電磁屏蔽用導電橡膠在武器裝備中應用的環境適應性考慮

李永濤 陳曉佳 官效巖

【摘要】隨著對裝備電磁兼容性要求的不斷提高和國產化電磁屏蔽用導電橡膠材料性能提升以及價格大幅下降，目前導電橡膠材料以及以導電橡膠材料制造的電磁密封器件已經廣泛使用在通信電子裝備、火控系統、光電偵察裝備等電子系統中。目前，在軍用裝備領域中，針對導電橡膠在應用中因為各種環境因素造成的對材料關鍵性能的影響，還沒有相應的測試標準和測試方法可以進行評估。在這種情況下，隨著導電橡膠材料在裝備中使用范圍的不斷擴大，給裝備的可靠性、環境適應性帶來的風險也迅速增加。因此，在武器裝備中應用導電橡膠的設計中對環境適應性的考慮成為了重要的因素。

一、國內外電磁屏蔽用導電橡膠情況對比

電磁屏蔽用導電橡膠（以下簡稱“導電橡膠 ”）是自60年代中期開始在美國軍方提議下由美國固美麗公司（Cho merics）開始研發的產品，并首先在美軍裝備中應用。自90年初海灣戰爭后，軍用裝備的電磁兼容性引起了軍方高度的重視，國內在軍用裝備中也開始應用導電橡膠產品，這一時期的產品以進口產品為主。90年代中期，國內的企業、科研院所和高等院校相繼展開了對導電橡膠材料的研究，2000年以后隨著導電橡膠材料市場的不斷發展，進入了這一材料的制造領域。隨著軍用裝備國產化率要求和成本控制要求的提高，目前軍用裝備使用的導電橡膠材料與器件大部分都采用了國產產品。

目前由于導電橡膠的市場空間有限，在這一產品領域內的企業規模普遍較小，各企業在研發能力和研發投入上均顯不足；另一方面，由于國內在這一產品上的研究方向是以橡膠材料為主對材料在裝備中的應用特點、要求以及電磁屏蔽理論方面的理解不深，在材料性能研究方向上與軍用裝備實際應用及使用要求間存在偏離現象，特別在環境適應性、電磁屏蔽效能的可靠性等方面的性能要求、測試方法等關鍵問題的研究基本處于空白狀態。因此，軍用裝備中電磁屏蔽用導電橡膠的應用可能會對裝備系統的可靠性和環境適應性帶來隱患和風險。

（一）國外導電橡膠發展情況

以目前在這一產品領域最領先的Parker公司產品為研究對象，對國外產品的發展路線和發展趨勢進行分析。

注重屏蔽效能與可靠性、環境適應性的同時提高

Parker Chomerics公司于60年代中期首先開發出了以鍍銀銅粒子為填充材料、硅橡膠為基材的導電橡膠CHO-SEAL 1215，這一產品目前仍在市場中銷售。鍍銀銅粒子填充的導電橡膠具有較好的抗電磁脈沖（EMP）打擊能力，但耐腐蝕較差。80年代初，Chomerics推出了鍍銀鋁粒子填充的導電橡膠CHO-SEAL 1285，鍍銀鋁粒子填充導電橡膠以其較低的成本和重量，以及可以滿足一般軍用要求的電磁屏蔽性能（應用于整體屏蔽要求90～110dB的裝備）等優異的綜合性能迅速擴大了其在軍用裝備中的應用范圍。差不多在這個時期，Chomerics也推出了應用于商用設備的石墨鍍鎳粒子填充、鍍銀玻璃填充的導電橡膠。

在此后的產品發展方向上，Parker公司開始將環境適應性、可靠性作為產品的重要研究方向，于90年代初期推出了以表面鈍化鍍銀鋁粒子填充、以氟硅膠為基材的CHO-SEAL 1298產品，產品耐腐蝕性明顯提高。這個時期又推出了采用石墨鍍鎳粒子填充EPDM具有CBRN或NBC流體環境的導電橡膠。2010年左右進一步推出了以耐腐蝕性為主要特征的鍍鎳鋁粒子填充導電橡膠，鹽霧、濕熱環境應用中的可靠性是他們產品最重要的宣傳點。

表1a用定性的方法對Parker的一般軍用導電橡膠產品發展線路進行了分析。

注：a、表中數據來自于Parker手冊

b、抗電磁脈沖打擊能力較好

c、用于CBRN及NBC環境，良好的耐輻照能力

以裝備應用要求為主線的標準體系

（1）不斷演進的軍用標準體系

從目前可以查閱到的相關資料中可看到美軍最早在1992年10月7日推出第一個標準版本MILG-83528B中對彈性體電磁屏蔽襯墊的主要技術參數和測試方法做出了規定，隨后于2001年1月對該標準進行大改版推出了MILDTL-83528C版，隨后于2001年11月對C版進行更新，分別于2011年、2012年推出了D、E兩個版本，進行小的改變。目前執行的是2015年10月更新MILDTL-83528F版本，但目前從公開渠道無法取得，因此以83528C為參考進行分析。

MIL-DTL-83528C的應用范圍是對應用于抑制電磁干擾/射頻干擾的彈性體襯墊做出了通用規范。

在83528C中，首先對用于軍用裝備導電橡膠材料可選用的填充粒子、基膠材料等材料做出了明確的規定。制定了符合導電橡膠材料應用環境的技術指標體系和該指標體系的測試方法。

在這個指標體系中，對可靠性和環境適應性的指標占據比較大的比重?？偣?6項指標中，可靠性與環境適應性指標為7項。這組可靠性、環境適應性指標與導電橡膠材料的特性和應用非常貼切，主要包括：

連續工作溫度范圍

振動電氣穩定性（振動期間、振動后）

拉斷后電氣穩定性

低溫柔性

壽命試驗后體積電阻率

經受電磁脈沖后體積電阻率

流體浸泡

這樣的指標體系，基本保證了導電橡膠產品在裝備中的可靠應用，同時，保障了裝備應用環境的適應性。

（2）制造商對材料環境適應性的指標體系

源于美軍方實驗室的Chomerics公司，在MIL-DTL-83528體系以外對自己所研發制造的材料還建立了額外的產品指標參數和檢測指標體系。

在產品耐腐蝕性測試中，Chomerics建立了自己的測試方法CHO-TM100和CHO-TM101定量測試導電橡膠材料對金屬基體的腐蝕性。

Chomerics還開發了以IEEE-STD-299為基礎的屏蔽效能測試方法CHO-T09，這種方法的優點在于可以對同一試樣在環境試驗前和試驗后的屏蔽效能進行測試對比。一般說來，Chomerics對材料進行500小時鹽霧試驗（5%濃度，35±1℃）、1000小時濕熱試驗（溫度85℃，相對濕度85%）以及2000小時高溫老化試驗（溫度125℃），并在環境試驗后進行屏蔽效能的測試。

為了滿足在航空航天以及其它對高分子材料放氣敏感的應用領域要求，Chomerics對導電橡膠的放氣數據規定了限值，可采用TML或CVCM方法測試，限值采用NASA規定的高分子材料放氣的限值。

綜上所述，以美國為代表的國外導電橡膠材料已經具備了完備的可靠性與環境適應性的標準體系，這個體系包括了美國軍用標準與制造商的企業標準，綜合的標準體系保障了導電橡膠材料在軍用裝備中應用的可靠性。

（二）國內導電橡膠發展與應用現狀

在產品基本性能與測試內容上與國外相比存在較大差距

國內在電磁屏蔽用導電橡膠領域起步較晚，加之主要研究單位和人員以高分子材料方向研究人員為主，在電磁兼容理論、電磁學以及對這種材料的應用方面知識匱乏，所以到目前為止國內導電橡膠產品與國外同類產品在關鍵性能、可靠性和環境適應性上都存在較大差距。這種差距主要反映在以下幾個方面：

對電磁兼容、電磁學等領域知識的嚴重匱乏，對產品關鍵性能理解度不夠。國內的技術研究都是以對標CHO-SEAL 1285開始的，從Chomerics的公開資料所展現的性能指標和一般性理解中，研究人員普遍認為體積電阻率是決定導電橡膠屏蔽性能的關鍵指標，導致導電橡膠產品在屏蔽效能這一關鍵性指標方面與國外產品存在很大差距。

以GJB151B-2013中所規定的電磁兼容性試驗所涉及的頻率區間為參考，國內產品的屏蔽效能參數具有很大的偏離度，并且與國外同類產品相比較屏蔽效能有很大的差距。若僅以體積電阻率為關鍵設計指標替代進口產品時，給裝備電磁兼容性帶來了可能的設計缺陷。

產品可靠性、環境適應上的測試標準幾乎全部不適用于導電橡膠應用特性。目前國內所有的制造商在可靠性和環境適應性的測試標準依照硫化橡膠的測試標準進行，并未對經過老化試驗、鹽霧試驗、濕熱試驗、溫度試驗以及拉伸、振動試驗后的電磁屏蔽效能進行測試。事實上，從機理性和工程實踐中都證明，這一系列環境試驗對填充型導電橡膠材料的電磁屏蔽性能有很大影響。這些測試的缺失，為裝備可靠性和環境適應性都帶來極大的風險。

由于目前軍用裝備對可靠性、環境適應性的要求不斷提高，軍工企業也需要國內導電橡膠制造商提供環境測試報告，但是在我們的實踐中發現所有國內產品的環境試驗報告都不涉及環境試驗對電磁屏蔽性能/電氣溫定性方面的影響。

國內產品在裝備實際應用中還沒有長期應用后的性能變化趨勢評估。雖然我軍裝備從90年代起就有了電磁屏蔽用導電橡膠的應用，但是在2010年以前，進口產品仍占據主導地位。國產產品大范圍進入軍用裝備應用時間不長，加之在環境應力作用下產品電磁兼容性能的變化在裝備部隊后很難進行測試，所以到目前為止還未見到裝備長期應用后對導電橡膠材料性能變化的評估。從這個角度出發，可以說國產導電橡膠產品在實際裝備中應用時受環境影響誘發性能變化以及這種變化對裝備整體性能的影響度尚處于無法評估的狀態。

在軍用裝備中日益廣泛的應用與標準缺失的矛盾嚴重

隨著軍用裝備對電磁兼容性要求的不斷提升，導電橡膠在軍用裝備中的應用范圍呈現出日益廣泛的趨勢，目前在電子裝備（例如：通信電臺、雷達、電子對抗裝備等）、光電裝備（光電偵察裝備、單兵導彈瞄具、雙光瞄具等）、火控系統、導航系統、加固計算機以及其它裝備系統中都有廣泛的應用，但是到目前為止還沒有關于導電橡膠材料的國家軍用標準。

2018年國家市場監督管理總局和中國國家標準管理委員會聯合發布了國內第一個導電橡膠的國家標準GB/T6763-2018《電磁屏蔽用硫化橡膠通用技術要求》。但是，這個標準僅僅是部分套用MIL-DTL-8528的部分模式，以起草者現有產品性能為基礎，采用一般硫化橡膠的技術參數制定的，對軍用裝備所必需考慮的可靠性、環境適應性甚至電磁屏蔽性能這樣的關鍵性指標都未做出有價值的規定。

裝備研制單位由于缺乏可參考的導電橡膠技術標準，目前在結構設計、器件選型與采購中有的以Parker公司的設計手冊為依據，有的以供應商推薦產品時的技術參數為依據進行，無法對可靠性、環境適應性做出可靠的分析與評估。甚至在器件設計的規格尺寸上仍沿用原進口產品使用的英制，在器件通用性、保障性等方面都存在問題。

這種無標準可依的狀況已經導致電磁屏蔽用導電橡膠材料及以該材料制造的器件在為裝備提供有效的性能實現手段的同時，也為裝備的可靠性、環境適應性、維修性和保障性等方面帶來了巨大的風險。

二、工程設計中應用導電橡膠材料時環境適應性的考慮

可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環境適應性已經成為對軍用裝備體量體系重要組成部分，可靠性、維修性和環境適應性也是保證裝備全天候、全天時、全疆域應用的關鍵性能。電磁兼容性本身作為裝備可靠性的重要組成部分，不應當成為裝備整體可靠性的短板。因此，在產品標準缺失的情況下，我們通過工程實踐中總結出了一系列的設計方法，避免導電橡膠材料在應用中環境因素對導電橡膠性能的影響。

從統計結果分析，我們發現導電橡膠襯墊在應用中最常見的問題有：

導電橡膠中填充粒子與殼體間的電偶腐蝕；

導電橡膠在拉伸時外部應力造成填充粒子結網破壞導致電磁屏蔽效能下降；

導電橡膠在高溫環境下永久變形導致的密封性能下降；

導電橡膠在低溫環境下彈性下降導致破損；

導電橡膠中的填充粒子在振動、沖擊環境下可能產生的粉體脫落。

針對這種情況，我們采用了以下設計原則和方法抑制環境應力可能誘發的導電橡膠器件可靠性降低的風險：

電磁屏蔽效能以按照GJB151B-2013標準要求的整機測試為標準，材料廠商提供的參數僅作為參考值。

由于導電橡膠在不同的頻率點上屏蔽效能有很大差異，所以我們在要求供應商提供性能指標時，需要提供在GJB151B-2013中規定的頻率范圍內的連續屏蔽效能參數。在設計時以參數的中值為基準，保留了足夠的性能裕量。同時，在初樣機階段的初期就按照設計規范對整機進行測試，保證在全頻段電磁屏蔽的可靠。

采用電磁密封強度由內向外逐層降低，環境密封強度由內向外逐層提高的設計原則。

從電磁兼容理論和材料特性出發，我們在電磁兼容設計中將電磁密封盡可能在部件、分機層面實現，力爭最大程度降低導電橡膠器件與外部環境接觸的機會，一方面避免導電橡膠中填充粒子與殼體接觸部分在濕熱、鹽霧環境下誘發電偶腐蝕；另一方面可以有效地降低由于導電橡膠材料壓縮率較低而導致的橡膠大尺寸導電橡膠器件尺寸公差造成的電磁泄露和密封性下降的風險。在最外層采用“硅橡膠-導電橡膠”復合密封器件可以有效隔離水氣、鹽霧進入殼體與導電橡膠間的縫隙，避免電偶腐蝕的發生。

電磁密封器件設計時，采用溝槽中心徑為設計尺寸。

通常情況下的密封器件設計，應根據應用模式的不同將密封器件（例如O形圈）的直徑設計為略小于或略大于溝槽尺寸，以保證安裝可靠性。但是由于填充性導電橡膠的屏蔽性能是通過填充粒在材料內部的結網結構實現的，在拉伸過程中以及長時間的拉伸應力下，結網結構會受到破壞導致屏蔽效能下降。因此，在導電橡膠密封件設計時，一般采用按密封件與溝槽的中心徑相同的尺寸進行設計。

一般情況下不采用空心導電橡膠密封條或空心導電橡膠密封器件。

空心結構的導電橡膠密封條能夠提供更大的壓縮量，但是在長時間壓縮應力作用下更容易發生永久形變，造成密封失效。因此，在結構設計時一般不采用空心結構的導電橡膠密封器件。如果結構設計必須采用空心導電橡膠密封器件時，應選用有較厚的內部支撐硅橡膠層、外包覆導電橡膠的密封器件，降低密封器件永久變形的風險。

一般情況下不采用通過板材沖切或擠出條粘接的導電橡膠密封器件。

通過板材沖切成形和擠出條粘接的導電橡膠密封器件，在小批量制造時具有制造工藝簡單、成本低和可以快速變更設計的優勢，是在設計過程中非常好的選擇。但是在批量制造時，由于沖切件的斷面處填充導電粒子失去了約束，在沖擊或振動情況下很容易造成粉體脫落在裝備內部形成多余物，為可靠性帶來風險。通過擠出條粘接的導電橡膠密封器件，在接口處極易出現粘接不牢、硬結、兩端對位不齊等缺陷，帶來密封失效的風險。

通過這些原則和方法的應用，可以提高導電橡膠在武器裝備應用中的環境適應性，降低可靠性風險。

三、關于導電橡膠材料在武器裝備應用中的思考

無論如何，建立應用于軍用裝備的電磁屏蔽用導電橡膠標準都是非常重要且比較緊急的事情。國產導電橡膠產品在沒有任何統一的質量標準情況下進入軍用裝備領域已經10年有余，目前已經呈現出應用范圍越來越廣的趨勢，伴隨著應用領域的擴大，產品標準缺失的風險也在不斷積累。

電磁兼容性是裝備環境工程中的重要組成部分，同時又受到裝備環境工程中其它因素的約束。以高分子材料為基材填充導電粒子為基本原理的導電橡膠材料在電磁兼容領域具有獨特的性能和良好的應用前景。但是，如不及時建立統一的技術標準和產品認證機制進行規范，未來很可能會在裝備中出現問題。從裝備環境工程角度研究、建立包括電磁屏蔽用導電橡膠軍用標準已經成為重要且急迫的任務。

（作者單位：李永濤、陳曉佳，武漢高德紅外股份有限公司；官效巖，北京欣恒泰科技有限公司）