鄭夢瑤，吳國慶，姜旭胤，張曉雯，丁堯，顏悅

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京市先進運載系統(tǒng)結構透明件工程技術研究中心，北京 100095； 2.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082)

深海載人潛水器是未來海洋開發(fā)的前沿與制高點之一，潛水器觀察窗作為唯一的非金屬結構部件，直接關系到潛水器的安全可靠性。有機玻璃為水下觀察窗的首選材料，具有密度小、強度高、光學性能好、允許局部屈服和應力重新分配以及失效前有明顯預警特征等優(yōu)點[1-2]。目前國內(nèi)的載人潛水器觀察窗采用的主要還是進口生產(chǎn)制造的觀察窗玻璃，常見厚度在20 cm左右，觀察窗玻璃的受力形式以及厚度較大結構特點決定了一般選用澆鑄(非定向)有機玻璃作為原材料，避免因定向有機玻璃面內(nèi)取向后導致的層間作用力弱而產(chǎn)生的玻璃易發(fā)生層間破壞的現(xiàn)象[3]。美國機械工程師協(xié)會載人壓力容器安全標準ASME PVHO-1-2019對觀察窗用有機玻璃材料性能提出了沖擊強度、吸水率、拉伸性能、壓縮性能、剪切性能、洛氏硬度、彎曲強度等詳細指標要求。我國潛水器觀察窗的研究起步較晚，主要依賴進口，國內(nèi)對觀察窗玻璃的研究主要集中在觀察窗的結構設計、應力分析、蠕變變形等[4-6]，對觀察窗用有機玻璃材料的性能研究還不充分，也未形成相關材料體系標準。對于高性能防護透明件領域，國內(nèi)研究較為成熟充分的是航空透明件，特別是航空有機玻璃，已形成針對不同牌號有機玻璃的材料規(guī)范和標準，如GJB 9438-2018，GJB 1251A-2008等，對材料外觀尺寸、光學性能、力學性能、熱性能以及耐環(huán)境性能等的試驗方法以及評級指標作出了詳細的規(guī)定。

對潛水器觀察窗受力形式進行分析，發(fā)現(xiàn)觀察窗玻璃主要受側向壓應力以及摩擦剪應力作用[7]，服役過程中受蠕變以及疲勞載荷作用，玻璃與窗座接觸面上易出現(xiàn)銀紋、微裂紋等缺陷[8]，影響其使用壽命，因此，研究觀察窗用有機玻璃材料的損傷破壞行為以及抗裂紋擴展性能對潛水器觀察窗玻璃使用壽命以及安全可靠性評估具有重要意義[9]。以有機玻璃為代表的聚合物材料的損傷與破壞是從微觀層次分子鏈運動及斷鏈開始，到細觀層次的銀紋引發(fā)、生長及斷裂，直到裂紋的產(chǎn)生、擴展，最終導致材料破壞[10]，研究有機玻璃的強度就必須考慮材料的損傷及缺陷演化。航空透明件用有機玻璃的制造及應用已經(jīng)較為成熟，損傷及破壞行為研究也較為充分。李業(yè)媛等[11]對有機玻璃的疲勞裂紋擴展和斷裂行為的微觀機制進行了討論，基于裂紋尖端應力場分析軟件將穿透直裂紋測定的材料參數(shù)準確應用到表面裂紋的壽命預測上。張志林等[12]研究得出了航空有機玻璃MDYB-3的裂紋擴展門檻值，建立了座艙玻璃劃傷缺陷剩余強度以及損傷容限的計算方法。載人潛水器觀察窗用有機玻璃，因其服役工況較為特殊，需結合其受載形式、損傷情況，對觀察窗用有機玻璃的損傷破壞行為進行研究。

筆者將從以下幾個方面對觀察窗有機玻璃的損傷與破壞行為進行研究：(1)根據(jù)觀察窗有機玻璃的受載形式，進行拉伸、壓縮、剪切、斷裂韌性、應力銀紋等測試，表征與服役損傷相關的關鍵力學性能；(2)研究可能出現(xiàn)的損傷缺陷對有機玻璃關鍵力學性能的影響；(3)結合潛水器觀察窗玻璃的損傷缺陷情況，對觀察窗的缺陷(裂紋)擴展性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 有機玻璃原材料

采用的有機玻璃原材料為潛水器觀察窗專用的某牌號進口有機玻璃澆鑄件(非定向有機玻璃)，其材料化學名稱為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

1.2 測試儀器

有機玻璃的力學性能(拉伸、壓縮、剪切、斷裂韌性等)試驗在美國英斯特朗公司的5982型萬能試驗機上進行，各項試驗均配有符合測試標準的試驗夾具。

應力銀紋試驗在北京時代天誠科技有限公司的TC-202型透明材料銀紋試驗儀上進行，符合HB 6657-1992的要求。

1.3 試樣制備

(1)有機玻璃各力學性能的測試試樣按照各測試標準試樣尺寸要求在有機玻璃原材料上通過機加工得到。

(2)銀紋損失試樣制備：參照HB 6657-1992銀紋試驗的方法，通過四點彎曲的加載方式，在有機玻璃原材料上預制銀紋，以0.04 mm/min速率加載，加載過程觀察試樣上銀紋的產(chǎn)生。

(3)微裂紋缺陷試樣制備：從靜水外壓試驗后得到的觀察窗玻璃樣件的錐面上取樣[9]，錐面表面帶有明顯的微裂紋，微裂紋深度為0.2～5 mm，取樣深度為10 mm。

1.4 測試與表征

(1)壓縮性能測試。

有機玻璃原材料準靜態(tài)壓縮性能按照ASTM D695-2010測試，選取試樣尺寸為Φ12.7 mm×50.8 mm (測量壓縮彈性模量時)以及Φ12.7 mm×25.4 mm (測量壓縮屈服強度時)的圓柱，以1.3 mm/min的加載速率壓縮試件，直至試件屈服。銀紋損傷以及微裂紋缺陷試樣的壓縮性能按照GB/T 1041-2008測試，試樣為10 mm×10 mm×10 mm的立方體，壓縮速度為1 mm/min。

(2)剪切性能測試。

有機玻璃原材料、銀紋損傷試樣和微裂紋缺陷試樣準靜態(tài)剪切性能按照GB/T 15598-1995測試，試樣為50 mm×50 mm×10 mm的方片，中心有1個直徑為11 mm的孔，試驗速度為(1±0.5) mm/min。

(3)拉伸性能測試。

有機玻璃原材料以及銀紋損傷試樣準靜態(tài)拉伸性能按照GB/T 1040.2-2006測試，試樣按照標準1B型制備，加載速度為1 mm/min。微裂紋缺陷試樣為10 mm×10 mm×150 mm的拉伸樣條，拉伸試驗加載速度為1 mm/min。

(4)應力銀紋試驗。

有機玻璃原材料的應力銀紋試驗按照HB 6657-1992進行，試樣尺寸為350 mm×20 mm×10 mm，以0.04 mm/min速率加載，加載過程觀察試樣上銀紋的產(chǎn)生，并記錄銀紋測力計的讀數(shù)。

(5)斷裂韌性測試。

有機玻璃原材料斷裂韌性按GJB 9438-2018測試，試樣尺寸為150.0 mm×50.0 mm×10 mm，中心孔徑4.75 mm；試樣中心定位孔的兩側沿著寬度方向引發(fā)一對裂紋，引發(fā)裂紋頂端間距應在12.7～19 mm范圍內(nèi)，從而使失穩(wěn)的裂紋長度在試樣寬度的25%～50%范圍內(nèi)，加載使試樣在(3～5) min內(nèi)破壞。

2 結果與討論

2.1 有機玻璃原材料關鍵力學性能

(1)壓縮性能分析。

根據(jù)潛水器觀察窗的受力分析，觀察窗玻璃受壓應力作用，有機玻璃的壓縮性能是重要的評價指標之一。在應變率為10-3s-1的準靜態(tài)測試條件下，壓縮試驗的應力-應變曲線如圖1所示。由圖1看出，壓縮過程中，有機玻璃材料表現(xiàn)出經(jīng)典韌性高聚物材料的壓縮曲線特征，經(jīng)歷彈性變形、屈服、應變軟化，后續(xù)可能繼續(xù)發(fā)生應變硬化。在普彈變形過程中，分子發(fā)生鍵長、鍵角的變化，材料表現(xiàn)出高模量、小變形且形變可回復；應力繼續(xù)增加，鏈段開始運動，到達屈服點；后續(xù)發(fā)生應變軟化，分子鏈呈現(xiàn)聚集、堆積，在局部塑形形變中有缺陷萌生，進而應力隨應變增加而降低[13]。

圖1 觀察窗有機玻璃原材料的壓縮應力-應變曲線

測試得到觀察窗用有機玻璃的壓縮彈性模量為3.12 GPa，壓縮屈服強度為115 MPa，壓縮屈服應變?yōu)?.85%，滿足ASME PVHO-1-2019對觀察窗有機玻璃的壓縮屈服強度不低于103 MPa、壓縮彈性模量不低于2.76 GPa的材料要求。該觀察窗用有機玻璃材料的壓縮彈性模量較高，服役過程中壓縮變形量較小，不會因變形較大導致窗體密封失效，同時，壓縮強度較高，屈服點后壓縮應力也不突降，即使變形量較大的情況下材料也不會發(fā)生崩裂等脆性破壞，對觀察窗玻璃這類對抗壓性能要求較高的防護材料而言極其適用，較常見的聚碳酸酯、無機玻璃具有明顯的優(yōu)勢。

(2)剪切性能分析。

有機玻璃的壓縮強度較高，且壓應力下不易引發(fā)裂紋缺陷，相對來說拉伸及剪切強度較低，且較易引發(fā)裂紋等缺陷，因此研究其剪切性能具有重要意義。參考GB/T 15598-1995，剪切穿孔試驗的應力-應變曲線如圖2所示。非定向有機玻璃與定向有機玻璃的剪切性能差異較大，該觀察窗用有機玻璃為澆鑄成型的非定向有機玻璃，圖2中的剪切應力-應變曲線存在一屈服點，此時剪切應力最大，試樣開始出現(xiàn)裂紋，但試樣仍可承力，應力不會突降、試樣也不會崩裂。與常用的高防護性能用透明件定向有機玻璃以及聚碳酸酯材料相比，該非定向有機玻璃的剪切強度高于聚碳酸酯，同時也不會像定向有機玻璃那樣突然發(fā)生散裂[14]。對于觀察窗用有機玻璃而言，剪切力為主要的受力形式之一，因此，非定向有機玻璃在剪切性能上明顯優(yōu)于定向有機玻璃以及聚碳酸酯材料。

圖2 觀察窗有機玻璃原材料的剪切應力-應變曲線

由圖2得到觀察窗有機玻璃剪切強度為62.6 MPa，此時應變?yōu)?8.36%，滿足ASME PVHO-1-2019對有機玻璃剪切強度不低于55 MPa的材料要求。該有機玻璃的剪切強度高于聚碳酸酯，破壞時的變形量(韌性)高于定向有機玻璃，可見，從剪切性能而言，常用的聚合物透明材料中，非定向有機玻璃為最優(yōu)選的潛水器觀察窗用材料。

觀察窗用有機玻璃的主要受力形式為服役過程中水壓作用下，窗座對有機玻璃的壓縮及剪切應力，經(jīng)過測試，該觀察窗有機玻璃的壓縮強度以及剪切強度均滿足ASME PVHO-1-2019的要求，與高性能航空有機玻璃的性能相當，且該非定向有機玻璃的材料特性適用于潛水器觀察窗玻璃的應用場景。

2.2 觀察窗有機玻璃的銀紋損傷

(1)有機玻璃原材料應力銀紋分析。

PMMA是典型的高聚物材料，在玻璃態(tài)及其附近，缺陷處局部應力集中或應變超過了聚合物的臨界應力或應變值，材料發(fā)生塑性變形以及冷拉，在聚合物本體材料中表現(xiàn)為銀紋化，銀紋對高聚物材料的強度和韌性及破壞性能起著不可忽視的重要作用。對有機玻璃原材料進行了應力銀紋試驗，應力值越高，則該材料在應力作用下越難出現(xiàn)銀紋損傷。采用四點彎曲的方法，按照標準HB 6657-1992進行，如圖3所示。

圖3 有機玻璃原材料的應力銀紋試驗以及銀紋放大圖片

在四點彎曲作用下，該有機玻璃出現(xiàn)銀紋的應力值即應力銀紋強度為20.6 MPa。對有機玻璃來說，分子量越高、定向度越高，分子間的作用力越強，越不容易出現(xiàn)銀紋。對于潛水器觀察窗玻璃，使用過程中有可能接觸到水、潤滑劑等，這些物質(zhì)可能會促進銀紋缺陷的產(chǎn)生，但主要原因還是窗座對觀察窗有機玻璃材料的壓縮、剪切作用力[15]導致。

(2)銀紋損傷對壓縮性能的影響。

將有機玻璃原材料制成10 mm×10 mm×10 mm的立方體，按照GB/T 1041-2008，在壓縮應變率1.6 s-1下，測試原材料及銀紋損傷試樣的壓縮應力-應變曲線，如圖4所示。由圖4可以看出，與無損傷缺陷的有機玻璃原材料的壓縮應力-應變曲線相似，銀紋損傷試樣壓縮過程中經(jīng)歷彈性變形、屈服、應變軟化，后續(xù)發(fā)生應變硬化，表現(xiàn)出典型的韌性高聚物材料壓縮特征。壓縮變形量高達50%時，試樣不發(fā)生破壞。

圖4 有機玻璃原材料和銀紋損傷試樣的壓縮應力-應變曲線

由圖4可得，銀紋損傷試樣的壓縮屈服強度為159 MPa，屈服應變率為14.7%。由圖4可知，銀紋損傷試樣與原材料的壓縮應力-應變曲線基本無差異，可見銀紋損傷對有機玻璃的壓縮性能基本無影響。在準靜態(tài)壓縮應力下，銀紋基本不發(fā)生擴展，并且由于銀紋的深度較淺，對于材料的本體分子結構基本無影響。

(3)銀紋損傷對剪切性能的影響。

有機玻璃原材料及銀紋損傷試樣的剪切應力-應變曲線如圖5所示。由圖5可以看出，銀紋損傷試樣的剪切過程的應力-應變曲線與原材料剪切應力-應變曲線基本相同，在剪切應力的作用下，首先發(fā)生普彈變形，應力隨應變的增加而增加，變形量繼續(xù)增加，試樣發(fā)生破壞，但是載荷仍可保持，應力未發(fā)生突降。

圖5 有機玻璃原材料和銀紋損傷試樣的剪切應力-應變曲線

由圖5可得，銀紋損傷試樣的剪切強度為64.81 MPa，此時的應變?yōu)?9.40%，與原材料相比未有明顯變化，且破壞形式與原材料一致，試樣未發(fā)生崩壞。這是由于銀紋損傷在材料表面的深度較淺，在準靜態(tài)的剪切作用下未發(fā)生擴展，且這些銀紋損傷對有機玻璃材料的本體結構未產(chǎn)生影響，因而銀紋損傷對剪切性能基本無影響。

(4)銀紋損傷對拉伸性能的影響。

有機玻璃原材料及銀紋損傷試樣的拉伸應力-應變曲線如圖6所示。由圖6看出，銀紋損傷試樣的拉伸應力-應變曲線與有機玻璃原材料相同，室溫下表現(xiàn)為典型的韌性高聚物拉伸曲線，首先發(fā)生普彈變形，分子鏈鍵長和鍵角發(fā)生變化，模量較低、變形可回復；應變繼續(xù)增加，分子鏈運動發(fā)生取向，模量增大，到達屈服點附近，分子鏈斷裂，試樣發(fā)生破壞。

圖6 有機玻璃原材料和銀紋損傷試樣的拉伸應力-應變曲線

由圖6可得，銀紋損傷試樣的拉伸強度為73.8 MPa，斷裂伸長率為7.15%。可見，由于銀紋損傷深度較淺，且在準靜態(tài)拉伸作用下，沒有發(fā)生進一步擴展，對有機玻璃本體材料結構無影響，因此有機玻璃的拉伸性能基本無變化。

通過應力銀紋試驗考核了觀察窗用有機玻璃的抗應力銀紋的性能，發(fā)現(xiàn)應力銀紋強度為20.6 MPa，抗銀紋性能較好。實際工況下，觀察窗玻璃上出現(xiàn)的銀紋和微裂紋缺陷是相伴出現(xiàn)的，無法單獨分離出單獨的帶有銀紋損傷的樣品，因此通過四點彎曲的方法預制銀紋，評價了銀紋對觀察窗玻璃原材料主要靜強度的影響，發(fā)現(xiàn)銀紋對壓縮、剪切以及拉伸性能基本不產(chǎn)生影響，在準靜態(tài)條件下，銀紋也不會發(fā)生擴展。當觀察窗玻璃出現(xiàn)銀紋時，可以繼續(xù)使用，但是要密切關注銀紋的擴展情況。實際上，對于航空有機玻璃而言，服役過程中經(jīng)常出現(xiàn)銀紋損傷，若銀紋的深度不深、面積不大，則只需要拋光去除銀紋，防止銀紋進一步擴展成為裂紋源即可，銀紋的出現(xiàn)對于非銀紋區(qū)域即材料本體的區(qū)域沒有任何影響。

2.3 觀察窗有機玻璃的損傷及破壞行為

(1)有機玻璃原材料的抗裂紋擴展性能。

有機玻璃的斷裂韌性，是結構透明件安全設計、材料評價以及使用壽命估計的重要力學性能指標。結構透明件服役過程中，破壞事故的發(fā)生常常與材料內(nèi)部存在的宏觀裂紋而引發(fā)的低應力脆斷有關，因此需利用斷裂韌性(也稱抗裂紋擴展性)來評價材料抵抗脆性破壞的能力以及材料阻止裂紋失穩(wěn)擴展的能力。

觀察窗用有機玻璃原材料的斷裂韌性測試載荷-位移曲線以及斷面形貌如圖7所示。由圖7a可以得出原材料的斷裂韌性為1.66 MPa·m1/2，由圖7b可以看出，斷面形貌為典型的非定向有機玻璃斷裂形貌[16]，斷面形貌特征的均一性較好，斷裂區(qū)光滑，裂紋粗，且隆起出現(xiàn)平臺，與撕裂區(qū)有明顯邊界，其斷面明顯分為慢裂紋和快裂紋兩個區(qū)域。慢裂紋略粗卻較平，快裂紋區(qū)起始多為鏡面區(qū)，有高反光能力，在一定傾角下可見到干涉色，隨著裂紋擴展，在末端出現(xiàn)細微的線束。

圖7 觀察窗用有機玻璃原材料的斷裂韌性測試載荷-位移曲線以及典型斷面形貌

對于航空有機玻璃，非定向有機玻璃的斷裂韌性在1.3～1.5 MPa·m1/2范圍內(nèi)，定向有機玻璃的斷裂韌性在3.2～4.2 MPa·m1/2范圍內(nèi)。按照GJB 9438-2018測得的觀察窗用有機玻璃斷裂韌性為1.66 MPa·m1/2，與非定向航空有機玻璃相近甚至更高，但遠低于定向有機玻璃。

(2)帶有損傷缺陷的觀察窗玻璃關鍵力學性能。

靜水外壓試驗后，觀察窗樣件內(nèi)側部分的錐面上出現(xiàn)了尺寸不一的裂紋缺陷，如圖8所示。為了確定該部分材料強度下降程度及其裂紋擴展情況，對樣件微裂紋區(qū)域進行取樣，對其拉伸、壓縮以及剪切性能進行測試。

圖8 觀察窗用有機玻璃的缺陷情況

①壓縮性能。

按照GB/T 1041-2008對微裂紋缺陷試樣進行壓縮試驗，試樣受壓過程如圖9所示，可直觀地觀察到壓縮過程中微裂紋的擴展情況。

圖9 微裂紋缺陷試樣壓縮過程圖

微裂紋缺陷試樣和銀紋損傷試樣壓縮過程的應力-應變曲線對比如圖10所示。由圖10可以看出，對于微裂紋缺陷試樣，其壓縮屈服強度相比銀紋損傷試樣略有降低，這可能是材料內(nèi)部的缺陷變多導致的。但是試驗中發(fā)現(xiàn)，即使壓縮變形至40%，在壓縮載荷作用下，裂紋也不會擴展。也就是說，對于潛水器觀察窗玻璃而言，若微裂紋處只受單壓應力，則缺陷不會擴展。

圖10 微裂紋缺陷試樣與銀紋損傷試樣的壓縮應力-應變曲線

②剪切性能。

按照GB/T 15598-1995對微裂紋缺陷試樣進行剪切試驗，其與銀紋損傷試樣剪切應力-應變曲線的對比如圖11所示。在剪切試驗中發(fā)現(xiàn)，在沿著微裂紋面對試樣施加剪切力，玻璃上的微裂紋發(fā)生擴展，在剪切屈服點之前就產(chǎn)生脆性斷裂，由圖11可以看出，微裂紋缺陷試樣剪切強度相比于銀紋損傷試樣下降約15%。在剪切應力的作用下，試樣上的微裂紋發(fā)生擴展，并且在厚度方向穿透，因此試樣會突然碎裂。

圖11 微裂紋缺陷試樣與銀紋損傷試樣的剪切應力-應變曲線

③拉伸性能。

將帶有微裂紋的觀察窗有機玻璃進行取樣，加工成10 mm×10 mm×150 mm的微裂紋缺陷試樣拉伸樣條，對其進行拉伸性能測試，試驗過程如圖12所示。由圖12看出，準靜態(tài)拉伸過程中，可以明顯地觀察到試樣上的微裂紋在拉應力的作用下發(fā)生擴展，并且穿透厚度方向，繼而發(fā)生斷裂。

圖12 觀察窗樣件微裂紋取樣的拉伸試驗

微裂紋缺陷試樣和銀紋損傷試樣的拉伸應力-應變曲線如圖13所示。由圖13可以看出，微裂紋缺陷試樣的應力-應變曲線與銀紋損傷試樣有明顯差異，拉伸彈性模量以及拉伸斷裂強度下降很大。拉伸斷裂強度為14.73 MPa，斷裂伸長率為2.24%。可見，在拉應力作用下，微裂紋迅速擴展成裂紋，拉伸斷裂強度降低約70%。

圖13 微裂紋缺陷試樣與銀紋損傷試樣的拉伸應力-應變曲線

利用斷裂韌性來評價觀察窗有機玻璃的抗裂紋擴展性能，其值為1.66 MPa·m1/2，抗裂紋擴展性能較好，材料的韌性較好，基本為非定向有機玻璃的上限值。同時，基于銀紋缺陷試樣的力學性能，評價了微裂紋缺陷對于觀察窗有機玻璃材料靜強度的影響：壓縮屈服強度略有下降，但裂紋不擴展；剪切強度下降約15%，并且出現(xiàn)脆性斷裂的現(xiàn)象；微裂紋缺陷對拉伸性能有很大的影響，拉伸強度降低了70%左右。結合潛水器觀察窗的使用情況，當觀察窗玻璃出現(xiàn)微裂紋或裂紋時，微裂紋在剪切或拉伸這類張應力的作用下裂紋會快速擴展，導致材料強度大大降低，此時應立即更換觀察窗玻璃，以免事故發(fā)生。

3 結論

(1)根據(jù)載人潛水器觀察窗玻璃受載形式，對其原材料關鍵力學性能如壓縮、剪切性能進行了測試，結果表明壓縮強度為115 MPa，剪切強度為62.6 MPa，該非定向有機玻璃與其它常用高防護性能的透明材料相比，具有強度高、變形量小、不會突然發(fā)生破壞等優(yōu)勢。

(2)潛水器觀察窗用有機玻璃的抗銀紋引發(fā)以及抗裂紋擴展的性能較好，應力銀紋強度為20.6 MPa、斷裂韌性為1.66 MPa·m1/2。

(3)有機玻璃銀紋損傷，對拉伸、壓縮、剪切靜強度基本無影響。

(4)對出現(xiàn)微裂紋損傷缺陷的觀察窗玻璃樣件進行原位取樣，與銀紋缺陷試樣的力學性能進行對比，發(fā)現(xiàn)微裂紋缺陷使得壓縮屈服強度略有降低但裂紋不擴展、剪切強度降低約15%且破壞程度劇烈，對拉伸強度影響最大降低約70%。

(5)研究結果為后續(xù)安全性評判方法研究提供了準靜態(tài)材料性能變化的數(shù)據(jù)支撐，后續(xù)應繼續(xù)開展在疲勞或者蠕變載荷下的損傷缺陷引發(fā)及擴展性能方面的研究工作。