陸 明，安曉鵬，龐 博，蒙美玉，王 珍，劉金嶺

(1 中國航發(fā)北京航空材料研究院 橡膠密封研究所,北京 100095；2 高性能氟材料國防科技工業(yè)創(chuàng)新中心，北京 100095；3 北京航空材料研究院股份有限公司 橡膠與密封事業(yè)部,北京 100095)

液壓系統(tǒng)是航空裝備中關(guān)乎飛行安全的的重要系統(tǒng)之一，用于飛行控制、起落裝置等多個重要部件[1]。 航空液壓系統(tǒng)介質(zhì)密封廣泛使用多種橡膠材料，相關(guān)橡膠密封制件的性能直接影響航空裝備的可靠性[2]。目前，在石油基液壓油介質(zhì)系統(tǒng)中使用的橡膠材料種類主要有丁腈橡膠、氟醚橡膠、氟硅橡膠等[3-5]。 本項工作對上述幾種材料的基礎(chǔ)物理力學(xué)性能、低溫性能、高溫性能等方面進(jìn)行了比較，進(jìn)而研究了幾種橡膠材料對于航空石油基液壓介質(zhì)密封的適應(yīng)性。

1 實驗部分

1.1 原料

NBR 5176S丁腈橡膠、FM-1D氟醚橡膠、FS 6265氟硅橡膠，北京航空材料研究院股份有限公司產(chǎn)品；YH-15航空液壓油，中國石油玉門油田公司煉油化工總廠產(chǎn)品。

1.2 儀器設(shè)備

平板硫化機(jī)：TYC-V-7-2RT-2-S-PCD型，東毓（寧波）油壓工業(yè)有限公司；高溫試驗箱：WG4501型，重慶銀河試驗儀器有限公司；電子萬能試驗機(jī)：CTM4104型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；橡膠硬度計：LX-A型，上海市輕工業(yè)局標(biāo)準(zhǔn)計量管理所試驗工廠；差示掃描量熱儀：DSC 3型，Mettler-Toledo公司；壓縮耐寒系數(shù)測試儀，GT-7006-VR型，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司；低溫回縮試驗儀：低溫型，Gibitre Instrument公司；壓縮應(yīng)力松弛儀：EB 22HT型，Elastocon AB公司。

1.3 試樣制備

按照相關(guān)膠料硫化工藝要求，通過模壓硫化方式制備性能各項檢測試樣；在平板硫化機(jī)上進(jìn)行一段硫化，在高溫試驗箱中進(jìn)行二段硫化，硫化參數(shù)按照相關(guān)材料的硫化工藝進(jìn)行。

1.4 性能測試

邵A硬度按GB/T 531.1-2008進(jìn)行；100%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率按GB/T 528-2009進(jìn)行；耐介質(zhì)性能按GB/T 1690-2010進(jìn)行；壓縮耐寒系數(shù)按HG/T 3866-2008進(jìn)行；低溫回縮性能按GB/T 7758-2002進(jìn)行；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度采用DSC方法測定，升溫速率為10℃/min；壓縮應(yīng)力松弛按ASTM D6147-97(2014)方法A進(jìn)行，試驗溫度150℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 幾種橡膠的基礎(chǔ)物理力學(xué)性能比較

NBR 5176S、FM-1D、FS 6265幾種膠料的基礎(chǔ)物理力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表1。由表1數(shù)據(jù)可以看到，與丁腈橡膠和氟醚橡膠相比，F(xiàn)S 6265氟硅橡膠的模量（通常以100%定伸應(yīng)力表征）和硬度等機(jī)械性能較低，這也是FS 6265氟硅橡膠較少用于動密封工況的原因；而在YH-15液壓油介質(zhì)中，與丁腈橡膠和氟硅橡膠相比，F(xiàn)M-1D氟醚橡膠的體積變化率較小，對YH-15介質(zhì)的耐受性能最好，而NBR 5176S丁腈橡膠在YH-15液壓油中則出現(xiàn)較大程度的體積變化，對密封穩(wěn)定性不利。

表1 幾種橡膠的基礎(chǔ)物理力學(xué)性能數(shù)據(jù)測試值Table 1 Physical and mechanical properties comparison of rubbers

2.2 幾種橡膠的低溫性能比較

圖1中通過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、壓縮耐寒系數(shù)、低溫回縮溫度（TR）等手段比較了幾種橡膠的低溫性能。

圖1 幾種橡膠的低溫性能比較Fig.1 Low temperature properties comparison of rubbers

由圖1可以看到，F(xiàn)M-1D氟醚橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間在-40℃附近，在-50℃以下FM-1D氟醚橡膠基本失去回彈能力；NBR 5176S丁腈橡膠在-55℃下仍有輕微的回彈能力；而FS 6265氟硅橡膠的低溫性能最好，在-55℃仍具有較好的回彈能力，甚至在-55℃以下更低溫度仍能具有一定回彈性。在-55℃低溫性能上，F(xiàn)S 6265氟硅橡膠材料低溫性能優(yōu)勢較為明顯。

2.3 幾種橡膠的高溫性能比較

圖2中通過150℃下的壓縮應(yīng)力松弛試驗比較了幾種橡膠材料的耐高溫性能。由圖中可以看到，F(xiàn)M-1D氟醚橡膠對于150℃高溫具有優(yōu)異的耐受性，其壓縮彈性力在較長時間內(nèi)損失較少；NBR 5176S丁腈橡膠在150℃高溫下的壓縮彈性力短時間內(nèi)即出現(xiàn)較大幅度的衰減，隨后衰減速率有所降低，表明丁腈橡膠對150℃高溫的耐受性較差；FS 6265氟硅橡膠在150℃高溫下的壓縮彈性力出現(xiàn)輕微衰減，隨后在較高水平下得到保持，表明氟硅橡膠對150℃高溫具有較好的耐受性。

圖2 幾種橡膠的高溫性能比較(壓縮應(yīng)力松弛，150℃， 20%壓縮率)Fig.2 High temperature properties comparison of rubbers(CSR at 150℃, 20% compressed)

2.4 幾種橡膠對航空液壓密封適應(yīng)性的討論

綜合NBR 5176S丁腈橡膠、FM-1D氟醚橡膠和FS 6265氟硅橡膠幾種橡膠的性能比較，F(xiàn)M-1D氟醚橡膠的特點(diǎn)是力學(xué)性能、耐介質(zhì)性能和耐高溫老化性能優(yōu)異，但在-50℃以下基本沒有回彈性，低溫性能略有欠缺；NBR 5176S丁腈橡膠的特點(diǎn)是力學(xué)性能和低溫性能較好，但在YH-15液壓油中體積膨脹率較大，對150℃高溫的耐受性較差；FS 6265氟硅橡膠的特點(diǎn)是耐-55℃低溫性能優(yōu)異，耐150℃高溫性能和耐YH-15液壓油性能較好，但模量、硬度等力學(xué)性能較低。

結(jié)合航空液壓系統(tǒng)典型工況中的液壓油介質(zhì)環(huán)境，-55～150 ℃工作溫度、0～28 MPa壓力范圍等條件要求[6]，對石油基航空液壓系統(tǒng)密封性能而言，丁腈橡膠、氟醚橡膠和氟硅橡膠幾種橡膠對于石油基航空液壓密封適應(yīng)性討論如下。

（1）目前現(xiàn)有低溫等級的氟醚橡膠（FM-1D等）在低溫性能方面略有不足，前期應(yīng)用過程中在低溫（-55℃）高壓（28MPa）工況下出現(xiàn)過滲漏情況（通過增大密封圈壓縮率有所改善）；在中低壓（21MPa及以下）工況下，F(xiàn)M-1D氟醚橡膠在-55℃低溫下仍能有效保持密封性能。與其他材料相比，氟醚橡膠在耐介質(zhì)和耐高溫等方面的優(yōu)勢明顯，可以顯著提升相關(guān)橡膠密封產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。更低溫度等級的氟醚橡膠正在研發(fā)中，后續(xù)將有望進(jìn)一步改善氟醚橡膠在-55℃及以下溫度的低溫性能，提升氟醚橡膠密封件高低溫域全壽命期內(nèi)的密封可靠性。

（2）NBR 5176S丁腈橡膠基本能夠滿足-55℃、28MPa的低溫密封要求，但丁腈橡膠在耐介質(zhì)性能、高溫性能和老化壽命方面有一定短板，對于長壽命有要求的液壓密封工況而言力有不及，提升空間有限。與目前低溫等級的氟醚橡膠相較而言，丁腈橡膠在低溫性能方面還有一定優(yōu)勢。

（3）綜合耐介質(zhì)和高低溫性能來看，氟硅橡膠在航空液壓系統(tǒng)工況條件內(nèi)具有較好的適應(yīng)性，但其力學(xué)性能無法直接用于動密封。盡管氟硅橡膠本身模量、強(qiáng)度等力學(xué)性能不高，不適合單獨(dú)用于動密封工況；但在一些新型橡塑組合式密封結(jié)構(gòu)下，氟硅橡膠可以作為施力元件使用，外側(cè)有塑料滑環(huán)參與密封表面運(yùn)動，氟硅橡膠施力元件不直接參與對偶面的相對運(yùn)動，因此動密封對偶面上的運(yùn)動不會造成氟硅橡膠施力元件的直接機(jī)械損傷。前期研究結(jié)果驗證在這種組合式結(jié)構(gòu)下氟硅橡膠與氟塑料組合的密封結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)液壓系統(tǒng)-55℃、28MPa工況下的良好動密封。根據(jù)現(xiàn)階段幾種橡膠材料特性狀態(tài)，以氟硅橡膠為主體材料作為施力元件的組合式密封結(jié)構(gòu)可以為航空液壓系統(tǒng)動密封提供一種較可靠的密封技術(shù)方案，在高低溫性能、耐介質(zhì)性能、壽命與可靠性等方面取得平衡。

3 結(jié)論

氟醚橡膠在力學(xué)性能、耐介質(zhì)性能和耐高溫老化性能等方面具有突出優(yōu)勢，可以顯著提升航空液壓系統(tǒng)相關(guān)橡膠密封產(chǎn)品的使用壽命和可靠性，但目前低溫等級的氟醚橡膠（FM-1D等）在-55℃低溫下的彈性不足，更低溫度等級的氟醚橡膠仍在研發(fā)中。低溫型丁腈橡膠（NBR 5176S）在-55℃低溫下具有一定彈性，低溫性能較目前低溫等級的氟醚橡膠略有優(yōu)勢，但在耐介質(zhì)性能和耐老化性能等方面存在短板且提升調(diào)整空間有限。氟硅橡膠（FS6265）在高低溫性能、耐介質(zhì)性能、壽命等方面綜合性能較優(yōu)，在配合塑料滑環(huán)部件的組合式密封結(jié)構(gòu)下作為施力元件，可以為航空液壓系統(tǒng)動密封提供一種較可靠的密封方案。