如何使用Taber磨耗測(cè)試儀對(duì)飛機(jī)外部照明燈罩鏡片材料進(jìn)行磨耗測(cè)試？

在SAE ARP 5637中說(shuō)明了塑料鏡片材料在飛機(jī)上的重要作用：塑料鏡片最大的缺點(diǎn)是光學(xué)性能。當(dāng)塑料鏡片暴露在氣流中時(shí)，氣流中的微粒（冰和雨）和磨料會(huì)損壞鏡片的暴露表面。這被稱為“鏡片腐蝕”損壞，它在鏡片上顯示為混濁或不透明區(qū)域，就像噴砂會(huì)產(chǎn)生的一樣。這種退化的影響是降低了光透射率，并且光被散射到了不希望的方向上。光線減少可能很重要?！北仨氉屑?xì)考慮這兩種材料在飛機(jī)生命周期內(nèi)的總擁有成本，這是商用和軍用飛機(jī)所有者的關(guān)鍵考慮因素。

本文將介紹對(duì)三種不同的噴氣式飛機(jī)鏡片材料進(jìn)行Taber磨耗測(cè)試和高速微粒測(cè)試，包括：熱強(qiáng)化硼硅酸鹽玻璃 (Kopp 9000)、硬涂層聚碳酸酯和航空級(jí)亞克力（?？寺?AR 和有機(jī)玻璃 II UVA）。

對(duì)于飛機(jī)制造商和運(yùn)營(yíng)商而言，LED 技術(shù)有望使飛機(jī)運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)降低維護(hù)成本和功耗。由于消除了頻繁更換燒壞的白熾燈泡的需要，因此構(gòu)建可靠的外部照明系統(tǒng)非常重要，該系統(tǒng)能夠在持續(xù)暴露于顆粒磨損、熱和化學(xué)應(yīng)力的情況下保持安全的光輸出水平，這對(duì)于操作員實(shí)現(xiàn)LED技術(shù)的好處。

飛行員在惡劣的天氣條件下看到和被看到的能力，特別是在繁忙的機(jī)場(chǎng)內(nèi)和附近，對(duì)于確保公眾的安全至關(guān)重要。外部飛機(jī)照明是一個(gè)關(guān)鍵部件，有助于提供必要的能見(jiàn)度。飛機(jī)照明遵循船舶應(yīng)用中使用的一般慣例，以幫助識(shí)別飛機(jī)之間的位置，并有幾個(gè)單獨(dú)的照明系統(tǒng)來(lái)幫助這一識(shí)別過(guò)程，包括位置和防撞燈，在某些情況下，結(jié)冰、著陸和滑行燈幾個(gè) SAE 標(biāo)準(zhǔn)清楚地確定了防撞燈和位置燈的光輸出要求。

為了確保較長(zhǎng)的使用壽命和可靠的性能，飛機(jī)照明應(yīng)用中使用的鏡頭蓋必須提供一致的光傳輸，并且在暴露于惡劣條件后將材料降解降至最低。在這項(xiàng)研究中，對(duì)三種不同的噴氣式飛機(jī)鏡片材料進(jìn)行了磨損測(cè)試，即熱強(qiáng)化硼硅酸鹽玻璃 (Kopp 9000)、硬涂層聚碳酸酯 (Makrolon AR) 和航空級(jí)丙烯酸樹(shù)脂 (Plexiglas II UVA)，以證明其適用性適用于極端的航天環(huán)境。泰伯磨損和高速顆粒測(cè)試結(jié)果表明，與塑料相比，玻璃具有顯著的耐磨性優(yōu)勢(shì)。與玻璃相比，在聚碳酸酯中觀察到了嚴(yán)重的傳輸損耗，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了工業(yè)來(lái)源的傳輸損耗 [理論上或認(rèn)為可以接受的]。耐磨性，即外部透鏡能夠承受這些惡劣環(huán)境的能力，在照明燈具設(shè)計(jì)和維護(hù)過(guò)程中必須是重中之重，否則 LED 技術(shù)的潛在成本節(jié)約將無(wú)法在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。

飛機(jī)外部照明用鏡片LED材料說(shuō)明

外部飛機(jī)照明燈具使用透明透鏡來(lái)覆蓋和保護(hù)光源，最常見(jiàn)的透鏡材料是玻璃或塑料。玻璃鏡片通常由硼硅酸鹽或鈉鈣硅酸鹽組合物制成，并且可以以退火或熱強(qiáng)化（回火）狀態(tài)提供。塑料鏡片通常由聚碳酸酯或丙烯酸制成，有或沒(méi)有施加硬涂層以提高耐用性

結(jié)果與討論

表一：測(cè)試材料的比較性能

硼硅酸鹽玻璃具有出色的光學(xué)性能、暴露于氣流時(shí)的耐用性以及承受高工作溫度的能力。它可以抵抗機(jī)械和化學(xué)磨損，并在應(yīng)用中保持高水平的透光率。塑料鏡片可減輕鏡片重量并提供良好的抗沖擊性，但它們可能對(duì)化學(xué)和機(jī)械降解高度敏感。強(qiáng)烈和長(zhǎng)時(shí)間暴露在紫外線下，例如來(lái)自太陽(yáng)輻射的紫外線，對(duì)玻璃沒(méi)有影響，但會(huì)導(dǎo)致塑料變脆和變色。這兩種材料都可以成型為某種形狀或輪廓。

飛機(jī)外部照明用燈罩應(yīng)用性能

燈罩或透鏡對(duì)于保護(hù)光源（如白熾燈泡或 LED）免受惡劣的氣流環(huán)境影響至關(guān)重要，同時(shí)傳輸盡可能多的光，以創(chuàng)建高效和有效的系統(tǒng)。根據(jù) SAE AS8037C，“所使用的燈罩或?yàn)V色器不應(yīng)輕易支持燃燒，其結(jié)構(gòu)應(yīng)使其在正常使用期間不會(huì)改變形狀或永久改變顏色或形狀或遭受任何明顯的透光損失?！痹谕獠可逃煤蛙娪脟姎馐斤w機(jī)鏡頭所經(jīng)歷的惡劣、苛刻的環(huán)境中，有必要選擇能夠提供一致性能的材料。

圖1顯示了用于翼尖燈組件的聚碳酸酯透鏡的光強(qiáng)度損失示例。SAE指南和支持文獻(xiàn)證實(shí)了塑料蓋會(huì)造成光輸出損失，并建議在設(shè)計(jì)燈具時(shí)假定鏡頭輸出會(huì)降低。采用塑料鏡頭設(shè)計(jì)的燈具必須允許20-40%的透射損失，或者通過(guò)補(bǔ)償更高的瓦數(shù)的白熾燈、更多的 LED、更高強(qiáng)度的LED，或使用更多電力將低強(qiáng)度LED驅(qū)動(dòng)到更高亮度。此外SAE推薦了關(guān)于 LED 在燈具使用壽命期間減少光輸出的預(yù)測(cè)和工程指南，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了對(duì)照明設(shè)計(jì)進(jìn)行仔細(xì)考慮的必要性。所有這些補(bǔ)償設(shè)計(jì)解決方案往往會(huì)增加擁有和維護(hù)帶有塑料透鏡的燈具的總成本，以保持所需的光輸出。一般來(lái)說(shuō)，透射損失會(huì)對(duì)鏡頭所需的光度光輸出產(chǎn)生負(fù)面影響，這可能會(huì)導(dǎo)致安全隱患，因?yàn)楣鈺?huì)被散射。

圖 1：翼尖外部燈組件樣品的塑料透鏡光強(qiáng)度損失。數(shù)據(jù)來(lái)自 SAE ARP5637

測(cè)試過(guò)程

使用兩種不同的測(cè)試方法來(lái)評(píng)估硼硅酸鹽玻璃和塑料的耐磨性。Taber磨損測(cè)試方法是一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，用于說(shuō)明從塑料到玻璃再到陶瓷的材料的耐磨性。設(shè)計(jì)用于模擬飛行中飛機(jī)表面的侵蝕效應(yīng)的高速顆粒沖擊測(cè)試用于說(shuō)明玻璃和聚碳酸酯在更像應(yīng)用的環(huán)境中的耐磨性。

Taber磨耗測(cè)試

Taber磨耗測(cè)試方法是根據(jù) ASTM D1044 指南開(kāi)發(fā)和使用的。Taber磨輪用于研磨樣品。Taber測(cè)試實(shí)驗(yàn)程序遵循 ASTM D1044 指南，但有以下三個(gè)例外：

1.真空噴嘴有一個(gè)直徑為 8mm的開(kāi)口代替推薦的11mm直徑，

2.使用分光光度計(jì)代替霧度測(cè)量透射率，

3. 樣品在推薦的100次循環(huán)之外運(yùn)行多達(dá) 2,000 次循環(huán)，以幫助模擬材料之間在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的耐磨性。

該方法中的磨損是通過(guò)試樣與砂輪的滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)接觸而產(chǎn)生的摩擦磨損作用來(lái)模擬的。當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪子由樣品沿與樣品軸相切的水平軸沿相反方向驅(qū)動(dòng)。一個(gè)研磨輪向外摩擦試樣的邊緣，另一個(gè)向內(nèi)摩擦試樣的中心。輪子在試樣表面上穿過(guò)一個(gè)完整的圓，顯示相對(duì)于材料編織或紋理的各個(gè)角度的耐磨性。

測(cè)試過(guò)程

Taber磨損測(cè)試結(jié)果

硼硅酸鹽玻璃、硬涂層聚碳酸酯和丙烯酸 (Plexiglas II UVA) 樣品的 Taber 磨損結(jié)果如圖3所示。這些材料的透射率隨測(cè)試設(shè)備上循環(huán)次數(shù)的增加而繪制。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，樣品顯示出傳輸性能下降。與硬涂層塑料樣品相比，硼硅酸鹽玻璃的傳輸損耗顯著降低。

圖3：在Taber磨耗測(cè)試中增加循環(huán)（曝光）后玻璃和聚合物樣品的透光率

結(jié)果表明，與硬涂層聚碳酸酯和丙烯酸相比，硼硅酸鹽玻璃的耐磨性存在顯著差異。在1000 次循環(huán)中，玻璃的透光率比聚碳酸酯和丙烯酸都高 20% 以上。在更高的循環(huán)次數(shù)下，玻璃繼續(xù)與聚碳酸酯分離，保持超過(guò) 90% 的透射率，聚碳酸酯在1500次循環(huán)時(shí)僅顯示約 65%的透射率，在2000次循環(huán)時(shí)僅顯示 55% 的透射率。此外，即使在 500 次循環(huán)后丙烯酸透射率趨于平穩(wěn)，玻璃透射率仍顯著高于（約 25%）丙烯酸透射水平。

結(jié)論

鏡頭在外部飛機(jī)照明應(yīng)用中的關(guān)鍵功能是保持一致的光傳輸，以確保高水平的安全性。泰伯磨損和高速微粒沖擊測(cè)試提供了一種比較當(dāng)前飛機(jī)鏡片材料以確定適用性的有效方法。隨著循環(huán)次數(shù)和曝光次數(shù)的增加，玻璃繼續(xù)保持比塑料高得多的透射率。測(cè)試表明，在噴氣式飛機(jī)外部照明應(yīng)用中，玻璃的耐磨性將顯著優(yōu)于塑料。

由于機(jī)身在不同環(huán)境中幾乎可以連續(xù)使用，因此使用能夠承受顆粒磨損、熱和化學(xué)應(yīng)力的材料將降低外部燈具的總擁有成本。當(dāng)考慮到安全性、可靠性和維護(hù)協(xié)議的余量時(shí)，玻璃是商用和軍用噴氣式飛機(jī)外部燈具的較佳選擇。測(cè)試清楚地表明，玻璃鏡片可以比塑料鏡片更長(zhǎng)時(shí)間地承受航空航天的惡劣操作環(huán)境，有助于提供一致、可靠和安全的飛行環(huán)境。