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

在SAE ARP 5637中說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是光學(xué)性能。當(dāng)塑料鏡片暴露在氣流中時，氣流中的微粒（冰和雨）和磨料會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。

本文將介紹對三種不同的噴氣式飛機(jī)鏡片材料進(jìn)行Taber磨耗測試和高速微粒測試，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亞克力（模克隆 AR 和有機(jī)玻璃 II UVA）。

對于飛機(jī)制造商和運營商而言，LED 技術(shù)有望使飛機(jī)運行時間更長，同時降低維護(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，這對于操作員實現(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)場內(nèi)和附近，對于確保公眾的安全至關(guān)重要。外部飛機(jī)照明是一個關(guān)鍵部件，有助于提供必要的能見度。飛機(jī)照明遵循船舶應(yīng)用中使用的一般慣例，以幫助識別飛機(jī)之間的位置，并有幾個單獨的照明系統(tǒng)來幫助這一識別過程，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 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。在這項研究中，對三種不同的噴氣式飛機(jī)鏡片材料進(jìn)行了磨損測試，即熱強(qiáng)化硼硅酸鹽玻璃 (Kopp 9000)、硬涂層聚碳酸酯 (Makrolon AR) 和航空級丙烯酸樹脂 (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試結(jié)果表明，與塑料相比，玻璃具有顯著的耐磨性優(yōu)勢。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)超過了工業(yè)來源的傳輸損耗 [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)計和維護(hù)過程中必須是重中之重，否則 LED 技術(shù)的潛在成本節(jié)約將無法在應(yīng)用中實現(xiàn)。

飛機(jī)外部照明用鏡片LED材料說明

外部飛機(jī)照明燈具使用透明透鏡來覆蓋和保護(hù)光源，最常見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，有或沒有施加硬涂層以提高耐用性

結(jié)果與討論

表一：測試材料的比較性能

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，但它們可能對化學(xué)和機(jī)械降解高度敏感。強(qiáng)烈和長時間暴露在紫外線下，例如來自太陽輻射的紫外線，對玻璃沒有影響，但會導(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，“所使用的燈罩或濾色器不應(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)證實了塑料蓋會造成光輸出損失，并建議在設(shè)計燈具時假定鏡頭輸出會降低。采用塑料鏡頭設(shè)計的燈具必須允許20-40%的透射損失，或者通過補(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)測和工程指南，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了對照明設(shè)計進(jìn)行仔細(xì)考慮的必要性。所有這些補(bǔ)償設(shè)計解決方案往往會增加擁有和維護(hù)帶有塑料透鏡的燈具的總成本，以保持所需的光輸出。一般來說，透射損失會對鏡頭所需的光度光輸出產(chǎn)生負(fù)面影響，這可能會導(dǎo)致安全隱患，因為光會被散射。

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)來自 SAE ARP5637

測試過程

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

Taber磨耗測試

Taber磨耗測試方法是根據(jù) ASTM D1044 指南開發(fā)和使用的。Taber磨輪用于研磨樣品。Taber測試實驗程序遵循 ASTM D1044 指南，但有以下三個例外：

1.真空噴嘴有一個直徑為 8mm的開口代替推薦的11mm直徑，

2.使用分光光度計代替霧度測量透射率，

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

該方法中的磨損是通過試樣與砂輪的滑動旋轉(zhuǎn)接觸而產(chǎn)生的摩擦磨損作用來模擬的。當(dāng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，輪子由樣品沿與樣品軸相切的水平軸沿相反方向驅(qū)動。一個研磨輪向外摩擦試樣的邊緣，另一個向內(nèi)摩擦試樣的中心。輪子在試樣表面上穿過一個完整的圓，顯示相對于材料編織或紋理的各個角度的耐磨性。

測試過程

Taber磨損測試結(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 90% 的透射率，聚碳酸酯在1500次循環(huán)時僅顯示約 65%的透射率，在2000次循環(huán)時僅顯示 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，玻璃是商用和軍用噴氣式飛機(jī)外部燈具的較佳選擇。測試清楚地表明，玻璃鏡片可以比塑料鏡片更長時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。