浅谈民用运输类飞机风挡和窗户玻璃材料选用论文_杨　伟

摘要：AC25.775-1推荐了三种风挡和窗户玻璃材料，梳理和分析三种材料的性能、优缺点，统计三种材料在民航飞机上应用，为25部飞机透明件选材设计提供一定的帮助。

关键词：飞机、风挡和窗户、玻璃材料

前言

AC25.775-1中推荐了3种风挡和窗户的主体透明材料，分别为无机玻璃（glass）、有机玻璃（pmm）和聚碳酸脂玻璃，其中无机玻璃和有机玻璃在飞机风挡和窗户的应用方面非常广泛。下面分别介绍各种材料的特点和适用范围。

一 适航条款

AC25.775-1中对三种材料的要求差异主要为：无机玻璃、定向拉伸有机玻璃材料因子为2，铸造有机玻璃和聚碳酸酯玻璃材料因子为4（无机玻璃、定向拉伸玻璃的材料许用值置信度较高，铸造有机玻璃和聚碳酸酯的铸造成型工艺导致原材料缺陷更多，故几种材料的材料系数选取不一致）。

即在计算风挡和窗结构强度时，结构强度需满足

（其中，为材料许用值，n为安全系数、m为材料因子，限制应力）。

二 玻璃材料

1 无机玻璃

无机玻璃需进行强化处理，以提高其力学性能，强化方法有两种：物理钢化玻璃和化学强化玻璃两种，通过强化工艺在玻璃表面产生一定深度压应力层，抑制玻璃表面微裂纹产生和扩展，从而提高玻璃强度。

物理钢化指通过把玻璃加热到适宜温度后迅速冷却，使玻璃表面急剧收缩，产生压应力，而玻璃中层冷却较慢，还来不及收缩，故形成张应力，使玻璃获得较高的强度。不适用于厚度小（3mm以下）和外形复杂的玻璃，因玻璃结晶不均匀有自爆风险。

化学强指通过玻璃表层中半径较小的离子与溶液中半径较大的离子交换，比如玻璃中的锂离子与溶液中的钾或钠离子交换，玻璃中的钠离子与溶液中的钾离子交换，利用碱离子体积上的差别在玻璃表层形成嵌挤压应力，在玻璃表面产生应力层。化学强化玻璃强度高、应力均匀、稳定性好、无自爆现象、不变形，不产生光畸变，适用于形状复杂、厚度较小的玻璃制品的增强。强化/钢化无机玻璃强化深度和强度性能见表1。

图1 化学强化离子交换示意图

目前，化学强度作为航空用无机玻璃的主要方向，尤其是铝锂无机玻璃，其强化深度大，玻璃抗划伤能力强。铝锂玻璃的强化深度可以超过120μm，有资料表明空客飞机风挡玻璃的强化深度超过300μm。

2 有机玻璃

有机玻璃又可分为铸造有机玻璃和定向拉伸有机玻璃，其中定向拉伸有机玻璃，有机玻璃进行加热，使高分子研制受力方向排列，在冷却后形成的一种有机玻璃类型，具有更高强度、更稳定的性能，在民用飞机风挡和窗户更常用，材料标准为MIL-PRF-25690B。美国定向拉伸有机玻璃材料性能认证，由美国海军航空作战中心飞机处（NAWCADPAX）完成，考核标准为MIL-PRF-25690B，一旦通过材料供应商将会获得合格证，并纳入QPL-25690-15目录，该材料就可以直接应用于飞机透明件。

随着国产大飞机研制，国产定向拉伸有机玻璃YB-DM-10基本完成了材料适航验证工作，并得到局方认可。表2为YB-DM-10与法国Acrylex、美国Tex-Stretch定向拉伸有机玻璃板材性能对比。

3 聚碳酸酯

聚碳酸酯是一种塑料材料，具有良好的机械强度、耐热性能、耐冲击性能强，采用注塑成型工艺的聚碳酸酯在复杂的双曲外形零件制品以及非承载结构应用较广，在军用飞机的风挡中也有广泛的应用。聚碳酸酯的缺点是耐划伤能力较弱，且无法通过抛光进行修复，所以在单独使用时，一般会采用硬化涂层，提高制品的耐划伤能力。国外在航空行业应用方面专门开发聚碳酸酯系列产品的公司主要有SABIC（沙比克），其常用材料性能见表3。

三、玻璃材料的应用

无机玻璃具有更高的比强度，良好的电加温附着层、抗划伤能力强等优势，作为风挡的主材料应用于民航各个机型中。有机玻璃因密度小、可抛光修复等优点常应用于旅客窗主材料。聚碳酸脂虽然是AC25.775-1推荐使用材料，在民机飞机的风挡和窗户中使用不多。

对空客、波音、商飞等系列飞机的风挡、旅客窗等透明件玻璃进行梳理，三种玻璃的应用情况见表4。

四 结束语

风挡和窗户作为飞机主要结构部件，其材料性能和适航取证，直接影响飞机飞行安全和适航取证。50年代飞机仿制开始，国产透明材料已经有几十年可靠的使用经验，但在数据系统性积累、适航研究等方面还比较欠缺。

经过C919型号，国产有机玻璃材料的完成了完整的取证过程，并获得了成功，给国产飞机透明件设计打下了坚实的基础。但在无机玻璃领域，差距还很大，C919、MA600、ARJ21等机型风挡都选用国外供应商。无机玻璃材料的研制和适航工作前景广阔，希望国内玻璃制品供应商和玻璃材料供应商加大对无机玻璃材料研制力度，尽早实现民用大飞机项目无机玻璃产品以及材料的国产化。

参考文献：

【1】运输类飞机适航标准，CCAR-25-R4，中国民航总局

【2】大型商用飞机客舱舷窗有机玻璃应用进展，季光明，上海飞机设计研究院

论文作者:杨　伟

论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期

论文发表时间:2020/4/29

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