飞机用膨化聚四氟乙烯材料加速老化试验及寿命评估研究

2023-10-24杨雪梅朱子旻尹文华

合成材料老化与应用 2023年5期

杨雪梅，朱子旻，尹文华

(1 上海飞机设计研究院，上海 201210；2 广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665)

自从1976年美国戈尔公司发明膨化聚四氟乙烯材料后，该材料作为新一代密封材料受到了广泛的关注，广泛应用于包括民用飞机在内的各种飞机型号。

作为一种新型密封材料，膨化聚四氟乙烯材料可为飞机零部件提供可靠的表面保护有效的密封以及缝隙填充等功能，其密度约为0.4～0.8 g/cm3，不到传统密封材料（橡胶和密封剂）的一半。同时与传统密封材料相比，膨化聚四氟乙烯材料的厚度很薄且具有柔性结构，能够贴合复杂形状和不规则表面，无需固化、易安装、易拆卸，并且可重复使用，因此广泛应用于各种飞机型号。另外该材料具有宽阔的使用温度范围，耐老化性能和耐腐蚀性能优异，不受紫外线、温度、湿度等环境条件影响，可耐受飞机上的所有已知化学品，例如燃油、液压油、润滑油、清洗剂以及各种酸碱盐的腐蚀。因此，现代民用飞机制造过程中大量使用膨化聚四氟乙烯材料及其产品，主要用于机身机翼面板、翼身整流罩、客货舱地板、维修口盖等需要经常拆卸和维护部位的密封和防腐蚀[1-3]。该材料的使用可以大幅度缩短飞机制造和维护时间，实现有效减重[4-5]，从而降低民用飞机全寿命周期的综合成本。

全球范围内用于民用航空领域的膨化聚四氟乙烯材料主要由美国戈尔公司制造。我国氟化工行业起步较晚，在20世纪80年代才得到较快发展，因此对膨化聚四氟乙烯材料的研究同样落后于国外，相关制造生产技术很不成熟，产品性能指标与国外成熟产品相比存在很大差距，因此国内使用的膨化聚四氟乙烯材料主要依靠国外进口。

经过几十年的研究积累，近年来国内研制的高强型膨化聚四氟乙烯密封材料已达到国际标准要求[6]，有望在民用飞机上实现装机应用[2]。本文对国内研制的高强型膨化聚四氟乙烯材料的老化性能进行研究，为国产膨化聚四氟乙烯材料应用于民用飞机应用提供数据支持。

1 试验部分

1.1 膨化聚四氟乙烯材料的制备

按照图1所示的工艺流程制备了厚度为0.8mm的国产高强型膨化聚四氟乙烯材料。具体制备程序为：首先在聚四氟乙烯分散树脂中加入适量的助挤剂均匀混合，使聚四氟乙烯树脂颗粒表面浸润且使其分子团聚[4]；随后进行推压、压延及干燥，得到纤维状预成型品。后续按一定拉伸速率对预成型品进行双向拉伸形成膨化聚四氟乙烯膜，最后多层叠合热处理得到高强型膨化聚四氟乙烯制品[7]。

图1 高强型膨化聚四氟乙烯带材制备工艺Fig. 1 Preparation process for high strength e-PTFE

1.2 测试与表征

膨化聚四氟乙烯应用于民机结构，长期暴露在紫外辐射、高低温环境下，可能会导致材料性能降低，影响材料的长期使用。为保证膨化聚四氟乙烯材料能够长期稳定地用于民机，实现降本增效最大化，对其老化性能进行分析研究。

（1）膨化聚四氟乙烯材料的长期使用温度最高可达260℃，并可短期暴露于最高315℃温度条件。故采用热循环方法对其进行处理，并采用拉伸强度表征该材料老化后的性能。热循环处理条件见表1。

表1 膨化聚四氟乙烯老化处理条件Table 1 e-PTFE aging treatment conditions

（2)民用飞机的设计寿命长达30日历年，膨化聚四氟乙烯用于民用飞机后，要求在飞机全寿命周期内保持材料性能稳定，以实现预期的密封和防腐蚀功能。利用热空气老化试验，根据材料的物理力学性能等的变化来快速估算材料的贮存寿命具有一定实际意义。通常通过热空气老化试验测定橡胶塑料选定性能的变化以及达到指定临界值的时间，并采用阿累尼乌斯方程图来推算其贮存寿命[8]。本文采用热空气老化试验方法对膨化聚四氟乙烯材料进行加速老化处理，按照材料特性选取三种温度条件，分别为180℃、250℃和280℃，对膨化聚四氟乙烯的长期老化性能进行研究，具体处理条件见表1。

2 结果与讨论

2.1 热循环试验

密封材料在使用过程中须具备一定的力学强度。拉伸强度作为膨化聚四氟乙烯材料的关键性能，可用来评价该材料性能的耐老化程度。另外，对于密封材料来说，使用过程中保持尺寸稳定对其持续稳定实现预期的密封与防腐蚀功能非常重要。按照SAE AMS3255要求制备膨化聚四氟乙烯热循环试样，分别对原始状态和热循环试验后的膨化聚四氟乙烯试样进行尺寸测量和拉伸强度测试。图2为膨化聚四氟乙烯材料在热循环试验前后的长度、宽度、厚度、体积以及拉伸强度的对比图。

图2 热循环前后材料长度、宽度、厚度、体积及拉伸强度对比Fig.2 Length, width, thickness, volume and tensile strength comparison before and after heat cycle test

由图2可以看出，热循环试验后膨化聚四氟乙烯材料的长度和宽度稍微收缩，尺寸分别减小至原来的92%和88%，厚度增加为原来的110%，总体积收缩为原来的89%，而拉伸强度略微上升，提高至原来的109%。对热循环试验前后的试样分别进行称重，发现试样重量未发生变化。可以推测，经过热循环试验后膨化聚四氟乙烯材料的网状多孔结构可能更为致密，导致其拉伸强度性能有所提高。

分别对原始状态和热循环试验后膨化聚四氟乙烯密封材料进行微观形貌分析。图3为其SEM图。从图中可以看出，原始状态的膨化聚四氟乙烯密封材料呈现多层复合的双向拉伸结构，层间结合力较高，其中节点近似呈球状，纤维由节点向四周发散呈高孔隙的网状结构，这说明高强型膨化聚四氟乙烯密封材料具有较好的尺寸稳定性，且网状结构提高了材料的强度和抗蠕变性能[10]。热循环试验后膨化聚四氟乙烯材料的外观形貌变化不大，仍然呈高孔隙的节点-纤维网状结构，然而节点密度有所提高，网状结构相较热循环试验前更为致密。由此可见，经过热循环试验后材料的微观组织更为致密，从而导致其拉伸强度有所提高。

图3 膨化聚四氟乙烯热循环试验前后的SEM图Fig.3 SEM pictures for e-PTFE

2.2 热空气老化试验

2.2.1 不同温度下的老化性能

选择180℃、250℃和280℃进行热空气老化试验，老化时间为1920h。测试材料经过不同老化时间后的拉伸强度。不同老化温度下材料拉伸强度随老化时间的变化关系如图4所示。可以看出，随老化时间增加，材料拉伸强度逐渐下降。同时，温度对膨化聚四氟乙烯材料的耐老化性能影响显著。老化温度越高，材料拉伸强度下降速率越快。

图4 不同热空气老化温度下的拉伸强度曲线Fig.4 Tensile strength curves at 180℃, 250℃, and 280℃with different thermal aging time

采用公式y=a+bx对老化试验数据进行拟合，拟合结果见表2。

表2 拉伸强度热空气老化试验数据拟合结果Table 2 Fitting results of tensile strength curves at different aging temperatures

2.2.2 寿命评估

选取高强型膨化聚四氟乙烯材料的拉伸强度性能要求9.0MPa作为临界值。根据图4所示的拟合曲线对每个测试温度下拉伸强度达到临界值的时间t进行推算，结果见表3。计算其对数lgt。将不同试验温度转化为其对应的热力学温度T，计算其倒数1/T。以lgt作为因变量，1/T作为自变量进行线性拟合，得到图5所示的拟合曲线，拟合结果见表4。

表3 不同老化试验温度下拉伸强度达到临界值的时间Table 3 Time when tensile strength reaches the critical value at different aging temperatures

表4 拉伸强度的阿累尼乌斯拟合结果Table 4 Arrhenius fitting results of tensile strength

图5 拉伸强度的阿累尼乌斯图Fig.5 Arrhenius diagram of tensile strength

利用外推法可以计算不同温度下该膨化聚四氟乙烯材料的贮存寿命，计算结果详见表5。

表5 不同贮存温度下拉伸强度达到临界值的寿命Table 5 Storage life when tensile strength reaches the critical value at different storage temperatures

由表5可以看出，该国产膨化聚四氟乙烯材料的耐老化性能较好，在常温25℃下的贮存时，材料性能衰减比较缓慢，贮存寿命超过20年。在40℃下贮存时，贮存寿命达到13.5年。按照SAE AMS3255要求，民用飞机密封材料从制造到装机的贮存寿命应超过10年。可见，国产高强型膨化聚四氟乙烯材料满足该技术要求。

另外，民用飞机在巡航状态时机身蒙皮内表面的最低温度可达-21℃，以地面温度为国际标准大气温度15℃，每天飞行6个起落进行计算，得到该材料的目标使用环境平均温度约为8.5℃。以该温度条件进行计算，得到国产膨化聚四氟乙烯材料的寿命为33.1年，超过民用飞机的设计服役寿命30日历年。因此，该膨化聚四氟乙烯材料以拉伸强度为指标计算的贮存寿命满足民用飞机使用维护要求。