我國(guó)航空用橡膠型材的發(fā)展?fàn)顩r

雷海軍

（西北橡膠塑料研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 咸陽 712023）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航空運(yùn)輸以其安全、高效的特點(diǎn)越來越受青睞。我國(guó)民用航空業(yè)也迎來了黃金發(fā)展期，預(yù)計(jì)到2018年，我國(guó)民用航空飛機(jī)每年起降量將達(dá)1040萬架次，運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量達(dá)到990億t·km，旅客運(yùn)輸量4.5億人次，貨郵運(yùn)輸量960萬t。伴隨著民用航空業(yè)的發(fā)展，作為其載體的民用飛機(jī)需求量日益增大，對(duì)飛機(jī)性能與壽命的要求更加嚴(yán)格。飛機(jī)的密封性能一直是飛機(jī)使用安全性能和可靠性能的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)有效的橡膠型材結(jié)構(gòu)并研制適宜的橡膠材料一直是飛機(jī)用密封制品的研究重點(diǎn)。

我國(guó)航空用橡膠型材的研制與我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程一致，都經(jīng)歷了由全盤引進(jìn)、仿制到獨(dú)立制造的漫長(zhǎng)過程。我國(guó)航空用橡膠型材的橡膠材料已經(jīng)由仿制發(fā)展到自主研制，目前已達(dá)到歐美通用航空標(biāo)準(zhǔn)；橡膠型材的結(jié)構(gòu)由全盤照搬國(guó)外技術(shù)發(fā)展到了自主計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

本文以我院在航空用橡膠型材領(lǐng)域的研制和配套發(fā)展反映我國(guó)航空用橡膠型材的發(fā)展。

1 航空用橡膠型材分類

航空用橡膠型材主要為密封型材。航空用橡膠密封型材種類繁雜，其材料、形狀、結(jié)構(gòu)各異，按密封形式可分為壓縮式和充氣式2種。

壓縮式橡膠密封型材利用斷面凸起點(diǎn)和橡膠壓縮回彈所產(chǎn)生的應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)密封。飛機(jī)門體壓縮式密封橡膠型材的密封斷面結(jié)構(gòu)多樣，密封性能只與密封門體有關(guān)，與飛機(jī)其他部件關(guān)聯(lián)不大，相對(duì)獨(dú)立性強(qiáng)；但經(jīng)多次使用后，因橡膠材料老化而產(chǎn)生應(yīng)力松弛，密封性能逐漸變差，同時(shí)在低溫時(shí)因橡膠材料的低溫彈性差而出現(xiàn)密封失效。壓縮式橡膠密封型材對(duì)配合結(jié)構(gòu)要求簡(jiǎn)單，是目前使用較廣泛的密封型材。

充氣式橡膠密封型材利用全封閉的中空腔體充滿氣體，通過氣體的膨脹壓力實(shí)現(xiàn)橡膠與門體的接觸密封，密封斷面主要為全封閉的閉合結(jié)構(gòu)。與壓縮式橡膠密封型材相比，充氣式橡膠密封型材對(duì)橡膠材料的壓縮彈性要求較低，主要利用充入氣體的壓力來調(diào)節(jié)密封性能，補(bǔ)充橡膠材料長(zhǎng)時(shí)間使用產(chǎn)生的應(yīng)力松弛，實(shí)現(xiàn)始終如一的密封效果，不會(huì)出現(xiàn)因橡膠材料低溫彈性差而造成的密封失效問題，其密封可靠性相對(duì)較好。但充氣式橡膠密封型材也存在缺點(diǎn)：由于充氣密封技術(shù)對(duì)密封型材的整體氣密性要求很高，任何部位的細(xì)小缺陷都會(huì)引起氣體泄漏，從而導(dǎo)致整體密封性能下降，甚至引起密封失效；密封型材與飛機(jī)其他部件的關(guān)聯(lián)很大，維修也較復(fù)雜。

飛機(jī)不同部件的航空用橡膠密封型材的功能和特性有很大區(qū)別。

（1）門窗用氣密性型材。飛機(jī)門窗部位有增壓和密封要求，該部位的橡膠型材需滿足飛機(jī)整體的氣密性，由硅橡膠材料與復(fù)合織物復(fù)合制成，以增強(qiáng)型材表面的耐磨性能。空客飛機(jī)的門窗橡膠密封型材斷面大多為空心復(fù)合式結(jié)構(gòu)（P形及其變形結(jié)構(gòu)），波音飛機(jī)的門窗橡膠密封型材斷面大多為實(shí)心復(fù)合式結(jié)構(gòu)（L形及其變形結(jié)構(gòu)）。

（2）機(jī)身口蓋防水型材。遍布飛機(jī)機(jī)身的各類檢查口需要防水、防塵。這類橡膠型材的橡膠材料以硅橡膠或其并用體系為主體材料，產(chǎn)品斷面為鋸齒形結(jié)構(gòu)，可通過對(duì)口蓋縫隙的填充達(dá)到防水、防塵的密封要求。

（3）整流罩與翼面耐磨型材。整流罩與翼面是飛機(jī)上密封型材最多的兩類部件。為了調(diào)節(jié)飛機(jī)表面的氣流狀況，機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼、機(jī)尾遍布各種整流罩；飛機(jī)上動(dòng)作最頻繁的部件為活動(dòng)翼面。這兩類部件對(duì)橡膠型材的要求是耐磨和減震，橡膠型材由硅橡膠材料與多層織物或鋁合金板材復(fù)合而成，以提高型材的強(qiáng)度和耐磨性能，型材斷面大多為P形、勺形和特殊形狀。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)耐溫防火型材。根據(jù)適航規(guī)定，發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)使用的型材需滿足防火和耐高溫的要求，該區(qū)橡膠型材多用阻燃或防火橡膠材料與玻璃纖維復(fù)合制成，以提高防火和耐溫性能，型材斷面大多為P形。

（5）耐油密封型材。飛機(jī)的液壓系統(tǒng)、郵箱口蓋等部位對(duì)密封型材的要求主要是耐油和密封，這類橡膠型材為氟硅橡膠材料，純膠可以滿足其密封和耐油需求[1]，型材斷面大多為凸字形。

2 我國(guó)航空用橡膠型材行業(yè)存在的問題

經(jīng)過多年發(fā)展，國(guó)外航空用橡膠型材行業(yè)建立了一套完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，擁有了一批專業(yè)化的制造配套供應(yīng)商，在型材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，制造的各類型材經(jīng)過了波音、空客等百余種機(jī)型的實(shí)際飛行檢驗(yàn)，更重要的是在適航性的符合性檢驗(yàn)方面積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

國(guó)內(nèi)航空用橡膠型材研制起步較晚，制約行業(yè)發(fā)展的因素主要有3點(diǎn)。

一是我國(guó)相關(guān)橡膠材料更新?lián)Q代緩慢，未形成一套完備的航空用橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)體系。目前我國(guó)缺乏系列化、通用化的型材橡膠材料研究和開發(fā)體系；受研究經(jīng)費(fèi)不足、科研周期較短、需求小的影響，大部分企業(yè)只解決了材料和產(chǎn)品有無的問題，并沒有進(jìn)行深入、系統(tǒng)的基礎(chǔ)材料研究工作，對(duì)材料的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化研究比較薄弱，而國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)材料的研發(fā)已形成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，還帶動(dòng)了裝備的發(fā)展。

二是由于經(jīng)驗(yàn)欠缺，我國(guó)在橡膠型材產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上仍存在諸多不足。我國(guó)多數(shù)橡膠型材配套企業(yè)已成功應(yīng)用了PROE和CATIA等設(shè)計(jì)軟件。針對(duì)橡膠型材應(yīng)用部位和使用條件的不同，利用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件從橡膠型材的密封結(jié)構(gòu)、選取斷面、三維立體尺寸、使用狀態(tài)等方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。由于經(jīng)驗(yàn)所限，目前我國(guó)橡膠型材的配套研制多偏重應(yīng)用研究，缺少對(duì)材料性能與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)之間、結(jié)構(gòu)與使用條件之間的關(guān)聯(lián)性基礎(chǔ)研究，因此設(shè)計(jì)出的橡膠型材產(chǎn)品往往不能一次滿足使用要求。

三是成品性能測(cè)試方法欠缺和測(cè)試有效性不佳。橡膠型材的成品性能測(cè)試是評(píng)價(jià)其選用的材料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否合理以及評(píng)價(jià)成品性能的重要手段。受技術(shù)、資金等限制，國(guó)內(nèi)對(duì)橡膠型材成品性能測(cè)試重視不足，研發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新水平遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。缺少橡膠型材成品性能的檢測(cè)手段和設(shè)備，就不能真實(shí)反映產(chǎn)品在使用中的狀態(tài)和實(shí)際工況對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

3 西北橡膠塑料研究設(shè)計(jì)院航空用橡膠型材研究進(jìn)展

我院作為密封橡膠制品專業(yè)的科研單位，自創(chuàng)立之初就在橡膠材料配方設(shè)計(jì)和材料標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)上走在行業(yè)前列。多年來我院承擔(dān)了大量航空配套項(xiàng)目，為我國(guó)航空工業(yè)研制了大量的橡膠型材，為運(yùn)7和運(yùn)8的研發(fā)以及伊爾-76和圖-154的維修先后研制出多種橡膠型材，積累了一定的航空用橡膠型材設(shè)計(jì)參數(shù)和成型技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。在國(guó)家大力發(fā)展自主航空技術(shù)研究的背景下，我院積極進(jìn)行了新舟60、新舟700、ARJ、C919、通用飛機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)等航空器的橡膠型材研制工作。

隨著航空業(yè)的不斷發(fā)展，目前普遍使用的橡膠密封型材暴露出許多缺點(diǎn)和問題：使用的橡膠材料硬度較大，制造的橡膠型材在艙門閉合時(shí)需要較大的關(guān)門力，可操控性和便捷性差；橡膠型材的耐天候老化性能較差，很多橡膠型材在飛機(jī)未出廠或交付后很短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)表面龜裂，對(duì)飛機(jī)的安全使用造成了隱患；橡膠型材的環(huán)境適應(yīng)性較差，飛機(jī)在高寒地區(qū)和熱帶地區(qū)橡膠型材的壽命大幅縮短；橡膠型材的結(jié)構(gòu)比較老舊，雖能滿足飛行要求，但是大部分產(chǎn)品存在不同程度的漏氣和滲水問題，對(duì)飛行舒適性與安全性造成很大影響。

為了解決航空用橡膠密封型材存在的問題，我院主要在以下幾個(gè)方面開展了研究工作。

（1）橡膠材料研制。目前橡膠密封型材主要的密封形式為壓縮密封，要求材料具有良好的壓縮回彈性[2]，同時(shí)考慮到飛行使用環(huán)境，要求選用的橡膠材料既具有良好的物理性能、耐高低溫性能，又具有阻燃性能、防水性能、防塵性能、減震性能。過去使用的俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)丁腈橡膠（牌號(hào)5860等）和氯丁橡膠耐天候性能較差，低溫柔順性中等，而硅橡膠在－60 ℃～＋200 ℃下可長(zhǎng)時(shí)間使用，且無毒無味、綠色環(huán)保，已被波音、空客公司作為新一代橡膠型材主體材料普遍使用[3]，因此我院采用硅橡膠制備航空用橡膠型材。

通過新舟60、大型運(yùn)輸機(jī)、ARJ21、C919相關(guān)項(xiàng)目的深入開展和系統(tǒng)研究，我院解決了硅橡膠材料在硬度、阻燃性能、強(qiáng)度性能、壓縮永久變形等方面的問題[4]，研制的多種新型型材橡膠材料均達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）織物選擇及其粘合性能研究。橡膠材料強(qiáng)度有限，且表面摩擦因數(shù)較大，在使用過程中表面磨損嚴(yán)重，影響密封效果，我院在飛機(jī)門窗密封型材中采用橡膠材料與織物復(fù)合方式來解決這一問題。硅橡膠材料與耐磨性能、耐天候老化性能良好的聚酯纖維復(fù)合，可以提高密封型材的耐磨性能；與高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合可以提高密封型材的強(qiáng)度和阻燃性能。對(duì)聚酯纖維進(jìn)行浸膠處理，可以提高橡膠材料與織物間的粘合強(qiáng)度。根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能不同，選擇摩擦因數(shù)和伸長(zhǎng)率適宜的織物可以滿足成型工藝需要，確保織物連續(xù)且無褶皺，密封橡膠型材性能穩(wěn)定、均一。

（3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了保證橡膠型材設(shè)計(jì)的有效性，首先通過產(chǎn)品應(yīng)力-應(yīng)變的有限元分析對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證[5]。其次，對(duì)產(chǎn)品外觀尺寸進(jìn)行測(cè)量，尤其是對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行多方位測(cè)量，并利用計(jì)量工裝對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。最后，利用工程生產(chǎn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，制造不同的試驗(yàn)樣件送主機(jī)廠進(jìn)行裝機(jī)考核，最終確定出適宜的動(dòng)態(tài)密封結(jié)構(gòu)形式。該設(shè)計(jì)技術(shù)在航空用橡膠型材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面已取得了多項(xiàng)技術(shù)專利。

（4）產(chǎn)品成型技術(shù)。由于飛機(jī)機(jī)體是一個(gè)復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，為了保證橡膠密封型材與各個(gè)口框的相對(duì)位置及安裝的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)中一般都采用達(dá)索公司的CATIA軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，橡膠密封型材數(shù)模截面如圖1所示。

圖1 航空用橡膠密封型材數(shù)模截面

與傳統(tǒng)密封制品不同，航空用橡膠型材的中軸線大多不在同一個(gè)平面上。如果按照立體結(jié)構(gòu)加工相應(yīng)的模具，成型成本極高且可操作性很差。為解決這一難題，我院結(jié)合多年的密封件成型經(jīng)驗(yàn)，利用橡膠材料在一定范圍內(nèi)可以隨意拉伸、扭曲、變形的特性，對(duì)設(shè)計(jì)的橡膠密封型材三維立體數(shù)模進(jìn)行轉(zhuǎn)化加工，在保證橡膠型材總輪廓尺寸不變的前提下，將其轉(zhuǎn)化為二維橡膠平面圖形，作為后續(xù)研究的參考標(biāo)準(zhǔn)。如果此過程中轉(zhuǎn)化的橡膠型材總輪廓尺寸偏大，橡膠型材安裝時(shí)易造成局部褶皺堆積，影響橡膠型材密封性能和使用壽命；如果總輪廓尺寸偏小，型材使用中則存在持續(xù)拉伸，也會(huì)影響密封可靠性和使用壽命。因此，將三維立體數(shù)模精確地轉(zhuǎn)化為二維平面圖形是密封型材成型加工的基準(zhǔn)和前提條件。通過在多個(gè)法平面的刨切組合，以及保證圓弧過渡段與直段部分的合理相切，最終保證三維數(shù)模與二維圖形的輪廓線誤差在0.5 mm以內(nèi)。

（5）設(shè)計(jì)驗(yàn)證。為保證橡膠密封型材滿足適航要求，需要對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性、功能可靠性和使用壽命進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于尺寸及形狀各異的飛橡膠密封型材，其驗(yàn)證是一大難點(diǎn)。

橡膠材料的老化速率常數(shù)（K）與溫度（T）的關(guān)系滿足阿雷尼烏斯公式K=Ae-Ea/RT。根據(jù)老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸計(jì)算，可確定K等參數(shù)，從而推算橡膠材料的失效年限。將計(jì)算所得的各個(gè)參數(shù)外推到常溫，即可得到常溫下的K，以及常溫下橡膠材料K隨時(shí)間的變化關(guān)系。本工作選取5個(gè)溫度對(duì)型材橡膠材料進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，橡膠材料K與T的關(guān)系見圖2，可以看出lnK與T-1呈線性關(guān)系。

圖2 橡膠材料K與T的關(guān)系

其次，通過專業(yè)試驗(yàn)設(shè)備，模擬橡膠密封型材的工作情況，對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)橡膠材料加速老化和模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。將2個(gè)步驟得到的數(shù)據(jù)綜合分析，互相驗(yàn)證，從而得出產(chǎn)品的使用壽命，以驗(yàn)證其是否滿足適航的可靠性要求。

（6）工程化生產(chǎn)。對(duì)于航空類產(chǎn)品，為其進(jìn)行配套生產(chǎn)的控制點(diǎn)之一就是符合適航的要求，保證產(chǎn)品的可追溯性和批次間的一致性。我院在生產(chǎn)和管理中按照AS 9100C的要求，加強(qiáng)了產(chǎn)品的過程控制，確保所有過程都有文件可依，并且嚴(yán)格按照文件的規(guī)定運(yùn)行。

4 航空用橡膠型材的發(fā)展趨勢(shì)

以波音和空客兩大民用飛機(jī)公司為代表的飛機(jī)生產(chǎn)集團(tuán)，已形成一套完整的民用飛機(jī)大型橡膠型材的橡膠材料選用系列和規(guī)范，并隨著新材料的開發(fā)和應(yīng)用不斷完善和補(bǔ)充；形成了完備的產(chǎn)品體系、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和工藝，同時(shí)具有完整的質(zhì)量控制體系和成品性能評(píng)價(jià)手段[6-7]。

4.1 橡膠材料配合技術(shù)和測(cè)試技術(shù)

現(xiàn)代航空業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)材料性能的要求越來越苛刻，對(duì)材料壽命的要求也越來越高。配套的橡膠密封型材應(yīng)具有耐高低溫、阻燃、環(huán)保等綜合性能。從而對(duì)橡膠材料配合技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的橡膠材料配合技術(shù)采用機(jī)械共混等較為簡(jiǎn)單的工藝，得到的橡膠材料性能穩(wěn)定性和均勻性都難以滿足航空用橡膠材料的性能要求。原位配合共混技術(shù)將材料的配合從宏觀擴(kuò)展到微觀，可以使橡膠基體與配合劑在反應(yīng)平衡的環(huán)境下更好的接枝、交聯(lián)，充分發(fā)揮各自性能，從而滿足未來航空業(yè)對(duì)高性能橡膠材料的要求。

傳統(tǒng)的橡膠材料性能測(cè)試只是進(jìn)行幾組單一的物理性能測(cè)試，然后理論分析其整體性能，對(duì)一些特殊的功能性要求不能提供合理和有效的數(shù)據(jù)支持。只有通過組合式的測(cè)試手段，對(duì)影響橡膠材料密封性能的因素進(jìn)行全面測(cè)試，才能有效反映出材料的真實(shí)性能。

4.2 產(chǎn)品成型可控技術(shù)

任何一種產(chǎn)品的成型都與材料自身的工藝性能關(guān)系密切。材料工藝性能好，可以用最小的能耗、最短的時(shí)間制備出外觀、尺寸、性能等綜合性能良好的產(chǎn)品。橡膠硫化成型一般分為模壓硫化、擠出預(yù)成型硫化、擠出連續(xù)微波硫化、硫化罐硫化成型，不同橡膠材料有各自適合的硫化成型方式，不同硫化成型方式有各自的優(yōu)點(diǎn)。

由于飛機(jī)機(jī)體是一個(gè)復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，所用橡膠密封型材為復(fù)雜的空間延伸結(jié)構(gòu)，并要根據(jù)功能要求選擇復(fù)合鋁板和織物，傳統(tǒng)的二維成型技術(shù)已經(jīng)滿足不了其生產(chǎn)要求，需要向三維立體成型技術(shù)發(fā)展，以滿足型材使用的密封可靠性。

4.3 產(chǎn)品疲勞分析

為保證航空用橡膠型材設(shè)計(jì)的有效性，確保產(chǎn)品使用過程中可以持續(xù)滿足最初的設(shè)計(jì)要求，可以利用有限元分析軟件對(duì)橡膠型材建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行疲勞分析。疲勞分析對(duì)橡膠密封型材的設(shè)計(jì)和改進(jìn)至關(guān)重要。疲勞分析中的載荷周期、型材材料、成型工藝等因素對(duì)疲勞分析結(jié)果影響很大，需要綜合考慮這些因素才能獲得更精確的分析結(jié)果，建立的數(shù)學(xué)模型也更接近實(shí)際使用情況。

4.4 性能一致性和使用壽命評(píng)價(jià)技術(shù)

為了使航空用橡膠型材滿足要求，必須建立一套性能一致性、使用壽命和成型專一性的評(píng)價(jià)技術(shù)。從原材料采購(gòu)、材料配合、材料混煉到制品硫化都應(yīng)該有唯一的標(biāo)識(shí)，使橡膠型材在各生產(chǎn)階段都有可追朔性，從而控制橡膠型材的性能一致性。必須真實(shí)地模擬橡膠型材使用工況，在相應(yīng)的環(huán)境下通過室溫等效原理模擬橡膠型材的使用狀況，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出更為可靠的橡膠型材使用壽命。

5 結(jié)語

近年來我國(guó)航空用橡膠型材研制取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但技術(shù)水平仍需大幅提高。我國(guó)航空用橡膠型材的研究和開發(fā)應(yīng)遵循適航理念，綜合考慮產(chǎn)品的功能性、可靠性和一致性，研制出耐天候老化性能好、對(duì)氣和水密封性能優(yōu)異、使用壽命長(zhǎng)的航空用橡膠型材，縮短我國(guó)與國(guó)外航空用橡膠型材技術(shù)的差距。