АВИАЦИОННОЕ ЛАМИНИРОВАННОЕ ОСТЕКЛЕНИЕ С ВЫСОКОЙ СТОЙКОСТЬЮ К РАЗРУШЕНИЮ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ С ПТИЦАМИ
AVIATION LAMINATED GLAZING WITH HIGH RESISTANCE TO DESTRUCTION IN THE EVENT OF COLLISION WITH BIRDS

Механические размеры авиационного остекления определяются требованиями стойкости к столкновению с птицами. Следовательно, вес остекления сильно зависит от требований стойкости к столкновению с птицами. Настоящее изобретение представляет собой композицию остекления с уменьшенным весом, состоящую из структурного стекла, имеющего высокое напряжение разрушения, и жесткой структурной пластмассы. Напряжение разрушения также иногда упоминается как модуль разрыва (MOR).
В настоящее время авиационное остекление формируется по меньшей мере из двух слоев для того, чтобы обеспечить безопасность в случае поломки одного слоя. Третий слой может быть добавлен на внешней поверхности для удовлетворения требований аэродинамики и/или в качестве поддержки для антиобледенительной нагревательной функции.
Слои, обеспечивающие механические свойства, упоминаются как структурные слои, они представляют собой либо
- два стеклянных слоя с высоким напряжением разрушения; либо
- два или более слоев, выполненных из полимерного материала: литого или растянутого полиметилметакрилата (PMMA), поликарбоната (PC), полиуретана (PU).
Экономия веса является постоянным требованием в авиационной промышленности. Остекление с двумя структурными слоями, выполненными из стекла с одной стороны и растянутого PMMA с другой стороны, позволяет достичь веса, по существу аналогичного ламинированному остеклению.
Остекление, выполненное из поликарбоната, обеспечивает уменьшению веса, но поликарбонат также имеет много недостатков:
- высокую чувствительность к царапанию;
- непрерывное ухудшение механических характеристик с течением времени;
- пожелтение под воздействием ультрафиолетового излучения;
- тенденцию к расслаиванию;
- усталостное разрушение (при чередовании увеличения и уменьшения давления) в креплениях (отверстиях в листе PC для болтов);
- низкий модуль упругости, что приводит к значительным деформациям остекления при повышении давления в самолете.
Во время столкновения с птицами остекление локально изгибается, что вызывает образование напряжений в остеклении. Поверхность, которая находится дальше всех от места удара, воспринимает самые высокие напряжения, которые могут дать начало разрушению внутреннего структурного слоя ламинированного остекления самолета. С другой стороны, внешний структурный слой подвергается лишь небольшому растягивающему напряжению, или даже сжимается, что защищает его. В направлении удара птицы, от внешней стороны к внутренней части самолета, структурный блок ламинированного остекления подвергается сжимающим напряжениям, а затем растягивающим напряжениям, причем эти два типа напряжений разделяются плоскостью, называемой «нейтральной осью» (нулевой нагрузки) внутри структурного блока.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы объединить два структурных листа для того, чтобы отодвинуть обратно точку разрушения ламинированного остекления относительно удара птицы. Эта цель достигается настоящим изобретением, одним предметом которого является, следовательно, ламинированное остекление для транспортного средства или сооружения, отличающееся тем, что оно содержит внутренний структурный лист из полимерного материала и внешний структурный стеклянный лист с толщиной 3-20 мм, имеющий напряжение разрушения от 350 до 1000 МПа при столкновении с птицами.
Настоящее изобретение заключается в создании структурного блока, сформированного из стекла с высоким напряжением разрушения на внешней поверхности структурного блока и полимерного материала, размещенного на внутренней поверхности остекления, и характеризуемого низким модулем упругости.
Стекло имеет высокий модуль упругости, порядка приблизительно 70 ГПа, намного выше, чем у полимерных материалов (несколько ГПа при столкновении с птицами). Следовательно, именно стекло главным образом определяет деформации остекления.
По сравнению с остеклением с двумя структурными стеклами нейтральная ось (нулевой нагрузки) сдвигается в направлении внешней стороны структурного блока в собранном положении ламинированного остекления, более конкретно внутри внешнего структурного стекла, следовательно нагрузка на него увеличивается. Другими словами, внешний структурный стеклянный лист здесь находится под растягивающим напряжением. Внутренний структурный лист из полимерного материала деформируется очень слабо благодаря жесткости стекла. Кроме того, благодаря его низкому модулю упругости полимерный материал требует больших деформаций, чем стекло, чтобы стать нагруженным.
Благодаря настоящему изобретению возможно оптимизировать вес ламинированного остекления за счет одновременного достижения точки разрушения на стекле и на полимерном материале, что является невозможным, когда два структурных слоя имеют один и тот же тип.
По сравнению с авиационным ламинированным остеклением, в котором два структурных слоя выполнены из стекла или PMMA, остекление настоящего изобретения одновременно обеспечивает лучшую эффективность, в частности при столкновении с птицами, а также экономию веса структурного блока, например порядка 20%.
Полная инкапсуляция внешнего структурного стеклянного листа позволяет выбрать поверхностное химическое упрочнение, которое позволяет достичь более высоких уровней упрочнения, чем стекла с глубоким упрочнением. Установлено, что глубокое упрочнение позволяет предотвратить потерю механических характеристик за счет царапания поверхности, которое не может происходить в случае инкапсуляции.
В соответствии с другими особенностями ламинированного остекления настоящего изобретения:
- внутренний структурный лист из полимерного материала делается из растянутого или нерастянутого поли(метилметакрилата) (PMMA), из структурного полиуретана (PU) или поликарбоната (PC), с толщиной 5-22 мм;
- внешний структурный стеклянный лист делается из алюмосиликатного или натриево-кальциевого стекла;
- внешний структурный стеклянный лист является химически упрочненным; химическое упрочнение заключается, например, в замене ионов натрия ионами калия или ионов лития ионами натрия, то есть каждый раз более крупными ионами, на поверхности стеклянных листов; именно это увеличивает их поверхностное сжимающее напряжение и их напряжение разрушения;
- внутренние и внешние структурные листы связаны друг с другом посредством первой клеевой прослойки, имеющей толщину 0,5-5 мм, предпочтительно 1,8-3,2 мм;
- ламинированное остекление содержит на стороне внешнего структурного стеклянного листа, противоположного внутреннему структурному листу из полимерного материала, внешний стеклянный лист, имеющий толщину 0,5-5 мм; этот тонкий и неструктурный внешний стеклянный лист составляет наружную поверхность ламинированного остекления, находящуюся в контакте с внешней атмосферой;
- внешний стеклянный лист имеет тип алюмосиликатного или кальциево-натриевого стекла;
- этот внешний стеклянный лист является полузакаленным или химически упрочненным;
- внешний стеклянный лист связан с внешним структурным стеклянным листом посредством второй клеевой прослойки, имеющей толщину 2-12 мм, предпочтительно 3-7 мм;
- поверхность внешнего стеклянного листа, обращенная к внешнему структурному стеклянному листу, поддерживает сетку из нагревательных проводов и/или электропроводящий нагревательный слой: медные провода, слой легированного оловом оксида индия ITO (оксид индия-олова), соединенные с источником электропитания посредством коллекторов (шин); это позиционирование нагревательной функции обеспечивает устранение обледенения поверхности ламинированного остекления, контактирующей с внешней атмосферой, при всех условиях использования, минимизируя потребность в электроэнергии (благодаря близости ко льду);
- одна поверхность внутреннего или внешнего структурного листа поддерживает сетку из нагревательных проводов и/или электропроводящий нагревательный слой, как было описано выше; это позиционирование нагревательной функции обеспечивает защиту от запотевания той поверхности ламинированного остекления, которая находится в контакте с атмосферой кабины самолета;
- поверхность внешнего стеклянного листа, противоположная внешнему структурному стеклянному листу, располагается заподлицо со структурой сборки; другими словами, эта поверхность выровнена со структурой (корпусом самолета); существенной функцией внешнего стеклянного листа является аэродинамическая эффективность самолета, и в меньшей степени внешний вид;
- клеевая прослойка содержит поливинилбутираль (PVB), полиуретан (PU), сополимер этилена/винилацетата (EVA) и т.п.;
- ламинированное остекление является изогнутым (вогнутым в направлении к внутренней части транспортного средства или сооружения в положении сборки);
- армирующий лист вставляется между внутренним и внешним структурными стеклянными листами, поверх части по меньшей мере периферийной зоны ламинированного остекления; он представляет собой полоску армирующего материала, такого как металл или волокнистый композит (Kevlar и т.п.), проходящую вдоль значительной части периферийной зоны ламинированного остекления; этот армирующий лист подвергается локальному напряжению, прикладываемому держателем оконного стекла, которое могло бы локально разрушить внешнее структурное стекло на мелкие части; этот армирующий лист предотвращает разрыв клеевой прослойки на границе контакта между держателем оконного стекла и остеклением.
Дополнительным предметом настоящего изобретения является применение описанного выше ламинированного остекления в аэронавтике, в частности в качестве остекления коммерческого, регионального или служебного воздушного судна, удовлетворяющего требованиям стойкости к столкновению с птицами.
Настоящее изобретение иллюстрируется следующим примерным вариантом осуществления.
Пример
Ламинированное остекление герметичной кабины коммерческого самолета состоит, в направлении от внутренней части самолета наружу:
- из внутреннего структурного листа из растянутого PMMA толщиной 10 мм;
- из внешнего структурного листа химически упрочненного кальциево-натриевого стекла толщиной 8 мм, имеющего напряжение разрушения 500 МПа; и
- из полузакаленного (с поверхностным напряжением 50 МПа) внешнего листа кальциево-натриевого стекла толщиной 3 мм.
Два структурных листа связаны посредством клейкой прослойки из PVB толщиной 2 мм.
Внешний структурный стеклянный лист и внешний стеклянный лист связаны посредством клейкой прослойки из PU толщиной 10 мм.
Поверхность внешнего стеклянного листа, обращенная к внешнему структурному стеклянному листу, имеет антиобледенительный нагревательный слой из ITO. Это, в частности, имеет место для фронтального антиобледенительного остекления кабины самолета. Как было определено выше, в случае антизапотевающего остекления нагревательная функция может поддерживаться любой поверхностью структурного блока в ламинате.
Внешняя поверхность внешнего стеклянного листа располагается заподлицо с корпусом самолета, средой сборки ламинированного остекления.
Это ламинированное остекление имеет улучшенную стойкость к столкновению с птицами.