几种橡胶材料对航空液压密封适应性的比较研究

陆 明，安晓鹏，庞 博，蒙美玉，王 珍，刘金岭

(1 中国航发北京航空材料研究院 橡胶密封研究所,北京 100095；2 高性能氟材料国防科技工业创新中心，北京 100095；3 北京航空材料研究院股份有限公司 橡胶与密封事业部,北京 100095)

液压系统是航空装备中关乎飞行安全的的重要系统之一，用于飞行控制、起落装置等多个重要部件[1]。 航空液压系统介质密封广泛使用多种橡胶材料，相关橡胶密封制件的性能直接影响航空装备的可靠性[2]。目前，在石油基液压油介质系统中使用的橡胶材料种类主要有丁腈橡胶、氟醚橡胶、氟硅橡胶等[3-5]。 本项工作对上述几种材料的基础物理力学性能、低温性能、高温性能等方面进行了比较，进而研究了几种橡胶材料对于航空石油基液压介质密封的适应性。

1 实验部分

1.1 原料

NBR 5176S丁腈橡胶、FM-1D氟醚橡胶、FS 6265氟硅橡胶，北京航空材料研究院股份有限公司产品；YH-15航空液压油，中国石油玉门油田公司炼油化工总厂产品。

1.2 仪器设备

平板硫化机：TYC-V-7-2RT-2-S-PCD型，东毓（宁波）油压工业有限公司；高温试验箱：WG4501型，重庆银河试验仪器有限公司；电子万能试验机：CTM4104型，美特斯工业系统（中国）有限公司；橡胶硬度计：LX-A型，上海市轻工业局标准计量管理所试验工厂；差示扫描量热仪：DSC 3型，Mettler-Toledo公司；压缩耐寒系数测试仪，GT-7006-VR型，高铁检测仪器（东莞）有限公司；低温回缩试验仪：低温型，Gibitre Instrument公司；压缩应力松弛仪：EB 22HT型，Elastocon AB公司。

1.3 试样制备

按照相关胶料硫化工艺要求，通过模压硫化方式制备性能各项检测试样；在平板硫化机上进行一段硫化，在高温试验箱中进行二段硫化，硫化参数按照相关材料的硫化工艺进行。

1.4 性能测试

邵A硬度按GB/T 531.1-2008进行；100%定伸应力、拉伸强度和拉断伸长率按GB/T 528-2009进行；耐介质性能按GB/T 1690-2010进行；压缩耐寒系数按HG/T 3866-2008进行；低温回缩性能按GB/T 7758-2002进行；玻璃化转变温度采用DSC方法测定，升温速率为10℃/min；压缩应力松弛按ASTM D6147-97(2014)方法A进行，试验温度150℃。

2 结果与讨论

2.1 几种橡胶的基础物理力学性能比较

NBR 5176S、FM-1D、FS 6265几种胶料的基础物理力学性能数据见表1。由表1数据可以看到，与丁腈橡胶和氟醚橡胶相比，FS 6265氟硅橡胶的模量（通常以100%定伸应力表征）和硬度等机械性能较低，这也是FS 6265氟硅橡胶较少用于动密封工况的原因；而在YH-15液压油介质中，与丁腈橡胶和氟硅橡胶相比，FM-1D氟醚橡胶的体积变化率较小，对YH-15介质的耐受性能最好，而NBR 5176S丁腈橡胶在YH-15液压油中则出现较大程度的体积变化，对密封稳定性不利。

表1 几种橡胶的基础物理力学性能数据测试值Table 1 Physical and mechanical properties comparison of rubbers

2.2 几种橡胶的低温性能比较

图1中通过玻璃化转变温度（Tg）、压缩耐寒系数、低温回缩温度（TR）等手段比较了几种橡胶的低温性能。

图1 几种橡胶的低温性能比较Fig.1 Low temperature properties comparison of rubbers

由图1可以看到，FM-1D氟醚橡胶的玻璃化转变温度区间在-40℃附近，在-50℃以下FM-1D氟醚橡胶基本失去回弹能力；NBR 5176S丁腈橡胶在-55℃下仍有轻微的回弹能力；而FS 6265氟硅橡胶的低温性能最好，在-55℃仍具有较好的回弹能力，甚至在-55℃以下更低温度仍能具有一定回弹性。在-55℃低温性能上，FS 6265氟硅橡胶材料低温性能优势较为明显。

2.3 几种橡胶的高温性能比较

图2中通过150℃下的压缩应力松弛试验比较了几种橡胶材料的耐高温性能。由图中可以看到，FM-1D氟醚橡胶对于150℃高温具有优异的耐受性，其压缩弹性力在较长时间内损失较少；NBR 5176S丁腈橡胶在150℃高温下的压缩弹性力短时间内即出现较大幅度的衰减，随后衰减速率有所降低，表明丁腈橡胶对150℃高温的耐受性较差；FS 6265氟硅橡胶在150℃高温下的压缩弹性力出现轻微衰减，随后在较高水平下得到保持，表明氟硅橡胶对150℃高温具有较好的耐受性。

图2 几种橡胶的高温性能比较(压缩应力松弛，150℃， 20%压缩率)Fig.2 High temperature properties comparison of rubbers(CSR at 150℃, 20% compressed)

2.4 几种橡胶对航空液压密封适应性的讨论

综合NBR 5176S丁腈橡胶、FM-1D氟醚橡胶和FS 6265氟硅橡胶几种橡胶的性能比较，FM-1D氟醚橡胶的特点是力学性能、耐介质性能和耐高温老化性能优异，但在-50℃以下基本没有回弹性，低温性能略有欠缺；NBR 5176S丁腈橡胶的特点是力学性能和低温性能较好，但在YH-15液压油中体积膨胀率较大，对150℃高温的耐受性较差；FS 6265氟硅橡胶的特点是耐-55℃低温性能优异，耐150℃高温性能和耐YH-15液压油性能较好，但模量、硬度等力学性能较低。

结合航空液压系统典型工况中的液压油介质环境，-55～150 ℃工作温度、0～28 MPa压力范围等条件要求[6]，对石油基航空液压系统密封性能而言，丁腈橡胶、氟醚橡胶和氟硅橡胶几种橡胶对于石油基航空液压密封适应性讨论如下。

（1）目前现有低温等级的氟醚橡胶（FM-1D等）在低温性能方面略有不足，前期应用过程中在低温（-55℃）高压（28MPa）工况下出现过渗漏情况（通过增大密封圈压缩率有所改善）；在中低压（21MPa及以下）工况下，FM-1D氟醚橡胶在-55℃低温下仍能有效保持密封性能。与其他材料相比，氟醚橡胶在耐介质和耐高温等方面的优势明显，可以显著提升相关橡胶密封产品的使用寿命和可靠性。更低温度等级的氟醚橡胶正在研发中，后续将有望进一步改善氟醚橡胶在-55℃及以下温度的低温性能，提升氟醚橡胶密封件高低温域全寿命期内的密封可靠性。

（2）NBR 5176S丁腈橡胶基本能够满足-55℃、28MPa的低温密封要求，但丁腈橡胶在耐介质性能、高温性能和老化寿命方面有一定短板，对于长寿命有要求的液压密封工况而言力有不及，提升空间有限。与目前低温等级的氟醚橡胶相较而言，丁腈橡胶在低温性能方面还有一定优势。

（3）综合耐介质和高低温性能来看，氟硅橡胶在航空液压系统工况条件内具有较好的适应性，但其力学性能无法直接用于动密封。尽管氟硅橡胶本身模量、强度等力学性能不高，不适合单独用于动密封工况；但在一些新型橡塑组合式密封结构下，氟硅橡胶可以作为施力元件使用，外侧有塑料滑环参与密封表面运动，氟硅橡胶施力元件不直接参与对偶面的相对运动，因此动密封对偶面上的运动不会造成氟硅橡胶施力元件的直接机械损伤。前期研究结果验证在这种组合式结构下氟硅橡胶与氟塑料组合的密封结构可以实现液压系统-55℃、28MPa工况下的良好动密封。根据现阶段几种橡胶材料特性状态，以氟硅橡胶为主体材料作为施力元件的组合式密封结构可以为航空液压系统动密封提供一种较可靠的密封技术方案，在高低温性能、耐介质性能、寿命与可靠性等方面取得平衡。

3 结论

氟醚橡胶在力学性能、耐介质性能和耐高温老化性能等方面具有突出优势，可以显著提升航空液压系统相关橡胶密封产品的使用寿命和可靠性，但目前低温等级的氟醚橡胶（FM-1D等）在-55℃低温下的弹性不足，更低温度等级的氟醚橡胶仍在研发中。低温型丁腈橡胶（NBR 5176S）在-55℃低温下具有一定弹性，低温性能较目前低温等级的氟醚橡胶略有优势，但在耐介质性能和耐老化性能等方面存在短板且提升调整空间有限。氟硅橡胶（FS6265）在高低温性能、耐介质性能、寿命等方面综合性能较优，在配合塑料滑环部件的组合式密封结构下作为施力元件，可以为航空液压系统动密封提供一种较可靠的密封方案。