。新鲜DYB-3 的σc值为18.03MPa，而YB-3 的只有8.98Mpa，即取向可将σc提高1 倍；吸水12 天后，YB-3 的吸水率为0.42%，σc值为5.66MPa，下降37%，而对应的DYB-3 吸水率为0.37%，σc为14.07MPa， 只 降 低22%； 紫外 辐60min 后，YB-3 的 值 下 降 到6MPa 左 右，而DYB-3 的σc值下降到10MPa，继续延长照射时间，σc基本稳定。双轴拉伸取向提高了有机玻璃在潮湿及紫外条件下的抗环境-应力开裂的能力。

表2 YB-3 有机玻璃应力-溶剂银纹应力σc 与溶剂类型的关系

1.4 人工加速老化、自然老化

以C-C、C-H、C-O 结合的有机玻璃抗紫外老化性能低，也是用户使用有机玻璃最为关心的问题之一。黄宝臣[8]阐述了紫外线加速老化方法，并介绍了美国空军高性能透明件系统的耐久性评定内容和试验方法。

史建立等[5]研究发现随着紫外光辐照时间的增加，DYB-3 和YB-3 的σc值都下降；当辐照时间20min 内，σc下降得比较快，继续延长照射时间，σc趋于稳定。DYB-3 随辐照时间的下降率高于YB-3，原因是DYB-3 的表面缺陷少于YB-3， 辐照后缺陷浓度的增加会使其σc值明显下降。尽管如此， 照射60min 后，YB-3 的σc值为6MPa 左右，而DYB-3 为10MPa 左右。

史伟琪[9]系统地研究了YB-3、DYB-3 及其它有机玻璃的大气自然老化寿命，YB-3 板材在广州暴晒4 年开始发雾，10 年呈雾状乳白色，集中在朝阳面深度约0.15mm 以内；老化6 年板材朝阳表面出现细小的银纹，老化10 年银纹发展成短小的裂纹，稀疏地分布在朝阳表面，其中有的相交。DYB-3 老化4 年亦呈现雾状乳白色．程度比YB-3 轻；老化10 年板材仍旧没有出现银纹。YB-3 有机玻璃的大气老化寿命被确定为5.5 年，DYB-3 有机玻璃的大气老化寿命被确定为l0 年以上。

在有机板材疲劳方面的研究也很多，如肖健[10]研究了DYB-3 有机玻璃疲劳裂纹扩展机理和扩展模型，贾敬华[11]试验测定和分析了YBMD-3 有机玻璃的等幅疲劳裂纹扩展规律和疲劳裂纹扩展门槛值，马丽婷[12]提出三种描述有机玻璃拉伸疲劳S-N 曲线的模型等。

1.5 其它

沈莉莉等[13]研究了DYB-3 有机玻璃的热老化性能，指出DYB-3 有机玻璃在50℃的热空气老化条件下，材料主要发生了物理变化，可能是内部水分、低分子物质逸出，以及空穴里气体的挥发，降低了有机玻璃的的自由体积、增大了分子间作用力，使得有机玻璃试样随着热老化时间的延长，抗拉强度升高。

马丽婷等[14]对有机玻璃在盐水条件下的人工加速老化试验进行了研究， 得到了有机玻璃在盐水条件下的老化规律和老化机理。将弯曲试样和拉伸试样均放入盛有浓度为3 %盐水的玻璃器皿中， 然后再把此玻璃器皿放入温度为50 ℃的人工气候箱中进行人工加速老化试验。实验发现：力学性能会发生变化， 即拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量都呈现下降趋势；机理为：老化前后的Tg 分别为121.8℃和121.4℃，GPC 测试最大摩尔质量Mp 和重均摩尔质量Mw 都下降， 说明在有机玻璃内部有小分子物质产生， 但是小分子物质产生很少并没有影响有机玻璃玻璃化转变温度的变化， 有机玻璃的容易水解的基团位于高分子链的侧链中，主链完好。

2 结 语

分析上述具体指标，与YB-3 有机玻璃相比，DYB-3 航空有机玻璃具有更好的可靠性和耐久性，国外的透明件主要采用定向板来加工。但DYB-3 有机玻璃的价格昂贵，热成形存在玻璃收缩、反弹等问题，有一定成形难度，这些使得定向板有机制品的成本较高。

综合考虑性能和成本，建议非增压飞机透明件，在承受气动载荷较大的部位采用定向板加工，如风挡，提高飞机整体的耐久性。

[1]航空制造工程手册·非金属结构件工艺[M].航空工业出版社，1996：277～281

[2]王泓，鄢君辉，郑修麟.航空有机玻璃切口强度及切口敏感性估算[J].机械强度，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]郑修麟.材料的力学性能[M].西安，西北工业大学出版社，1991.57 ～61

[5]史建立，吴健，过梅丽.环境因素对三号航空有机玻璃应力-溶剂银纹的影响[J].航空学报，1996，17（3）：360-363

[6]过梅丽，刘贵春，张复盛，刘士昕.4 号航空有机玻璃在大气老化中表面开裂的原因分析[J].航空学报，1990，11(6)：B281-B289

[7]史建立，曹庆鹏，过梅丽.航空有机玻璃环境-应力开裂的研究2.取向的影响[J].材料科学与工程，1996，14(4)：43-46

[8]黄宝臣.航空有机玻璃全紫外线加速老化方法初探[J].飞机设计，1995，1：35-40

[9]史伟琪.航空有机玻璃板材的大气老化寿命[J].材料工程，1993：28-31

[10]肖健.MDYB-3 航空有机玻璃疲劳裂纹特性的试验研究[D].2004

[11]贾敬华，李亚智，肖健.YB-MD-3 有机玻璃的疲劳裂纹扩展特性研究[J].航空材料学报2006，26(5)：100-103

[12]马丽婷，陈新文，厉蕾.有机玻璃拉伸疲劳行为研究[J].失效分析与预防2010，5(2)：78-81

[13]沈莉莉等.YB-DM-3 航空有机玻璃的热老化性能[J].中国有色金属学报，2005，15：436-440

[14]马丽婷，陈新文，苏彬.有机玻璃在盐水条件下老化性能的研究[J].塑料工业，2007，35(7)：58-60