[科普中国]-航空有机玻璃

发展历程

飞机风挡在20世纪20年代用平板退火玻璃，30年代用曲面复合玻璃，中间胶层为纤维素酯类，40年代用热淬火玻璃，中间胶层用聚乙烯醇缩丁醛，50年代以后采用有机玻璃或钢化玻璃-多层塑料复合结构风挡。

飞机座舱盖最早使用硝酸纤维素、醋酸纤维素一类塑料作透明材料，这类塑料容易发黄，而且不耐磨。浇注PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）板材由于密度小，具有优良的光学透明性、耐候性、较高的物理机械性能、易于加工成型等特点，1937年装在飞机风挡上。40年代初开始用于制造飞机座舱盖。最初使用增塑的PMMA，如美国Rohm&Haas公司生产的Plexiglas I，这类有机玻璃一般用于亚音速飞机。

由于作战的需要，军用战斗机逐渐向高空、高速、多用途、短距离垂直起降方向发展。作为飞机风挡、座舱盖的大面积透明结构材料的有机玻璃，裸露于大气中，且位于飞机飞行时产生气动热的前缘，其性能也要与之相适应。超音速飞机一般在15000～20000m的大气对流层飞行，座舱盖所用的透明材料，必须承受相应的温度。

随着超音速飞机的出现(例如F-102，MG-21)，研制出了未增塑的PMMA，如美国的PlexiglasⅡ，前苏联的CT-1。为了制造马赫数(M)超过2的高速飞机座舱盖，美国Rohm&Haas公司研制出了改性丙烯酸透明塑料Plexiglas-55，它属于MMA（甲基丙烯酸甲酯）和其他化合物共聚的微交联聚合物，可以应用在M=2．3以下的飞机上。这种材料含有亲水性共聚组分，吸水性较大。此后德国、美国等又研制了一种低吸湿性的交联有机玻璃，如Plexiglas GS 249、Poly84等。为适应高速飞机的需要，前苏联研制了MMA与其他化合物共聚的耐热有机玻璃2．55及含有热稳定剂的T2-55。随着飞机飞行速度的进一步提高(例如米格25、29等，M=2.8～3.0)，前苏联又研制了耐热性更高的CO-180、CO-200有机玻璃。而美国则研制了聚碳酸酯(PC)，这种材料具有较高的工作温度、较好的冲击韧性。

第二次世界大战后，为了解决飞机透明件的银纹问题，提高风挡的抗鸟撞能力及防止座舱盖的突然爆破，由美国国家航空咨询委员会(NACA)发起研制定向有机玻璃，苏联也于1951年起开展有机玻璃拉伸定向方面的研究工作。定向有机玻璃，即将有机玻璃加热到玻璃化温度以上，然后进行拉伸或压缩，使杂乱无章的大分子沿拉伸方向有序排列，从而提高了有机玻璃的韧性，在防止裂纹扩展和银纹的产生方面都有很大的改进，因而逐渐代替了非定向有机玻璃，并被世界各国普遍采用。1

分类按组成可以分为增塑、未增塑、共聚及交联等航空有机玻璃；按加工方式可分成浇注板、定向板及研磨抛光板；按性能可以分为丙烯酸酯塑料板、耐热丙烯酸酯塑料板、改性丙烯酸酯塑料板等。2

按有机玻璃的耐热级别分为通用、耐热和改性种。通用级是含增塑剂的聚甲基丙烯酸甲酯板。耐热级是加有紫外线吸收剂（耐光剂）的聚甲基丙烯酸甲酯板，热变形温度比通用级约高15℃。改性级是甲基丙烯酸甲酯与少量交联剂和其他组分进行交联，或甲基丙烯酸甲酯与极性单体共聚合制成的板材。

国产的通用级有机玻璃仍用于飞机透明件，美、欧各国只作一般用途，原有的军用规范（MIL-P-6886）也已作废。耐热级有机玻璃及其拉伸定向板材是国内广泛使用的透明塑料，美、欧各国不生产该级别的拉伸板材，浇注板只用作层合透明塑料板的面层，不用作结构材料。俄罗斯有相应级别的拉伸板材。轻度交联的有机玻璃耐热性和抗银纹性比耐热级好，其定向板材是美国和欧洲各国飞机透明件现用的主要结构材料。国产共聚改性的浇注和定向有机玻璃的耐热性较高，但抗老化性能较差，只作特定用途。国产轻度交联定向有机玻璃是近年新研制的品种，其耐热性和耐久性均优于国产其他牌号的有机玻璃，各项性能与国外同类产品水平相当。

按板材的表面质量把航空有机玻璃分为抛光级、专用级和通用级三种。抛光级板材的表面和光学质量好，厚度公差小，用于制造表面和光学质量要求高的风挡和大尺寸飞机座舱盖。专用级板材的表面和光学质量较高，用于制造一般飞机座舱盖和风挡。通用级的板材表面和光学质量稍低，用于一般航空透明件。3

特性具有优良的光学、强度、耐热、耐老化、耐紫外线性能，特别是光学畸变及角位移很小。其抗压、抗冲击及抗弯强度均高于普通有机玻璃。特别是定向板，其抗冲击强度是普通有机玻璃板的二倍以上，还具有很高的抗银纹性及抗裂纹扩展性。用作飞机坐舱盖、可防止空中突然爆破。用于制造飞机风挡玻璃，也可用作汽车、轮船、军舰的安全玻璃及实验室安全爆破玻璃。2

有机玻璃是透明聚丙烯酸酯塑料板的别称，由甲基丙烯酸甲酯( MMA)单体或甲基丙烯酸甲酯和其他改性剂经本体聚合成的板材。飞机用有机玻璃的质量要求比工业用有机玻璃高得多，在生产工艺和设备、技术要求、检验手段等方面与丁．业用有机玻璃有很大差别，主要表现如下。3

光学性能必须严格控制有机玻璃的光学畸变（如折光、波纹消失角及角偏差。这就要求严格的生产工艺质量控制。浇注有机玻璃模型用的硅酸盐玻璃表面不能有玻筋、气泡等缺陷，因此一般都用经抛光的硅酸盐玻璃或高质量的浮法玻璃。同时对灌浆、聚合工艺、烘房、聚合车结构，物料输送管路和聚合釜的清理等有严格要求。波纹消失角、角偏差等作为光学性能验收的重要技术指标有相应的检验方法。3

耐热性为满足飞机高速飞行的需要，研制不同耐热等级的航空有机玻璃，保证有机玻璃在高温下仍具有较高的力学性能，须制定高温拉伸强度、单面受热扣伸强度等指标。对定向有机玻璃还需制定热松弛指标进行控制。3

表面质量影响有机玻璃表面质量的主要因素是灰尘和单体中的低沸点物，须严格控制杂质和其他点状缺陷的数量。为避免浇注有机玻璃的模型中进入灰尘，保证模型的洁净度，航空有机玻璃模型要在具有除尘装置的净化间中制备，硅酸盐模板需用二次蒸馏水或无离子水进行洗涤，制模过程中用过滤干燥的压缩空气吹风。为减少单体中低沸点物的含量，避免机械杂质进入浆液，规定生产航空有机玻璃的单体纯度应大于99.9%，制浆灌浆过程中需加强过滤。检验过程除加强目视检查外，还须将浇注板材放人150℃的烘箱中检查加热后是否出现耐热点（旋光点）等缺陷。3

力学性能拉伸强度、冲击强度、弯曲强度、弹性模量等指标都高于工业有机玻璃。其中定向有机玻璃的冲击强度高于普通有机玻璃的2倍以上。断裂韧度是考核定向有机玻璃抗裂纹扩展能力的特有性能指标。3

耐老化性能有机玻璃和其他高分子材料一样，长期日光照射下容易发生老化，因此航空有机玻璃中一般都加入紫外光吸收剂。有机玻璃除化学老化外，还容易吸湿发生物理老化，同样会造成力学性能的下降。因此在共聚改性过程中，应避免加入带极性基团的组分，尽量降低吸湿造成的物理老化的风险，延长有机玻璃的使用寿命。3

特殊要求针对航空有机玻璃这种结构材料，在新品种投入使用以前需进行疲劳、静力、制件可成形性、边缘连接等一系列应用性能的考核和检验，以确保装机的可靠性。疲劳、静力强度试验可以随飞机地面试验进行模拟，其余试验可以通过元件级试件进行考核。

综上所述，航空透明件要求材料既要有足够的刚度又要有很高的韧性，还能经受紫外光照射、雨水冲蚀、温度交变等恶劣环境。与此同时，还必须保证严格的光学性能，具有良好的成形加丁性，研究、生产同时兼备这样全面的性能的丙烯酸酯类材料，技术难度是相当大的。3