聲學設備用橡膠透聲殼體的研制

趙曉鋼

（洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽 471003）

橡膠透聲殼體（結構見圖1）作為某型聲學設備的包覆層使用時，其內部充有硅油（牌號為G07），外部完全浸入海水中，使用溫度為－20～70℃，水壓為1～3 MPa，在頻率為0.5～5.0 kHz時，要求橡膠透聲殼體的平均聲壓透射系數不小于0.90。

圖1 橡膠透聲殼體結構

聲波入射到理想透聲材料的透聲層上時能夠無反射、無損耗地通過，這要求透聲材料的特性阻抗與水匹配，衰減常數盡可能小[1]。氯丁橡膠（CR）具有水密性和透聲性能好的特點，是一種常見且重要的透聲橡膠[2-3]，但加工性能差。丁腈橡膠（NBR）具有良好的耐低溫、耐極性油和加工性能。

CR與NBR具有良好的相容性，可以任意比例混合。本工作通過配方設計研制滿足性能要求的CR/NBR并用膠，依據產品結構及硫化設備設計合理的硫化模具和成型工藝，生產滿足技術要求的橡膠透聲殼體。

1 實驗

1.1 原材料

CR，牌號為2322，山西霍家長化合成橡膠有限公司產品；NBR，牌號為3345，中國石油蘭州石化公司產品；天然氣槽法炭黑、氣相法白炭黑、氧化鋅、氧化鎂、硬脂酸、防老劑RD、硫黃和促進劑CBS，國產市售品。

1.2 主要設備和儀器

XK-250型開煉機，廣東利拿實業有限公司產品；UR-2010型硫化儀，優肯科技股份有限公司產品；XLB-D（Q）500型平板硫化機，湖州東方機械有限公司產品；CMT4304型電子萬能拉力機，深圳新三思科技股份有限公司產品；MFT-120型水聲中頻管，中國船舶重工集團公司第702研究所產品。

1.3 試樣制備

將CR和NBR在開煉機上薄通塑煉后，依次加入小料、炭黑和白炭黑、硫黃和促進劑，混煉均勻后下片。

混煉膠停放24 h后在開煉機上返煉，下片，使用試片模具制備物理性能測試試樣，使用特制模具制備聲壓透射系數測試試樣。

1.4 性能測試

硫化特性按GB/T 16584—1996測試；硬度按GB/T 531.1—2008測試；拉伸強度和拉斷伸長率按GB/T 528—2009測試；撕裂強度按GB/T 529—2008測試；耐低溫性能按GB 1146.2—1996測試；耐海水、耐硅油性能按GB/T 1690—2010測試；脆性溫度按GB/T 1682—2014測試；耐熱空氣老化性能按GB/T 3512—2014測試；聲壓透射系數按GB/T 14369—2011測試。

2 結果與討論

2.1 配方設計

根據聲學設備的實際使用工況，要求與其裝配的橡膠透聲殼體的材料具有優良的耐海水、耐硅油性能，還要有良好的抗壓、抗撕裂性能及較大的拉斷伸長率。同時由于橡膠透聲殼體對厚度均勻性要求較高，要求膠料在硫化成型過程中具有良好的流動性，即具有良好的可塑性。

設計膠料配方時，以CR和NBR為主體，加入天然氣槽法炭黑以提高膠料的拉伸性能，加入氣相法白炭黑以提高膠料的撕裂強度。經過大量試驗，最終確定CR/NBR并用膠的配方為：CR 70，NBR 30，天然氣槽法炭黑 20，氣相法白炭黑20，氧化鋅 3，氧化鎂 2，硬脂酸 1，防老劑RD5，硫黃和促進劑CBS 12.5。

2.2 膠料性能

2.2.1 硫化特性

CR/NBR并用膠的硫化特性見表1。

表1 CR/NBR并用膠的硫化特性

為保證橡膠透聲殼體與聲學設備的裝配性，對橡膠透聲殼體筒壁厚度的精度要求較高，這需要膠料硫化時在模腔內充分流動，硫化前期不發生焦燒，確保膠料的加工安全性。從表1可以看出，與在150 ℃下硫化相比，CR/NBR并用膠在120℃下硫化焦燒時間長，據此設計并用膠在120 ℃下裝模，進行產品定型，然后升溫到150 ℃硫化。

2.2.2 物理性能

CR/NBR并用膠的物理性能見表2。

表2 CR/NBR并用膠的物理性能

從表2可以看出，CR/NBR并用膠的各項物理性能均符合技術指標要求。

2.2.3 聲學性能

將CR/NBR并用膠裁剪成Φ118 mm×10 mm的圓餅狀試樣，在Φ120 mm脈沖管中測試膠料的聲壓透射系數，測試結果見表3。

表3 CR/NBR并用膠的聲壓透射系數

從表3可以看出，CR/NBR并用膠在壓力為1～3 MPa、頻率為0.5～5.0 kHz條件下的平均聲壓透射系數均大于0.90，滿足橡膠透聲殼體材料的聲學性能要求。

2.3 模具設計

本工作設計的橡膠透聲殼體硫化模具結構見圖2，為保證殼體厚度的均勻性，在模具上設計3個均勻排布的定位銷，以防止偏心，在上模設計氣嘴，采用充氣方式進行脫模。

圖2 橡膠透聲殼體硫化模具結構示意

2.4 成型工藝

橡膠透聲殼體采用模壓方式硫化，成品高度較高，膠料流動距離大，若裝模溫度高，膠料易在未完全充滿模腔時硫化，導致成品報廢。因此膠料在120 ℃下裝模，將膠片均勻鋪在下模底部，為保證成品尺寸需嚴控裝膠量，避免裝膠量過大造成成品厚度偏大、筒沿偏厚現象，然后合模逐步加壓放氣，使膠料充滿模腔的同時順利排氣，隨后升溫至150 ℃硫化45 min，脫模時通入壓縮空氣，成品自動脫落。橡膠透聲殼體成品（見圖3）表面光滑平整，無氣泡，厚度均勻，滿足使用要求。

圖3 橡膠透聲殼體成品

3 結論

（1）以CR/NBR并用膠為主體，通過配方優化設計制備了耐硅油、耐海水，且物理性能和聲學性能滿足要求的膠料。

（2）根據產品結構特點設計合理的橡膠透聲殼體硫化模具，采用該模具，膠料在120 ℃下裝模，逐步加壓使膠料充滿模腔，升溫至150 ℃硫化45 min，采用充氣方式脫模，制得的橡膠透聲殼體表面光滑平整，無氣泡，厚度均勻，滿足使用要求。