如何使用Taber磨耗测试仪对飞机外部照明灯罩镜片材料进行磨耗测试？

在SAE ARP 5637中说明了塑料镜片材料在飞机上的重要作用：塑料镜片最大的缺点是光学性能。当塑料镜片暴露在气流中时，气流中的微粒（冰和雨）和磨料会损坏镜片的暴露表面。这被称为“镜片腐蚀”损坏，它在镜片上显示为混浊或不透明区域，就像喷砂会产生的一样。这种退化的影响是降低了光透射率，并且光被散射到了不希望的方向上。光线减少可能很重要。”必须仔细考虑这两种材料在飞机生命周期内的总拥有成本，这是商用和军用飞机所有者的关键考虑因素。

本文将介绍对三种不同的喷气式飞机镜片材料进行Taber磨耗测试和高速微粒测试，包括：热强化硼硅酸盐玻璃 (Kopp 9000)、硬涂层聚碳酸酯和航空级亚克力（模克隆 AR 和有机玻璃 II UVA）。

对于飞机制造商和运营商而言，LED 技术有望使飞机运行时间更长，同时降低维护成本和功耗。由于消除了频繁更换烧坏的白炽灯泡的需要，因此构建可靠的外部照明系统非常重要，该系统能够在持续暴露于颗粒磨损、热和化学应力的情况下保持安全的光输出水平，这对于操作员实现LED技术的好处。

飞行员在恶劣的天气条件下看到和被看到的能力，特别是在繁忙的机场内和附近，对于确保公众的安全至关重要。外部飞机照明是一个关键部件，有助于提供必要的能见度。飞机照明遵循船舶应用中使用的一般惯例，以帮助识别飞机之间的位置，并有几个单独的照明系统来帮助这一识别过程，包括位置和防撞灯，在某些情况下，结冰、着陆和滑行灯几个 SAE 标准清楚地确定了防撞灯和位置灯的光输出要求。

为了确保较长的使用寿命和可靠的性能，飞机照明应用中使用的镜头盖必须提供一致的光传输，并且在暴露于恶劣条件后将材料降解降至最低。在这项研究中，对三种不同的喷气式飞机镜片材料进行了磨损测试，即热强化硼硅酸盐玻璃 (Kopp 9000)、硬涂层聚碳酸酯 (Makrolon AR) 和航空级丙烯酸树脂 (Plexiglas II UVA)，以证明其适用性适用于极端的航天环境。泰伯磨损和高速颗粒测试结果表明，与塑料相比，玻璃具有显着的耐磨性优势。与玻璃相比，在聚碳酸酯中观察到了严重的传输损耗，并且远远超过了工业来源的传输损耗 [理论上或认为可以接受的]。耐磨性，即外部透镜能够承受这些恶劣环境的能力，在照明灯具设计和维护过程中必须是重中之重，否则 LED 技术的潜在成本节约将无法在应用中实现。

飞机外部照明用镜片LED材料说明

外部飞机照明灯具使用透明透镜来覆盖和保护光源，最常见的透镜材料是玻璃或塑料。玻璃镜片通常由硼硅酸盐或钠钙硅酸盐组合物制成，并且可以以退火或热强化（回火）状态提供。塑料镜片通常由聚碳酸酯或丙烯酸制成，有或没有施加硬涂层以提高耐用性 [6]。表 I 提供了这三种材料的总结比较。

表一：测试材料的比较性能

硼硅酸盐玻璃具有出色的光学性能、暴露于气流时的耐用性以及承受高工作温度的能力。它可以抵抗机械和化学磨损，并在应用中保持高水平的透光率。塑料镜片可减轻镜片重量并提供良好的抗冲击性，但它们可能对化学和机械降解高度敏感。强烈和长时间暴露在紫外线下，例如来自太阳辐射的紫外线，对玻璃没有影响，但会导致塑料变脆和变色。这两种材料都可以成型为某种形状或轮廓。

飞机外部照明用灯罩应用性能

灯罩或透镜对于保护光源（如白炽灯泡或 LED）免受恶劣的气流环境影响至关重要，同时传输尽可能多的光，以创建高效和有效的系统。根据 SAE AS8037C，“所使用的灯罩或滤色器不应轻易支持燃烧，其结构应使其在正常使用期间不会改变形状或永久改变颜色或形状或遭受任何明显的透光损失。”在外部商用和军用喷气式飞机镜头所经历的恶劣、苛刻的环境中，有必要选择能够提供一致性能的材料。

图1显示了用于翼尖灯组件的聚碳酸酯透镜的光强度损失示例。SAE指南和支持文献证实了塑料盖会造成光输出损失，并建议在设计灯具时假定镜头输出会降低。采用塑料镜头设计的灯具必须允许20-40%的透射损失，或者通过补偿更高的瓦数的白炽灯、更多的 LED、更高强度的LED，或使用更多电力将低强度LED驱动到更高亮度。此外SAE推荐了关于 LED 在灯具使用寿命期间减少光输出的预测和工程指南，进一步强调了对照明设计进行仔细考虑的必要性。所有这些补偿设计解决方案往往会增加拥有和维护带有塑料透镜的灯具的总成本，以保持所需的光输出。一般来说，透射损失会对镜头所需的光度光输出产生负面影响，这可能会导致安全隐患，因为光会被散射。

图 1：翼尖外部灯组件样品的塑料透镜光强度损失。数据来自 SAE ARP5637

测试过程

使用两种不同的测试方法来评估硼硅酸盐玻璃和塑料的耐磨性。Taber磨损测试方法是一种行业标准测试协议，用于说明从塑料到玻璃再到陶瓷的材料的耐磨性。设计用于模拟飞行中飞机表面的侵蚀效应的高速颗粒冲击测试用于说明玻璃和聚碳酸酯在更像应用的环境中的耐磨性。

Taber磨耗测试

Taber磨耗测试方法是根据 ASTM D1044 指南开发和使用的。Taber磨轮用于研磨样品。Taber测试实验程序遵循 ASTM D1044 指南，但有以下三个例外：

1.真空喷嘴有一个直径为 8mm的开口代替推荐的11mm直径，

2.使用分光光度计代替雾度测量透射率，

3. 样品在推荐的100次循环之外运行多达 2,000 次循环，以帮助模拟材料之间在更长时间内的耐磨性。

该方法中的磨损是通过试样与砂轮的滑动旋转接触而产生的摩擦磨损作用来模拟的。当转盘旋转时，轮子由样品沿与样品轴相切的水平轴沿相反方向驱动。一个研磨轮向外摩擦试样的边缘，另一个向内摩擦试样的中心。轮子在试样表面上穿过一个完整的圆，显示相对于材料编织或纹理的各个角度的耐磨性。

结果与讨论

Taber磨损测试结果

硼硅酸盐玻璃、硬涂层聚碳酸酯和丙烯酸 (Plexiglas II UVA) 样品的 Taber 磨损结果如图3所示。这些材料的透射率随测试设备上循环次数的增加而绘制。随着循环次数的增加，样品显示出传输性能下降。与硬涂层塑料样品相比，硼硅酸盐玻璃的传输损耗显着降低。

图3：在Taber磨耗测试中增加循环（曝光）后玻璃和聚合物样品的透光率

结果表明，与硬涂层聚碳酸酯和丙烯酸相比，硼硅酸盐玻璃的耐磨性存在显着差异。在1000 次循环中，玻璃的透光率比聚碳酸酯和丙烯酸都高 20% 以上。在更高的循环次数下，玻璃继续与聚碳酸酯分离，保持超过 90% 的透射率，聚碳酸酯在1500次循环时仅显示约 65%的透射率，在2000次循环时仅显示 55% 的透射率。此外，即使在 500 次循环后丙烯酸透射率趋于平稳，玻璃透射率仍显着高于（约 25%）丙烯酸透射水平。

结论

镜头在外部飞机照明应用中的关键功能是保持一致的光传输，以确保高水平的安全性。泰伯磨损和高速微粒冲击测试提供了一种比较当前飞机镜片材料以确定适用性的有效方法。随着循环次数和曝光次数的增加，玻璃继续保持比塑料高得多的透射率。测试表明，在喷气式飞机外部照明应用中，玻璃的耐磨性将显着优于塑料。

由于机身在不同环境中几乎可以连续使用，因此使用能够承受颗粒磨损、热和化学应力的材料将降低外部灯具的总拥有成本。当考虑到安全性、可靠性和维护协议的余量时，玻璃是商用和军用喷气式飞机外部灯具的较佳选择。测试清楚地表明，玻璃镜片可以比塑料镜片更长时间地承受航空航天的恶劣操作环境，有助于提供一致、可靠和安全的飞行环境。