歐陽飛，黃雪萍，吳 濤，林奇輝，何飛德

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002）

橡膠具有耐高溫、耐油、耐老化、耐多種化學藥品侵蝕的特性[1-4]，可制作成密封環(huán)、O形密封圈等零件，主要用于封氣、封油、減震等。氟橡膠具有優(yōu)良的特性，應用范圍越來越廣泛，其能在200 ℃下長期工作，在250 ℃下短時間工作，在航空航天領域應用居多[5]。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)，氟橡膠密封件在一定介質中工作，遇到高溫后會出現(xiàn)因溶脹、變形大、撕裂強度低而導致密封失效的現(xiàn)象[6]。隨著技術的發(fā)展，新型航空發(fā)動機對氟橡膠材料在高溫下的綜合性能有了更高的要求，所以有必要對氟橡膠的高溫性能進行全方位了解，以便為航空發(fā)動機橡膠材料的選型和零件的失效分析提供依據(jù)。

全世界航空器發(fā)生的各類故障中有40%～60%與橡膠材料有關，而其中大部分是由于橡膠材料的老化造成的。橡膠老化后性能的變化與熱量、氧氣、應力、介質和接觸的金屬材料有關，其中熱量和氧氣是主要原因[7-8]。因此，對橡膠材料的耐熱老化性能進行研究，評估其使用壽命對降低飛機的故障率、保障飛行安全有著重要的意義[9]?，F(xiàn)階段航空發(fā)動機用橡膠制品的貯存壽命控制主要根據(jù)橡膠材料的種類進行區(qū)分，根據(jù)不同材料的特性給出不同的貯存壽命推薦值，但未細化到不同牌號的橡膠在不同溫度、介質及受力環(huán)境下的壽命。

本工作結合橡膠密封件的實際工況，研究氟橡膠和氟醚橡膠的老化情況，分析高溫下橡膠樣品的壓縮永久變形隨時間的變化（即熱空氣老化壽命）[10]，利用阿倫尼烏斯方程[11]擬合壓縮永久變形性能變化與時間和溫度的關系，得到橡膠樣品在常溫下的貯存壽命，并建立壽命預測模型[12-13]，為選擇合適的航空發(fā)動機用橡膠材料提供有效依據(jù)。

1 實驗

1.1 原材料

氟橡膠，牌號FX-17；氟醚橡膠，牌號FM-1，中國航發(fā)北京航空材料研究院產品。

1.2 主要設備和儀器

LR016型老化試驗箱，重慶銀河試驗儀器有限公司產品；專用夾具[14]（見圖1）；測厚儀，營口市材料試驗機有限公司產品。

圖1 壓縮永久變形試驗專用夾具

1.3 測試方法

（1）根據(jù)GB/T 7759.1—2015《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓縮永久變形的測定 第1部分：在常溫及高溫條件下》[15]，進行橡膠樣品在高溫恒定形變下的壓縮永久變形對比研究。

（2）按照GJB 92.2—1986《熱空氣老化法測定硫化橡膠貯存性能導則 第二部分：統(tǒng)計方法》[16]中的模型2對試驗數(shù)據(jù)進行處理。

2 結果與討論

2.1 數(shù)據(jù)模型分析

根據(jù) GJB 92.2—1986，選取指數(shù)衰減模型

肛瘺切開術及肛瘺切除術曾被認為是治療肛瘺的最基本術式，基本理念為徹底清除病灶[2]。美國結腸和直腸外科醫(yī)師學會(American Society of Colon and Rectal Surgeons，ASCRS)制定的最新版肛瘺臨床診治指南認為，肛瘺切開術是治療單純性肛瘺的有效方法，推薦等級為1B，可確切治愈瘺管但可損傷肛門括約肌，故可導致大便失禁[3]。肛瘺切除術同樣具有治療的徹底性，但恢復時間較長，亦有術后大便失禁的風險。這兩種術式適用于低位或單純性肛瘺，在治療較高位或復雜肛瘺時，需聯(lián)合其他手術方式。

式中，P為性能變化指標，對抗壓縮永久變形性能而言，P＝1－ε，ε為壓縮永久變形率；t為老化時間，d；K為與溫度有關的性能變化速度常數(shù)，d-1；A為常數(shù)；α為修正系數(shù)。

阿倫尼烏斯方程如下

式中，Z為頻率因子，d-1；E為表觀活化能，J·mol-1；R為氣體常數(shù)，J·K-1·mol-1；T為絕對溫度，K。

利用式（1）對壓縮永久變形和老化時間進行回歸擬合，通過式（3）得到K與T的關系，求得一定溫度下K值，代入式（1）得到貯存壽命。

2.2 α取值的確定

根據(jù)安全性分析測量結果可以確定，氟橡膠FX-17和氟醚橡膠FM-1耐長期加熱穩(wěn)定的最高溫度為250 ℃。選取4個老化溫度，分別為250，200，180和160 ℃，在這4個溫度下測試試樣的壓縮永久變形，結果如表1所示。

表1 不同老化溫度下橡膠的壓縮永久變形

采用逐次逼近法嘗試確定α，逼近的準則是α處于0～1范圍內并精確到小數(shù)點后兩位時，使I（逐次逼近法過程計算常數(shù)）最小。

式中，Pij和分別為第i個老化試驗溫度下，第j個測試點的性能變化指標試驗值和預測值。

2.3 擬合計算

2.3.1 氟橡膠FX-17

對式（1）進行變化，令X＝tα，Y＝lnP，a＝lnA，b＝－K，則Y＝a＋bX。氟橡膠FX-17的lnP與tα關系如圖2所示。

圖2 氟橡膠FX-17的ln P與tα 關系

進行數(shù)據(jù)處理后可得到各老化溫度下的a，b，K和線性相關因數(shù)（r），如表2所示。

表2 氟橡膠FX-17在不同老化溫度下的擬合參數(shù)

根據(jù)表2中的a值可推算出老化溫度為250，220，180和160 ℃時式（1）中的A分別為0.942 9，0.995 7，0.920 7和0.884 1，并計算得到氟橡膠FX-17的A估計值為0.947 9。

回歸分析后對lnK與1/T進行直線擬合，結果見圖3。

圖3 氟橡膠FX-17的ln K與1/T直線擬合結果

得到擬合公式為

當貯存溫度為28 ℃時，計算得到K＝7.977×10-4。將A，K和α取值代入式（1）可得

特種備件一般要求保存過程中性能下降不大于10%。當P為0.9時，可計算得出氟橡膠FX-17能在28 ℃條件下貯存8.3年。

2.3.2 氟醚橡膠FM-1

用相同的方法對氟醚橡膠FM-1進行擬合計算，lnP與tα關系如圖4所示。數(shù)據(jù)處理后，計算得到氟醚橡膠FM-1的A估計值為0.913 5。

圖4 氟醚橡膠FM-1的ln P與tα 關系

對lnK與1/T進行直線擬合，見圖5。

圖5 氟醚橡膠FM-1的ln K與1/T直線擬合結果

得到擬合公式為

當貯存溫度為28 ℃時，計算得到K＝1.198 2×10-5。

將A，K和α取值代入式（1）可得

當P為0.9時，可計算得出氟醚橡膠FM-1能在28 ℃條件下貯存20.1年。

3 結論

由兩種橡膠的數(shù)據(jù)處理結果可以得出，試驗結果具有較好的線性關系和相關性。氟橡膠FX-17 和氟醚橡膠FM-1 的壓縮永久變形性能變化與老化時間的動力學方程分別為當試驗件的P為0.9時，氟橡膠FX-17能在28 ℃下貯存8.3年，而氟醚橡膠FM-1能在28 ℃下貯存20.1年。在相同條件下，氟醚橡膠FM-1的貯存時間比氟橡膠FX-17要長，說明氟醚橡膠在長時間貯存情況下能有更好的形變保持率。

熱空氣老化法的深入研究和應用對裝備可靠性的提高和裝備的維護具有重要意義。建立橡膠材料的壽命預測模型數(shù)據(jù)庫，使其能夠合理預測橡膠材料的使用壽命，并指導橡膠新品的研發(fā)和應用。