飞机座舱玻璃爆裂原因分析

孙 炜 ， 范金娟 ,*， 刘槟滔

（1.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工业失效分析中心，北京 100095；3.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；4.中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室，北京 100095；5.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095）

0 引言

有机玻璃材质为聚甲基丙烯酸甲酯，具有质量轻、透光性好、优良的耐候性及力学性能、易于加工等优点，被广泛应用于飞机风挡、座舱盖、舷窗等航空透明件中[1-2]。其中，座舱玻璃是飞机上相对薄弱的结构，容易发生溶剂腐蚀出现银纹和裂纹[3-4]。由于有机玻璃具有缺口敏感性，银纹及裂纹的存在会降低有机玻璃的强度，并产生局部应力集中，产生安全隐患[5-6]。且飞机在飞行过程中会承受不同的载荷，如舱内压力、循环气动载荷、温度载荷及安装应力等作用，在多种因素的影响下可能会导致透明件在空中爆破，对生命和财产造成重大损失[7]。目前，由于溶剂腐蚀造成有机玻璃失效的报道较多，但是腐蚀性溶剂来源并不确定[8-11]。因此，只有对航空有机玻璃事故的发生引起重视，找到腐蚀性溶剂来源，才能有针对性的采取预防措施，避免事故再次发生。

飞机在起飞爬升过程中座舱玻璃发生爆裂，外界温度为-35 ℃，座舱压力正常。玻璃材料为MYB-3，厚度为8 mm，安装方式为软式连接，玻璃边缘与涤纶条粘接，并由密封剂密封。该飞机服役环境比较干燥，早晚温差不大。本研究对失效座舱玻璃进行外观检查、宏微观观察、能谱测试和红外光谱测试，并与其他架次飞机座舱玻璃进行对比，分析其失效的原因。

1 试验方法

采用目视检查的方法观察失效座舱玻璃整体外观，判断其源区位置及裂纹走向。采用LEICA DMS 1000 体视显微镜对失效玻璃断口进行宏观观察。采用FEI NOVANANO 450 型场发射扫描电镜对失效玻璃和不同架次飞机未失效玻璃的断口进行微观观察，并采用能谱测试分析不同区域的元素成分差异。采用Nioclet Magna-IR750 红外光谱仪对失效玻璃不同位置进行红外光谱测试，对其腐蚀成分进行分析。

2 结果与讨论

2.1 外观检查

对失效座舱玻璃进行外观检查，可见失效座舱玻璃从位置1～3 处起源向两侧扩展，并在扩展过程中交汇形成台阶（图1a）。位置1～3 局部放大后，可见开裂源区均位于涤纶条粘接部位和未粘接部位的交界处（图1b～图1d）。

图1 失效座舱玻璃外观Fig.1 Appearance of failure cockpit glass

2.2 断口宏微观观察

将3 处开裂源区位置切割下来进行宏观观察，可见开裂源区为线源，均从座舱内侧向外侧方向扩展；在扩展区可见疲劳弧线特征，断裂性质为疲劳断裂；扩展后期断口表面粗糙，呈放射状扩展棱线（图2）。

3 处源区微观形貌相似，在此仅对位置1 源区进行描述。位置1 源区表面可见大量直径约为1 μm的圆形腐蚀坑，为典型的溶剂腐蚀特征（图3a）。由于腐蚀坑只出现在开裂断口边缘，断口内部疲劳弧线附近未见腐蚀痕迹，表明有机玻璃先发生溶剂腐蚀产生腐蚀坑，腐蚀坑处会导致局部应力集中，在长期交变气动载荷的作用下，座舱玻璃从腐蚀坑处起源发生疲劳断裂。对源区侧表面进行微观观察，可见侧表面靠近源区的位置也存在腐蚀微裂纹，进一步表明座舱玻璃开裂与溶剂腐蚀有关（图3b）。

2.3 腐蚀成分分析

图2 失效玻璃开裂源区宏观形貌Fig.2 Macro morphology of cracking source region of failure glass

图3 失效玻璃位置1 断口微观形貌Fig.3 Fracture morphology of position 1 of failure glass

座舱玻璃与涤纶条之间是采用丙烯酸酯胶黏剂粘接的软连接方式，并且用聚硫密封剂密封，开裂源区均位于涤纶条粘接部位和未粘接部位的交界处，对有机玻璃造成溶剂腐蚀的腐蚀介质可能来源于胶粘剂、密封剂及外界环境。

对失效玻璃内部、源区腐蚀坑、源区侧表面、侧表面胶粘剂以及密封剂分别进行能谱测试，通过对比不同部位的元素差异，寻找腐蚀介质来源。能谱测试结果见表1。可知，失效座舱玻璃源区的腐蚀坑部位及源区侧表面均含有较多Cl 元素，而玻璃内部未腐蚀部位不含有Cl 元素，表明有机玻璃的溶剂腐蚀与含Cl 物质有关。密封剂与腐蚀坑部位的元素差异较大，且不含有Cl 元素；而胶粘剂中含有较多Cl 元素，由此表明，密封剂与有机玻璃的腐蚀无关，对玻璃造成溶剂腐蚀的含Cl 物质可能来源于胶粘剂。

表1 失效座舱玻璃能谱测试结果（质量分数 /%）Table 1 Energy spectrum test results of failure cockpit glass (mass fraction /%)

对失效玻璃内部、源区腐蚀坑以及胶粘剂分别进行红外光谱测试，结果如图4 所示，可见1728 cm-1处 为C=O 的 伸 缩 振 动 峰，1385 cm-1处 是—CH3的变角振动峰，1245 cm-1处是酯基中—C—O—C 的反对称伸缩振动峰；1148 cm-1处是酯基中—C—O—C 的对称伸缩振动峰，为甲基丙烯酸甲酯的特征吸收峰，甲基丙烯酸甲酯是有机玻璃MYB-3 和丙烯酸酯胶粘剂的基本组成[12-13]。其中，源区腐蚀坑和胶粘剂的红外光谱图在756 cm-1处出现C—Cl 的特征吸收峰，而玻璃内部没有该特征峰[14]；因此，腐蚀坑部位的Cl 元素并非来源于外界环境中的Cl-，而是来源于胶粘剂中的含Cl有机物。源区腐蚀坑与胶粘剂的红外光谱图相近，但腐蚀坑部位在1000～1300 cm-1的特征吸收峰基本消失，进一步表明该处发生腐蚀反应，且导致有机玻璃发生腐蚀的含Cl 有机物来源于胶粘剂。

图4 失效玻璃红外光谱图Fig.4 Infrared spectrum of failure glass

2.4 其他架次飞机座舱玻璃腐蚀检测

将其他架次飞机座舱玻璃从涤纶条粘接部位和未粘接部位的交界处人为打开断口进行对比观察，可知，玻璃内侧人为打开断口边缘未见腐蚀坑等腐蚀痕迹，微观形貌见图5。

图5 人为打开断口边缘Fig.5 Artificial fracture edge

对玻璃内部、人为打开断口边缘及侧表面胶粘剂分别进行能谱分析，测试结果见表2，可知人为打开断口边缘及侧表面胶粘剂中均不含有Cl 元素，表明座舱玻璃所使用的胶粘剂中不应该含有含Cl 有机物。

2.5 工序排查

对失效座舱玻璃所使用的丙烯酸酯胶粘剂中含Cl 有机物来源进行排查。通过查看胶液成分，发现配制胶液原材料中的过氧化苯甲酰可能使用过氯仿作为溶剂。过氧化苯甲酰在使用前的处理方法有2 种，分别为干燥处理和精制处理，且这2 种方法选用1 种即可。其中，干燥处理过程中不涉及含Cl 有机物；精制过程需要将过氧化苯甲酰溶解在氯仿中，氯仿对有机玻璃有较强的腐蚀作用，推断胶粘剂中的含Cl 有机物可能为溶剂氯仿[15]。过氧化苯甲酰如果选择精制作为处理过程，将难以保证氯仿完全清除。因此，建议粘接有机玻璃时使用的丙烯酸酯胶粘剂中的原材料过氧化苯甲酰选用干燥处理，避免胶液中混入氯仿。

3 结论与建议

1）座舱玻璃断裂性质为疲劳断裂。

2）胶粘剂中的含Cl 有机物对有机玻璃产生溶剂腐蚀导致玻璃开裂。

3）建议丙烯酸酯胶粘剂中的原材料过氧化苯甲酰选用干燥处理，避免胶粘剂中混入氯仿。