机载设备壳体密封设计

孙 岩

（太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006）

引言

随着科技的进步与发展，机载设备集成化程度日趋提升，且电子类机载设备的功能越来越多。同时，随着各个机型的相继服役，机载设备服役环境也越来越广，其中尤以具有高温高湿高盐，并且大气中极具腐蚀性的海洋气候环境为最。因此，为满足机载设备的性能要求，解决湿热、盐雾、真菌等环境适应性问题，壳体密封设计是最有效的途径之一。同时，密封设计只是机载设备结构设计的其中一方面，还需考虑其应兼顾设备电磁兼容性及散热等方面设计。

本文主要介绍了机载设备壳体密封设计的思路、密封材料选择及一些典型的密封结构。

1 密封设计思路与原则

1.1 思路

在密封设计过程中，首先应对设备材料是否满足环境适应性要求进行评估，同时对设备壳体进行防护层涂覆。若上述两项措施已满足设备设计要求，则无须再进行额外密封设计。一般来说，对机载设备的所有零部件均进行抗腐蚀设计会大大增加制造成本，且工艺结构复杂，很难保证所有零部件均满足环境适应性要求，尤其针对海洋气候环境，因此，对相应电子设备的密封设计应着重考虑[1]。

1.2 原则

在密封设计过程中，应综合考虑设备的环境适应性及其他性能要求，并在方便维修、降低成本的基础上实现最优设计。具体设计原则如下：

1）密封设计结构不应过于复杂。设计人员应在不对设备结构本身提出过分要求的基础上，用最低成本、最易维修的措施来实现密封要求。

2）密封材料应具有优良的“三防”（防真菌、防潮湿、防盐雾）性能。设备的密封质量与所选的密封材料直接相关，密封材料的选择直接影响到设备的可靠性。

3）密封设计应考虑到温度变化引起的设备内外压力差，并对此作出针对性设计。

2 密封材料选择

随着材料科学的发展，出现了许多新型的密封材料，选择适宜的密封材料是密封设计的第一步。依据密封材料的物态特征，可将其分为固体密封材料和液体密封材料两大类。

2.1 固体密封材料

橡胶是机载设备中最常见的密封材料之一[2]，可以将其制成条状、带状、片状，适用于不同结构形式的密封。橡胶具有弹性高、相对体积质量低等特性，若对其加以改性，还可具备耐油、耐腐蚀等性能。此外，在电子类机载设备中，导电橡胶类制品具有广泛的应用场合。导电橡胶是通过特殊工艺制成的，可同时满足机载设备电磁屏蔽和环境密封的要求。

橡胶的物理、机械性能与一般的结构材料差别很大，其压缩弹性模量与体积弹性模量存在较大差异，其中压缩弹性模量仅为3～8 MPa，而体积弹性模量高达220 MPa。因此，在将橡胶作为密封材料时，密封结构要充分考虑橡胶在其他方向上的形变。橡胶的密封主要是利用凸出部分与壳体间的压力而达到密封效果，密封效果主要在于橡胶变形量的大小。实践证明，当橡胶变形量在25%～30%时，密封效果最佳。橡胶种类较多，针对航空类机载设备，一般情况下多选用“三防”性能及耐候性能良好的硅橡胶、硅氟橡胶等。

2.2 液体密封材料

液态密封剂是以高分子化合物为基体的黏稠状物质，可作用于各种结合面，形成稳定、均匀、连续的薄膜，并且能充分填充到结合面的缝隙当中。其气密性能良好，能有效防止湿气进入缝隙。有些密封剂具有耐油、耐水、耐溶剂，耐热、臭氧和大气老化，耐紫外光、低温，屈挠性好，能在宽广的温度范围内长期使用等综合性能[3]。

密封剂根据使用状态，一般可分为硫化型和非硫化型密封剂；根据化学成分，可分为聚硫密封剂、硅密封剂、氟硅密封剂、聚氨酯密封剂、环氧树脂密封剂等。液态密封剂不同于固体密封材料，其不存在因压缩变形而产生的内应力，没有松弛和蠕变，是一种常用的密封材料。

使用液态密封剂时，应注意使变形有利于结构密封或密封结构在载荷作用下引起的相对变形量应较小；密封连接部位应最好有相近的刚度，使结构间的相对变形减小。

产品在进行密封设计时，应根据设备的实际情况，参考设备的使用环境和结构安装形式进行综合考虑，选择适宜的密封材料。

3 典型密封结构

现有机载设备壳体设计以实现功能性能、“五性”（可靠性、维修性、安全性、测试性和保障性）和电磁兼容性能为主，但对于使用环境恶劣的设备，还要考虑壳体的密封设计。对壳体进行有效的密封设计，即将壳体内的零部件、电子元器件与外界环境隔离，阻止湿气和盐雾等进入设备内部腐蚀元件。

密封结构设计是利用密封原理将密封材料填充到经常需要拆卸或永久密封的接缝中。壳体密封设计一般包括壳体搭接处的密封、紧固件区域及电连接器等穿透类元件部位的密封，一些电子设备壳体在满足水气密封的同时还要求电磁屏蔽密封。

3.1 壳体搭接密封设计

壳体搭接处的密封结构形式多种多样，以同时满足水气密封和电磁密封为前提，其中，若只使用了导电橡胶在壳体接缝处进行密封，当水气从壳体缝隙侵入时，由于导电橡胶圈中掺杂银粉或铝镀银粉，机载电子设备壳体一般同样使用铝合金，容易发生电化学反应，导致壳体被腐蚀，使得设备水气密封和电磁屏蔽失效。在环境恶劣的海洋环境下，不推荐使用该种密封方式。正确方法是在外界大气与铝镀银导电橡胶条间再加入一层防水设计。方法之一为在导电密封橡胶圈外使用密封剂，该种密封方式应注意密封结构间尺寸应恰当，密封剂填充应留有足够的厚度余量，尽量采用工具施工，以提高密封的可靠性；方法之二是直接采用复合导电橡胶垫，该种橡胶垫由硅橡胶和导电橡胶复合形成，具备结构紧凑、压缩性好和装配性好的工程优势，其密封机理是外侧硅橡胶层起水气密封作用，内侧导电橡胶层实现电磁屏蔽功能。以上两种方式在机载电子类设备设计中经常使用。

3.2 紧固件密封设计

当机载设备壳体不可避免地在顶部设置紧固件时，冷凝水特别是从上部滴落的液体，有可能从紧固件孔侵入设备内部，且紧固件安装时易损伤孔的表面处理，使得螺钉孔本身特别容易受到腐蚀，增加紧固件位置处的渗漏。另外，紧固件配合部位，尤其电搭接部位常常为多种金属接触，当有电解液存在时容易发生腐蚀，因此这些部位的紧固件非常有必要进行密封设计。

紧固件的密封一股采用聚硫密封剂进行湿安装，或者端头封包。对于干涉配合的埋头紧固件，装配之前在紧固件头部下涂密封剂，或用密封剂覆盖整个埋头窝；对于干涉配合的凸头紧固件，在紧固件的头部下涂密封剂，或在孔周围的结构件表面涂密封剂，确保紧固件头部和壳体结构之间挤出的密封剂连续。对于间隙配合类的紧固件，如果是埋头紧固件，沿紧固件周围被均匀挤出的密封剂应与紧固件头部或者结构表面平齐；凸头类的紧固件，沿紧固件周围被均匀挤压出来的密封剂不得超过紧固件头部高度的1/2。

可拆卸紧固件密封安装时，可采用腻子或润滑脂代替聚硫密封剂，涂于连接孔内或螺栓、螺钉杆部，然后拧入孔内。

紧固件端头封包采取刷涂或包覆形式，以便完全覆盖整个紧固件连接处，形成一套完整覆盖层。

3.3 电连接器密封设计

穿透设备壳体的电连接器的密封设计也是整机密封设计的重点之一。电连接器的密封形式有密封垫形式、密封剂填角，或者两者同时使用。当设备无导电要求时，密封垫选用绝缘橡胶垫，否则选用导电橡胶垫；当设备导电要求较高时，安装电连接器前，可打磨安装面板结合面处，之后加涂导电胶或导电橡胶垫，当进行防腐蚀密封时，安装孔与电连接器侧壁应进行填角密封。

4 结语

舰载机载设备壳体的密封设计应综合考虑设备的环境适应性要求，并在方便维修、降低成本的基础上进行最优设计。在壳体密封设计的同时应能满足电磁屏蔽要求、散热要求和防水要求。随着材料科学研究的不断深入，密封材料的种类多样化，性能持续改进，密封设计中应尽量选用耐候性好、抗腐蚀性能良好的密封材料，以提高密封的质量和可靠性。壳体密封设计时也应从壳体的结构设计出发，例如将壳体设计为整体式，以减少密封缝隙来提高设备的密封性能。