航空有机玻璃

航空有机玻璃以甲基丙烯酸甲酯为主要原料，加入少量助剂，在引发剂作用下，经本体聚合制得的透明板材。

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。

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。

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。

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。

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、检验手段等方面与工业用有机玻璃有很大差别，主要表现如下。

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。

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。

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，还须将浇注板材放入150℃的烘箱中检查加热后是否出现耐热点（旋光点）等缺陷。

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。

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。

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。

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