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航空与航天设备 |
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航空用特种橡胶密封型材发展趋势 |
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作者：西北橡胶塑料研究设计院 雷海军 翟广阳 |
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行业技术状况
型材基本结构
航空用特种橡胶密封型材形状各异，根据其密封形式，可分为压缩式密封和充气式密封两种。
压缩式橡胶密封带利用橡胶断面凸起点和橡胶压缩时回弹所产生的应力来实现密封，主要应用在大型客机等领域。
优点：对橡胶材料的压缩回弹性提出很高要求。其密封的断面结构形式多样，只与所要求密封的门体有联系，而与飞机的其他机构关联度不大，相对独立性强。
缺点：长期多次使用后会受到橡胶材料的老化而引起的应力松弛的影响，密封效果会逐渐变差，同时在低温时会因为橡胶的低温回弹性差出现密封泄露的问题。
充气式橡胶密封带利用中空全封闭的腔体充满气体，通过气体产生的膨胀压力实现橡胶面与门体的接触密封，密封断面主要是中空全封闭的闭合结构，主要应用在战斗机等领域。
大型密封舱门与舱口之间的间隙，由于受加工、装配精度的影响，或受环境温度变化而产生热胀冷缩变形，致使其需要密封的间隙也不一致，或者说是变化的，其变化范围一般在3mm以上，甚至达10mm以上，采用普通密封条难以达到理想的密封效果。在这种情形下，就需要一种能随密封间隙变化的密封制品。充气密封就是为了满足这种需要而研究成功的一种新技术。
优点：相对压缩式橡胶密封带，对材料本身的压缩性能要求没那么高，主要利用充入的气体压力来调节密封效果，补充橡胶材料因长时间使用产生的应力松弛，实现始终如一的密封效果，也不会出现在低温时因为橡胶的低温回弹性差出现密封泄露的问题，相对可靠性密封效果高。
缺点：由于其充气密封的工作特点，对于密封带整体的气密性有很高的要求，密封带任何细小部位的缺陷都会引起气体的泄露而导致整体密封效能的下降，严重的甚至引起密封失效的重大事故；与飞机的其他机构关联度很大，维修复杂。
压缩式橡胶密封带断面典型结构图
型材设计
国航空用特种橡胶密封型材多数先进企业已成功推广应用了CAD/CATIA等设计软件。
新设计的密封型材更注重功能性要求，由以前的海绵橡胶密封型材、实心橡胶密封型材向复合橡胶密封条转变，涉及多种橡胶复合密封型材、金属骨架与多种橡胶复合密封型材和橡胶与塑料复合密封型材等。在一些较新的型号设计中，甚至出现了变截面结构的复合橡胶密封型材、功能性复合橡胶密封型材新结构形式。
通过PROE/CATIA等的引入，设计的产品参数可直接输入到数控加工中心，用于型材模具的设计和加工。
充气式橡胶密封带断面典型结构图
型材成型加工
航空用特种橡胶密封型材成型加工主要有使用材料广泛、结构复杂、成型困难等几大挑战。
航空用特种橡胶密封型材使用的材料包括海绵材质、纯橡胶材质、复合橡胶材料、金属橡胶复合、多种材料复合等特点。不同材料的收缩特性差异，界面间的结合力、相容性等问题，使多材料的共成型十分困难。
从航空用特种橡胶密封型材的使用环境看，往往设计出的型材断面和整体尺寸跨度很大。小到断面1mm的口盖密封型材，大的形如登机门货舱门密封型材往往能达到10多米；断面简单的如条形密封型材，复杂的如变截面密封型材。
为了生产变截面结构的橡胶密封型材，有企业引进欧洲的专利成型技术和设备。其原理主要是送料端和截切端，通过金属骨架共同向微机输入信号，由微机输出信号控制口模处的气缸动作，由其运动多瓣口模走向进行变截面的密封条挤出生产。简单的变截面也可采用机械方法或用其他自动化控制方法控制多瓣模或切割刀具的动作完成变截面型材的挤出成型。
从航空用特种橡胶密封型材设计的结构上看，很多型材都是中空全闭合结构，并且复合有织物材料或者金属骨架材料，成型十分困难。有企业通过采用专利成型技术，在中空全闭合结构的外层织物实现了整体包裹织物，织物没有接头和搭接处，密封型材表面光滑、尺寸一致性好。
型材材质
中国航空用特种橡胶密封型材所使用的橡胶材料已由以前广泛使用的丁腈橡胶向硅橡胶、氟硅橡胶、功能性橡胶材料方向转变。
目前中国航空用特种橡胶密封型材使用的各类密封型材中以丁腈橡胶与氯丁橡胶并用应用最为广泛。并用橡胶虽然具有良好的强度和优秀的耐油性能，但是其不耐阳光照射，加工出的橡胶型材在飞行环境下使用一段时间后往往出现龟裂现象，型材的使用寿命和使用安全性都大打折扣。
欧美等国家新设计的各类飞行器多使用硅橡胶作为其航空用特种橡胶密封型材的主体材料。硅橡胶耐温域性能优良、同时耐天候老化性能也优于丁腈橡胶等材料，但是其强度较低，同时不具备阻燃等要求。为了改善硅橡胶密封型材的强度和耐磨性，其使用时多和织物材料复合使用。
航空器上的大多部件都有耐燃烧的要求，硅橡胶需要在材料配合时加入各类阻燃剂以使加工的密封型材达到耐燃烧的要求。过去广泛使用的阻燃剂有氢氧化铝，十溴联苯醚等，氢氧化铝作为后效型阻燃剂，需要很大的填充量才能达到较好的阻燃效果，会严重破坏填充材料的机械性能。十溴联苯醚作为含卤阻燃剂效果优良，但是其燃烧时释放有毒气体难以满足现在的航空业环保要求。
为了满足各项要求，国内企业使用复合材料来改善硅橡胶型材的阻燃性能，通过使用新型高效的铂系阻燃剂来达到高效阻燃和环保的双重要求。据文献介绍，国外已经开发研制出新型的反应型阻燃剂，只需很少的用量就能通过燃烧时的化学反应达到阻燃的效果。
针对航空发展的需要，新的航空用特种橡胶密封型材甚至要求具有电磁屏蔽、耐超高温、导热、抗烧蚀等特殊要求。
适航要求
航空用特种橡胶密封型材的使用环境决定了其与其他橡胶密封型材如汽车用密封型材、设备用密封型材、航天用密封型材的不同。其对于安全的高要求和反复使用的特性决定了航空用特种橡胶密封型材必须满足适航性的各类要求。
以往的航空用特种橡胶密封型材从设计到生产和使用过程都没引入适航要求和适航理念。随着技术的不断进步和人们对自身认知的进步，人们对航空航行的安全性要求不断提高，适航要求和适航理念被严格要求贯彻于产品的设计和生产过程中。适航性简单通俗的说就是各类产品必须具备适于航空使用的各项性能要求。以航空用特种橡胶密封型材为例，首先是橡胶密封型材设计时对产品功能性设计要能满足实际的使用环境，其次是橡胶密封型材生产时各项工艺设计和控制必须有效合理，对于材料、生产工艺、产品检测过程必须符合各类控制文件的要求，最后生产出的产品进行各项试验必须满足飞行环境要求。考虑到飞行器的飞行环境复杂性，必须进行各项试验以确保产品能达到设计要求并满足飞行器实际使用要求。
国外的适航要求和适航理念建立较早。欧美国家的各类飞行器使用的航空用特种橡胶密封型材都必须获得适航局的认可才能最后装机使用，国内的航空用特种橡胶密封型材产品若要出口，也必须经过适航局的各种审查。目前国内一些航空用特种橡胶密封型材生产企业已经开始引入适航理念，从密封型材的设计、生产，到试验过程严格按照适航局的要求开展，确保生产出的产品能满足适航要求。
国内外技术差距
材料研究方面
国内材料更新换代缓慢，急需研制一些具有先进特殊性能的新功能材料；缺少系列化、通用化的研究和开发工作；因研究经费不足，受需求、研究周期较短的影响，有的只解决了产品的有无问题，没有进行深入系统的基础材料研究工作，对于材料的标准化、系列化研究比较薄弱。国外先进国家对材料的研发已形成标准化和系列化，密封材料的升级换代紧随着机械装备的需求同步发展，甚至还带动着装备的发展。
产品设计方面
国内多数先进企业已成功推广应用了PROE/CATIA等设计软件。利用专业设计软件针对不同型材的应用部位和使用条件要求，从型材的密封结构设计、断面选取、三维立体尺寸、使用形态模拟等方面进行综合设计。
但是我们的型材设计经验有限，并且多数偏重的是应用性研究，缺少对材料性能与产品结构参数、产品结构参数之间、结构与使用条件之间的关联性基础研究。设计型材产品往往不能一次满足使用要求。
成品性能试验与评价
成品性能测试是评价配方、产品结构参数设计合理与否以及成品性能的重要手段，中国橡胶制品行业由于受技术、资金等的限制，一直未将成品性能试验放在应有的位置，使得在研发能力和技术创新方面远远落后于发达国家。国内近年来各类型号的配套研制较多，但缺少对航空用特种橡胶密封型材的产品性能检测手段和设备，只能进行部分产品或试样的各种测试，不能真实反映产品在使用中的状态和实际工况对产品性能的影响。
针对与国外先进企业和技术的差距，国内应该建立一个从材料到设计、加工、制造、检测的行业体系，组织设立由材料、设备、模具、用户、科研院所共同组成的合作攻关团队，深入贯彻适航理念，以产品研制配套促进基础研究，来推动整个行业的持续发展和提高。 (end)
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(12/17/2012) |
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