航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用橡膠的熱空氣老化研究

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(xué)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(yīng)用范圍越來越廣泛，其能在200 ℃下長(zhǎng)期工作，在250 ℃下短時(shí)間工作，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用居多[5]。但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，氟橡膠密封件在一定介質(zhì)中工作，遇到高溫后會(huì)出現(xiàn)因溶脹、變形大、撕裂強(qiáng)度低而導(dǎo)致密封失效的現(xiàn)象[6]。隨著技術(shù)的發(fā)展，新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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(duì)氟橡膠的高溫性能進(jìn)行全方位了解，以便為航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(guān)，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(yīng)力、介質(zhì)和接觸的金屬材料有關(guān)，其中熱量和氧氣是主要原因[7-8]。因此，對(duì)橡膠材料的耐熱老化性能進(jìn)行研究，評(píng)估其使用壽命對(duì)降低飛機(jī)的故障率、保障飛行安全有著重要的意義[9]。現(xiàn)階段航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(xì)化到不同牌號(hào)的橡膠在不同溫度、介質(zhì)及受力環(huán)境下的壽命。

本工作結(jié)合橡膠密封件的實(shí)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(shí)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(shí)間和溫度的關(guān)系，得到橡膠樣品在常溫下的貯存壽命，并建立壽命預(yù)測(cè)模型[12-13]，為選擇合適的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用橡膠材料提供有效依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

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

1.2 主要設(shè)備和儀器

LR016型老化試驗(yàn)箱，重慶銀河試驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；專用夾具[14]（見圖1）；測(cè)厚儀，營(yíng)口市材料試驗(yàn)機(jī)有限公司產(chǎn)品。

圖1 壓縮永久變形試驗(yàn)專用夾具

1.3 測(cè)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(cè)定 第1部分：在常溫及高溫條件下》[15]，進(jìn)行橡膠樣品在高溫恒定形變下的壓縮永久變形對(duì)比研究。

（2）按照GJB 92.2—1986《熱空氣老化法測(cè)定硫化橡膠貯存性能導(dǎo)則 第二部分：統(tǒng)計(jì)方法》[16]中的模型2對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

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

式中，P為性能變化指標(biāo)，對(duì)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(shí)間，d；K為與溫度有關(guān)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(duì)溫度，K。

利用式（1）對(duì)壓縮永久變形和老化時(shí)間進(jìn)行回歸擬合，通過式（3）得到K與T的關(guān)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(cè)量結(jié)果可以確定，氟橡膠FX-17和氟醚橡膠FM-1耐長(zhǎng)期加熱穩(wěn)定的最高溫度為250 ℃。選取4個(gè)老化溫度，分別為250，200，180和160 ℃，在這4個(gè)溫度下測(cè)試試樣的壓縮永久變形，結(jié)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(zhǔn)則是α處于0～1范圍內(nèi)并精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位時(shí)，使I（逐次逼近法過程計(jì)算常數(shù)）最小。

式中，Pij和分別為第i個(gè)老化試驗(yàn)溫度下，第j個(gè)測(cè)試點(diǎn)的性能變化指標(biāo)試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值。

2.3 擬合計(jì)算

2.3.1 氟橡膠FX-17

對(duì)式（1）進(jìn)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(guān)系如圖2所示。

圖2 氟橡膠FX-17的ln P與tα 關(guān)系

進(jìn)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(guān)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(shí)式（1）中的A分別為0.942 9，0.995 7，0.920 7和0.884 1，并計(jì)算得到氟橡膠FX-17的A估計(jì)值為0.947 9。

回歸分析后對(duì)lnK與1/T進(jìn)行直線擬合，結(jié)果見圖3。

圖3 氟橡膠FX-17的ln K與1/T直線擬合結(jié)果

得到擬合公式為

當(dāng)貯存溫度為28 ℃時(shí)，計(jì)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(dāng)P為0.9時(shí)，可計(jì)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(duì)氟醚橡膠FM-1進(jìn)行擬合計(jì)算，lnP與tα關(guān)系如圖4所示。數(shù)據(jù)處理后，計(jì)算得到氟醚橡膠FM-1的A估計(jì)值為0.913 5。

圖4 氟醚橡膠FM-1的ln P與tα 關(guān)系

對(duì)lnK與1/T進(jìn)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(jié)果

得到擬合公式為

當(dāng)貯存溫度為28 ℃時(shí)，計(jì)算得到K＝1.198 2×10-5。

將A，K和α取值代入式（1）可得

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

3 結(jié)論

由兩種橡膠的數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以得出，試驗(yàn)結(jié)果具有較好的線性關(guān)系和相關(guān)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(shí)間的動(dòng)力學(xué)方程分別為當(dāng)試驗(yàn)件的P為0.9時(shí)，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(shí)間比氟橡膠FX-17要長(zhǎng)，說明氟醚橡膠在長(zhǎng)時(shí)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(yīng)用對(duì)裝備可靠性的提高和裝備的維護(hù)具有重要意義。建立橡膠材料的壽命預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)庫，使其能夠合理預(yù)測(cè)橡膠材料的使用壽命，并指導(dǎo)橡膠新品的研發(fā)和應(yīng)用。