幾種橡膠材料對航空液壓密封適應性的比較研究

陸 明，安曉鵬，龐 博，蒙美玉，王 珍，劉金嶺

(1 中國航發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創新中心，北京 100095；3 北京航空材料研究院股份有限公司 橡膠與密封事業部,北京 100095)

液壓系統是航空裝備中關乎飛行安全的的重要系統之一，用于飛行控制、起落裝置等多個重要部件[1]。 航空液壓系統介質密封廣泛使用多種橡膠材料，相關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系統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物理力學性能、低溫性能、高溫性能等方面進行了比較，進而研究了幾種橡膠材料對于航空石油基液壓介質密封的適應性。

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品。

1.2 儀器設備

平板硫化機：TYC-V-7-2RT-2-S-PCD型，東毓（寧波）油壓工業有限公司；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：CTM4104型，美特斯工業系統（中國）有限公司；橡膠硬度計：LX-A型，上海市輕工業局標準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；壓縮應力松弛儀：EB 22HT型，Elastocon AB公司。

1.3 試樣制備

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

1.4 性能測試

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

2 結果與討論

2.1 幾種橡膠的基礎物理力學性能比較

NBR 5176S、FM-1D、FS 6265幾種膠料的基礎物理力學性能數據見表1。由表1數據可以看到，與丁腈橡膠和氟醚橡膠相比，FS 6265氟硅橡膠的模量（通常以100%定伸應力表征）和硬度等機械性能較低，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液壓油介質中，與丁腈橡膠和氟硅橡膠相比，FM-1D氟醚橡膠的體積變化率較小，對YH-15介質的耐受性能最好，而NBR 5176S丁腈橡膠在YH-15液壓油中則出現較大程度的體積變化，對密封穩定性不利。

表1 幾種橡膠的基礎物理力學性能數據測試值Table 1 Physical and mechanical properties comparison of rubbers

2.2 幾種橡膠的低溫性能比較

圖1中通過玻璃化轉變溫度（Tg）、壓縮耐寒系數、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，FM-1D氟醚橡膠的玻璃化轉變溫度區間在-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，FS 6265氟硅橡膠材料低溫性能優勢較為明顯。

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，FM-1D氟醚橡膠對于150℃高溫具有優異的耐受性，其壓縮彈性力在較長時間內損失較少；NBR 5176S丁腈橡膠在150℃高溫下的壓縮彈性力短時間內即出現較大幅度的衰減，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，FM-1D氟醚橡膠的特點是力學性能、耐介質性能和耐高溫老化性能優異，但在-50℃以下基本沒有回彈性，低溫性能略有欠缺；NBR 5176S丁腈橡膠的特點是力學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氟硅橡膠的特點是耐-55℃低溫性能優異，耐150℃高溫性能和耐YH-15液壓油性能較好，但模量、硬度等力學性能較低。

結合航空液壓系統典型工況中的液壓油介質環境，-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性討論如下。

（1）目前現有低溫等級的氟醚橡膠（FM-1D等）在低溫性能方面略有不足，前期應用過程中在低溫（-55℃）高壓（28MPa）工況下出現過滲漏情況（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，FM-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，氟醚橡膠在耐介質和耐高溫等方面的優勢明顯，可以顯著提升相關橡膠密封產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中，后續將有望進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勢。

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

3 結論

氟醚橡膠在力學性能、耐介質性能和耐高溫老化性能等方面具有突出優勢，可以顯著提升航空液壓系統相關橡膠密封產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勢，但在耐介質性能和耐老化性能等方面存在短板且提升調整空間有限。氟硅橡膠（FS6265）在高低溫性能、耐介質性能、壽命等方面綜合性能較優，在配合塑料滑環部件的組合式密封結構下作為施力元件，可以為航空液壓系統動密封提供一種較可靠的密封方案。