飞机风挡用化学强化铝硅酸盐玻璃强化机理及亚临界裂纹扩展行为

Sufficient bird strike resistance and fatigue lifetime for aircraft windshield are required due to severe service environment. However, design and preparation of the glass with high strength and long fatigue lifetime remain the bottleneck of windshield technology. In this project, we aim to address some important scientific issues on strengthening and static fatigue behavior of chemical strengthened float aluminosilicate glass for aircraft windshield, trying to get some new insight into the mechanism of strengthening and sub-critical crack growth. The main research contents include the following aspects : To evaluate the different diffusion kinetics of K+-Na+ ions on air side and tin side of chemical strengthened aluminosilicate glass by combining the experiments and molecular dynamics simulation technique; To clarify the buildup and relaxation process of compressive stress in air side and tin side of chemical strengthened aluminosilicate glass; To reveal the effect of stress, temperature, humidity, salt moist on the sub-critical crack growth behavior in chemical strengthened aluminosilicate glass and establish the lifetime prediction model. This project would shed new light on designing and optimizing the strength and improving the lifetime of chemical strengthened aluminosilicate glass.

飞机苛刻的服役环境要求风挡必须具备足够的抗鸟撞性能和疲劳寿命。而高强度和优异疲劳性能玻璃材料的设计和制备成为制约飞机风挡技术发展的瓶颈。本项目以飞机风挡用化学强化浮法铝硅酸盐玻璃为研究对象，重点解决其强化过程和静态疲劳行为研究中的若干关键科学问题，力争对化学强化铝硅酸盐玻璃的强化机理和亚临界裂纹扩展行为有一些新的认识。主要内容包括：实验和分子动力学模拟相结合阐明浮法铝硅酸盐玻璃化学强化过程空气面和锡面的钾-钠离子扩散动力学差异及其微观机制；阐明化学强化浮法铝硅酸盐玻璃空气面和锡面应力的形成和弛豫行为及其微观机制；采用双扭法揭示表面应力、温度、相对湿度和盐雾等拟实环境对化学强化铝硅酸盐玻璃亚临界裂纹扩展行为的影响规律及机理，建立化学强化铝硅酸玻璃的寿命预测模型。本项目的实施可以为设计和优化化学强化铝硅酸盐玻璃的强度，提高风挡玻璃服役寿命提供理论和技术基础。

飞机苛刻的服役环境要求风挡必须具备足够的抗鸟撞性能和疲劳寿命。而高强度和优异疲劳性能玻璃材料的设计和制备成为制约飞机风挡技术发展的瓶颈。本项目以飞机风挡用化学强化铝硅酸盐玻璃为研究对象，重点解决其强化过程和静态疲劳行为研究中的若干关键科学问题，力争对化学强化铝硅酸盐玻璃的强化机理和亚临界裂纹扩展行为有一些新的认识。通过本项目的研究，揭示了浮法铝硅酸盐玻璃化学强化过程K+-Na+离子扩散动力学规律，定量建立了离子扩散行为与宏观力学性能的内在联系。揭示了高强度铝硅酸盐玻璃弯曲过程的非线性效应，结合有限元模拟给出了高强度铝硅酸盐玻璃弯曲过程的大挠度解决方案。定量建立了化学强化铝硅酸盐玻璃表面应力-应力层深度-弯曲强度的关联。研究了化学强化铝硅酸盐玻璃表面裂纹萌生及扩展行为。发展了化学强化铝硅酸盐玻璃基于立方角压头的表面裂纹萌生驱动力计算模型，首次给出了适用于立方角压头的裂纹形状参数。揭示了化学强化铝硅酸盐玻璃的应力弛豫行为。首次阐明了化学强化铝硅酸盐玻璃的亚临界裂纹扩展行为，并对化学强化铝硅酸盐玻璃的寿命进行了预测。本项目的研究成果为设计和优化化学强化铝硅酸盐玻璃的强度，提高风挡玻璃服役寿命提供了理论和技术基础。