飛機座艙玻璃爆裂原因分析

孫 煒 ， 范金娟 ,*， 劉檳滔

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；4.中國航空發(fā)動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095；5.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095）

0 引言

有機玻璃材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯，具有質(zhì)量輕、透光性好、優(yōu)良的耐候性及力學(xué)性能、易于加工等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于飛機風擋、座艙蓋、舷窗等航空透明件中[1-2]。其中，座艙玻璃是飛機上相對薄弱的結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生溶劑腐蝕出現(xiàn)銀紋和裂紋[3-4]。由于有機玻璃具有缺口敏感性，銀紋及裂紋的存在會降低有機玻璃的強度，并產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生安全隱患[5-6]。且飛機在飛行過程中會承受不同的載荷，如艙內(nèi)壓力、循環(huán)氣動載荷、溫度載荷及安裝應(yīng)力等作用，在多種因素的影響下可能會導(dǎo)致透明件在空中爆破，對生命和財產(chǎn)造成重大損失[7]。目前，由于溶劑腐蝕造成有機玻璃失效的報道較多，但是腐蝕性溶劑來源并不確定[8-11]。因此，只有對航空有機玻璃事故的發(fā)生引起重視，找到腐蝕性溶劑來源，才能有針對性的采取預(yù)防措施，避免事故再次發(fā)生。

飛機在起飛爬升過程中座艙玻璃發(fā)生爆裂，外界溫度為-35 ℃，座艙壓力正常。玻璃材料為MYB-3，厚度為8 mm，安裝方式為軟式連接，玻璃邊緣與滌綸條粘接，并由密封劑密封。該飛機服役環(huán)境比較干燥，早晚溫差不大。本研究對失效座艙玻璃進行外觀檢查、宏微觀觀察、能譜測試和紅外光譜測試，并與其他架次飛機座艙玻璃進行對比，分析其失效的原因。

1 試驗方法

采用目視檢查的方法觀察失效座艙玻璃整體外觀，判斷其源區(qū)位置及裂紋走向。采用LEICA DMS 1000 體視顯微鏡對失效玻璃斷口進行宏觀觀察。采用FEI NOVANANO 450 型場發(fā)射掃描電鏡對失效玻璃和不同架次飛機未失效玻璃的斷口進行微觀觀察，并采用能譜測試分析不同區(qū)域的元素成分差異。采用Nioclet Magna-IR750 紅外光譜儀對失效玻璃不同位置進行紅外光譜測試，對其腐蝕成分進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀檢查

對失效座艙玻璃進行外觀檢查，可見失效座艙玻璃從位置1～3 處起源向兩側(cè)擴展，并在擴展過程中交匯形成臺階（圖1a）。位置1～3 局部放大后，可見開裂源區(qū)均位于滌綸條粘接部位和未粘接部位的交界處（圖1b～圖1d）。

圖1 失效座艙玻璃外觀Fig.1 Appearance of failure cockpit glass

2.2 斷口宏微觀觀察

將3 處開裂源區(qū)位置切割下來進行宏觀觀察，可見開裂源區(qū)為線源，均從座艙內(nèi)側(cè)向外側(cè)方向擴展；在擴展區(qū)可見疲勞弧線特征，斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；擴展后期斷口表面粗糙，呈放射狀擴展棱線（圖2）。

3 處源區(qū)微觀形貌相似，在此僅對位置1 源區(qū)進行描述。位置1 源區(qū)表面可見大量直徑約為1 μm的圓形腐蝕坑，為典型的溶劑腐蝕特征（圖3a）。由于腐蝕坑只出現(xiàn)在開裂斷口邊緣，斷口內(nèi)部疲勞弧線附近未見腐蝕痕跡，表明有機玻璃先發(fā)生溶劑腐蝕產(chǎn)生腐蝕坑，腐蝕坑處會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，在長期交變氣動載荷的作用下，座艙玻璃從腐蝕坑處起源發(fā)生疲勞斷裂。對源區(qū)側(cè)表面進行微觀觀察，可見側(cè)表面靠近源區(qū)的位置也存在腐蝕微裂紋，進一步表明座艙玻璃開裂與溶劑腐蝕有關(guān)（圖3b）。

2.3 腐蝕成分分析

圖2 失效玻璃開裂源區(qū)宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of cracking source region of failure glass

圖3 失效玻璃位置1 斷口微觀形貌Fig.3 Fracture morphology of position 1 of failure glass

座艙玻璃與滌綸條之間是采用丙烯酸酯膠黏劑粘接的軟連接方式，并且用聚硫密封劑密封，開裂源區(qū)均位于滌綸條粘接部位和未粘接部位的交界處，對有機玻璃造成溶劑腐蝕的腐蝕介質(zhì)可能來源于膠粘劑、密封劑及外界環(huán)境。

對失效玻璃內(nèi)部、源區(qū)腐蝕坑、源區(qū)側(cè)表面、側(cè)表面膠粘劑以及密封劑分別進行能譜測試，通過對比不同部位的元素差異，尋找腐蝕介質(zhì)來源。能譜測試結(jié)果見表1?？芍?，失效座艙玻璃源區(qū)的腐蝕坑部位及源區(qū)側(cè)表面均含有較多Cl 元素，而玻璃內(nèi)部未腐蝕部位不含有Cl 元素，表明有機玻璃的溶劑腐蝕與含Cl 物質(zhì)有關(guān)。密封劑與腐蝕坑部位的元素差異較大，且不含有Cl 元素；而膠粘劑中含有較多Cl 元素，由此表明，密封劑與有機玻璃的腐蝕無關(guān)，對玻璃造成溶劑腐蝕的含Cl 物質(zhì)可能來源于膠粘劑。

表1 失效座艙玻璃能譜測試結(jié)果（質(zhì)量分數(shù) /%）Table 1 Energy spectrum test results of failure cockpit glass (mass fraction /%)

對失效玻璃內(nèi)部、源區(qū)腐蝕坑以及膠粘劑分別進行紅外光譜測試，結(jié)果如圖4 所示，可見1728 cm-1處 為C=O 的 伸 縮 振 動 峰，1385 cm-1處 是—CH3的變角振動峰，1245 cm-1處是酯基中—C—O—C 的反對稱伸縮振動峰；1148 cm-1處是酯基中—C—O—C 的對稱伸縮振動峰，為甲基丙烯酸甲酯的特征吸收峰，甲基丙烯酸甲酯是有機玻璃MYB-3 和丙烯酸酯膠粘劑的基本組成[12-13]。其中，源區(qū)腐蝕坑和膠粘劑的紅外光譜圖在756 cm-1處出現(xiàn)C—Cl 的特征吸收峰，而玻璃內(nèi)部沒有該特征峰[14]；因此，腐蝕坑部位的Cl 元素并非來源于外界環(huán)境中的Cl-，而是來源于膠粘劑中的含Cl有機物。源區(qū)腐蝕坑與膠粘劑的紅外光譜圖相近，但腐蝕坑部位在1000～1300 cm-1的特征吸收峰基本消失，進一步表明該處發(fā)生腐蝕反應(yīng)，且導(dǎo)致有機玻璃發(fā)生腐蝕的含Cl 有機物來源于膠粘劑。

圖4 失效玻璃紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectrum of failure glass

2.4 其他架次飛機座艙玻璃腐蝕檢測

將其他架次飛機座艙玻璃從滌綸條粘接部位和未粘接部位的交界處人為打開斷口進行對比觀察，可知，玻璃內(nèi)側(cè)人為打開斷口邊緣未見腐蝕坑等腐蝕痕跡，微觀形貌見圖5。

圖5 人為打開斷口邊緣Fig.5 Artificial fracture edge

對玻璃內(nèi)部、人為打開斷口邊緣及側(cè)表面膠粘劑分別進行能譜分析，測試結(jié)果見表2，可知人為打開斷口邊緣及側(cè)表面膠粘劑中均不含有Cl 元素，表明座艙玻璃所使用的膠粘劑中不應(yīng)該含有含Cl 有機物。

2.5 工序排查

對失效座艙玻璃所使用的丙烯酸酯膠粘劑中含Cl 有機物來源進行排查。通過查看膠液成分，發(fā)現(xiàn)配制膠液原材料中的過氧化苯甲?？赡苁褂眠^氯仿作為溶劑。過氧化苯甲酰在使用前的處理方法有2 種，分別為干燥處理和精制處理，且這2 種方法選用1 種即可。其中，干燥處理過程中不涉及含Cl 有機物；精制過程需要將過氧化苯甲酰溶解在氯仿中，氯仿對有機玻璃有較強的腐蝕作用，推斷膠粘劑中的含Cl 有機物可能為溶劑氯仿[15]。過氧化苯甲酰如果選擇精制作為處理過程，將難以保證氯仿完全清除。因此，建議粘接有機玻璃時使用的丙烯酸酯膠粘劑中的原材料過氧化苯甲酰選用干燥處理，避免膠液中混入氯仿。

3 結(jié)論與建議

1）座艙玻璃斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2）膠粘劑中的含Cl 有機物對有機玻璃產(chǎn)生溶劑腐蝕導(dǎo)致玻璃開裂。

3）建議丙烯酸酯膠粘劑中的原材料過氧化苯甲酰選用干燥處理，避免膠粘劑中混入氯仿。