如何使用Taber磨耗測試儀對飛機外部照明燈罩鏡片材料進行磨耗測試？

在SAE ARP 5637中說明了塑料鏡片材料在飛機上的重要作用：塑料鏡片最大的缺點是光學性能。當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麵。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域，就像噴砂會產生的一樣。這種退化的影響是降低了光透射率，並且光被散射到了不希望的方向上。光線減少可能很重要。”必須仔細考慮這兩種材料在飛機生命周期內的總擁有成本，這是商用和軍用飛機所有者的關鍵考慮因素。

本文將介紹對三種不同的噴氣式飛機鏡片材料進行Taber磨耗測試和高速微粒測試，包括：熱強化硼矽酸鹽玻璃 (Kopp 9000)、硬塗層聚碳酸酯和航空級亞克力（模克隆 AR 和有機玻璃 II UVA）。

對於飛機製造商和運營商而言，LED 技術有望使飛機運行時間更長，同時降低維護成本和功耗。由於消除了頻繁更換燒壞的白熾燈泡的需要，因此構建可靠的外部照明係統非常重要，該係統能夠在持續暴露於顆粒磨損、熱和化學應力的情況下保持安全的光輸出水平，這對於操作員實現LED技術的好處。

飛行員在惡劣的天氣條件下看到和被看到的能力，特別是在繁忙的機場內和附近，對於確保公眾的安全至關重要。外部飛機照明是一個關鍵部件，有助於提供必要的能見度。飛機照明遵循船舶應用中使用的一般慣例，以幫助識別飛機之間的位置，並有幾個單獨的照明係統來幫助這一識別過程，包括位置和防撞燈，在某些情況下，結冰、著陸和滑行燈幾個 SAE 標準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，飛機照明應用中使用的鏡頭蓋必須提供一致的光傳輸，並且在暴露於惡劣條件後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鏡片材料進行了磨損測試，即熱強化硼矽酸鹽玻璃 (Kopp 9000)、硬塗層聚碳酸酯 (Makrolon AR) 和航空級丙烯酸樹脂 (Plexiglas II UVA)，以證明其適用性適用於極端的航天環境。泰伯磨損和高速顆粒測試結果表明，與塑料相比，玻璃具有顯著的耐磨性優勢。與玻璃相比，在聚碳酸酯中觀察到了嚴重的傳輸損耗，並且遠遠超過了工業來源的傳輸損耗 [理論上或認為可以接受的]。耐磨性，即外部透鏡能夠承受這些惡劣環境的能力，在照明燈具設計和維護過程中必須是重中之重，否則 LED 技術的潛在成本節約將無法在應用中實現。

飛機外部照明用鏡片LED材料說明

外部飛機照明燈具使用透明透鏡來覆蓋和保護光源，最常見的透鏡材料是玻璃或塑料。玻璃鏡片通常由硼矽酸鹽或鈉鈣矽酸鹽組合物製成，並且可以以退火或熱強化（回火）狀態提供。塑料鏡片通常由聚碳酸酯或丙烯酸製成，有或沒有施加硬塗層以提高耐用性

結果與討論

表一：測試材料的比較性能

硼矽酸鹽玻璃具有出色的光學性能、暴露於氣流時的耐用性以及承受高工作溫度的能力。它可以抵抗機械和化學磨損，並在應用中保持高水平的透光率。塑料鏡片可減輕鏡片重量並提供良好的抗衝擊性，但它們可能對化學和機械降解高度敏感。強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。

飛機外部照明用燈罩應用性能

燈罩或透鏡對於保護光源（如白熾燈泡或 LED）免受惡劣的氣流環境影響至關重要，同時傳輸盡可能多的光，以創建高效和有效的係統。根據 SAE AS8037C，“所使用的燈罩或濾色器不應輕易支持燃燒，其結構應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。”在外部商用和軍用噴氣式飛機鏡頭所經曆的惡劣、苛刻的環境中，有必要選擇能夠提供一致性能的材料。

圖1顯示了用於翼尖燈組件的聚碳酸酯透鏡的光強度損失示例。SAE指南和支持文獻證實了塑料蓋會造成光輸出損失，並建議在設計燈具時假定鏡頭輸出會降低。采用塑料鏡頭設計的燈具必須允許20-40%的透射損失，或者通過補償更高的瓦數的白熾燈、更多的 LED、更高強度的LED，或使用更多電力將低強度LED驅動到更高亮度。此外SAE推薦了關於 LED 在燈具使用壽命期間減少光輸出的預測和工程指南，進一步強調了對照明設計進行仔細考慮的必要性。所有這些補償設計解決方案往往會增加擁有和維護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生負麵影響，這可能會導致安全隱患，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度損失。數據來自 SAE ARP5637

測試過程

使用兩種不同的測試方法來評估硼矽酸鹽玻璃和塑料的耐磨性。Taber磨損測試方法是一種行業標準測試協議，用於說明從塑料到玻璃再到陶瓷的材料的耐磨性。設計用於模擬飛行中飛機表麵的侵蝕效應的高速顆粒衝擊測試用於說明玻璃和聚碳酸酯在更像應用的環境中的耐磨性。

Taber磨耗測試

Taber磨耗測試方法是根據 ASTM D1044 指南開發和使用的。Taber磨輪用於研磨樣品。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次循環之外運行多達 2,000 次循環，以幫助模擬材料之間在更長時間內的耐磨性。

該方法中的磨損是通過試樣與砂輪的滑動旋轉接觸而產生的摩擦磨損作用來模擬的。當轉盤旋轉時，輪子由樣品沿與樣品軸相切的水平軸沿相反方向驅動。一個研磨輪向外摩擦試樣的邊緣，另一個向內摩擦試樣的中心。輪子在試樣表麵上穿過一個完整的圓，顯示相對於材料編織或紋理的各個角度的耐磨性。

測試過程

Taber磨損測試結果

硼矽酸鹽玻璃、硬塗層聚碳酸酯和丙烯酸 (Plexiglas II UVA) 樣品的 Taber 磨損結果如圖3所示。這些材料的透射率隨測試設備上循環次數的增加而繪製。隨著循環次數的增加，樣品顯示出傳輸性能下降。與硬塗層塑料樣品相比，硼矽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（曝光）後玻璃和聚合物樣品的透光率

結果表明，與硬塗層聚碳酸酯和丙烯酸相比，硼矽酸鹽玻璃的耐磨性存在顯著差異。在1000 次循環中，玻璃的透光率比聚碳酸酯和丙烯酸都高 20% 以上。在更高的循環次數下，玻璃繼續與聚碳酸酯分離，保持超過 90% 的透射率，聚碳酸酯在1500次循環時僅顯示約 65%的透射率，在2000次循環時僅顯示 55% 的透射率。此外，即使在 500 次循環後丙烯酸透射率趨於平穩，玻璃透射率仍顯著高於（約 25%）丙烯酸透射水平。

結論

鏡頭在外部飛機照明應用中的關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衝擊測試提供了一種比較當前飛機鏡片材料以確定適用性的有效方法。隨著循環次數和曝光次數的增加，玻璃繼續保持比塑料高得多的透射率。測試表明，在噴氣式飛機外部照明應用中，玻璃的耐磨性將顯著優於塑料。

由於機身在不同環境中幾乎可以連續使用，因此使用能夠承受顆粒磨損、熱和化學應力的材料將降低外部燈具的總擁有成本。當考慮到安全性、可靠性和維護協議的餘量時，玻璃是商用和軍用噴氣式飛機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境，有助於提供一致、可靠和安全的飛行環境。