我國航空用橡膠型材的發展狀況

雷海軍

（西北橡膠塑料研究設計院有限公司，陜西 咸陽 712023）

隨著國民經濟的發展，航空運輸以其安全、高效的特點越來越受青睞。我國民用航空業也迎來了黃金發展期，預計到2018年，我國民用航空飛機每年起降量將達1040萬架次，運輸總周轉量達到990億t·km，旅客運輸量4.5億人次，貨郵運輸量960萬t。伴隨著民用航空業的發展，作為其載體的民用飛機需求量日益增大，對飛機性能與壽命的要求更加嚴格。飛機的密封性能一直是飛機使用安全性能和可靠性能的基礎，設計有效的橡膠型材結構并研制適宜的橡膠材料一直是飛機用密封制品的研究重點。

我國航空用橡膠型材的研制與我國航空工業的發展進程一致，都經歷了由全盤引進、仿制到獨立制造的漫長過程。我國航空用橡膠型材的橡膠材料已經由仿制發展到自主研制，目前已達到歐美通用航空標準；橡膠型材的結構由全盤照搬國外技術發展到了自主計算機輔助設計。

本文以我院在航空用橡膠型材領域的研制和配套發展反映我國航空用橡膠型材的發展。

1 航空用橡膠型材分類

航空用橡膠型材主要為密封型材。航空用橡膠密封型材種類繁雜，其材料、形狀、結構各異，按密封形式可分為壓縮式和充氣式2種。

壓縮式橡膠密封型材利用斷面凸起點和橡膠壓縮回彈所產生的應力來實現密封。飛機門體壓縮式密封橡膠型材的密封斷面結構多樣，密封性能只與密封門體有關，與飛機其他部件關聯不大，相對獨立性強；但經多次使用后，因橡膠材料老化而產生應力松弛，密封性能逐漸變差，同時在低溫時因橡膠材料的低溫彈性差而出現密封失效。壓縮式橡膠密封型材對配合結構要求簡單，是目前使用較廣泛的密封型材。

充氣式橡膠密封型材利用全封閉的中空腔體充滿氣體，通過氣體的膨脹壓力實現橡膠與門體的接觸密封，密封斷面主要為全封閉的閉合結構。與壓縮式橡膠密封型材相比，充氣式橡膠密封型材對橡膠材料的壓縮彈性要求較低，主要利用充入氣體的壓力來調節密封性能，補充橡膠材料長時間使用產生的應力松弛，實現始終如一的密封效果，不會出現因橡膠材料低溫彈性差而造成的密封失效問題，其密封可靠性相對較好。但充氣式橡膠密封型材也存在缺點：由于充氣密封技術對密封型材的整體氣密性要求很高，任何部位的細小缺陷都會引起氣體泄漏，從而導致整體密封性能下降，甚至引起密封失效；密封型材與飛機其他部件的關聯很大，維修也較復雜。

飛機不同部件的航空用橡膠密封型材的功能和特性有很大區別。

（1）門窗用氣密性型材。飛機門窗部位有增壓和密封要求，該部位的橡膠型材需滿足飛機整體的氣密性，由硅橡膠材料與復合織物復合制成，以增強型材表面的耐磨性能。空客飛機的門窗橡膠密封型材斷面大多為空心復合式結構（P形及其變形結構），波音飛機的門窗橡膠密封型材斷面大多為實心復合式結構（L形及其變形結構）。

（2）機身口蓋防水型材。遍布飛機機身的各類檢查口需要防水、防塵。這類橡膠型材的橡膠材料以硅橡膠或其并用體系為主體材料，產品斷面為鋸齒形結構，可通過對口蓋縫隙的填充達到防水、防塵的密封要求。

（3）整流罩與翼面耐磨型材。整流罩與翼面是飛機上密封型材最多的兩類部件。為了調節飛機表面的氣流狀況，機頭、機身、機翼、機尾遍布各種整流罩；飛機上動作最頻繁的部件為活動翼面。這兩類部件對橡膠型材的要求是耐磨和減震，橡膠型材由硅橡膠材料與多層織物或鋁合金板材復合而成，以提高型材的強度和耐磨性能，型材斷面大多為P形、勺形和特殊形狀。

（4）發動機區耐溫防火型材。根據適航規定，發動機區使用的型材需滿足防火和耐高溫的要求，該區橡膠型材多用阻燃或防火橡膠材料與玻璃纖維復合制成，以提高防火和耐溫性能，型材斷面大多為P形。

（5）耐油密封型材。飛機的液壓系統、郵箱口蓋等部位對密封型材的要求主要是耐油和密封，這類橡膠型材為氟硅橡膠材料，純膠可以滿足其密封和耐油需求[1]，型材斷面大多為凸字形。

2 我國航空用橡膠型材行業存在的問題

經過多年發展，國外航空用橡膠型材行業建立了一套完善的標準體系，擁有了一批專業化的制造配套供應商，在型材結構設計上積累了豐富的經驗，制造的各類型材經過了波音、空客等百余種機型的實際飛行檢驗，更重要的是在適航性的符合性檢驗方面積累了大量試驗數據。

國內航空用橡膠型材研制起步較晚，制約行業發展的因素主要有3點。

一是我國相關橡膠材料更新換代緩慢，未形成一套完備的航空用橡膠材料標準體系。目前我國缺乏系列化、通用化的型材橡膠材料研究和開發體系；受研究經費不足、科研周期較短、需求小的影響，大部分企業只解決了材料和產品有無的問題，并沒有進行深入、系統的基礎材料研究工作，對材料的標準化、系列化研究比較薄弱，而國外發達國家對材料的研發已形成標準化和系列化，還帶動了裝備的發展。

二是由于經驗欠缺，我國在橡膠型材產品結構設計上仍存在諸多不足。我國多數橡膠型材配套企業已成功應用了PROE和CATIA等設計軟件。針對橡膠型材應用部位和使用條件的不同，利用專業設計軟件從橡膠型材的密封結構、選取斷面、三維立體尺寸、使用狀態等方面進行綜合設計。由于經驗所限，目前我國橡膠型材的配套研制多偏重應用研究，缺少對材料性能與產品結構參數、產品結構參數之間、結構與使用條件之間的關聯性基礎研究，因此設計出的橡膠型材產品往往不能一次滿足使用要求。

三是成品性能測試方法欠缺和測試有效性不佳。橡膠型材的成品性能測試是評價其選用的材料、產品結構是否合理以及評價成品性能的重要手段。受技術、資金等限制，國內對橡膠型材成品性能測試重視不足，研發能力和技術創新水平遠落后于發達國家。缺少橡膠型材成品性能的檢測手段和設備，就不能真實反映產品在使用中的狀態和實際工況對產品性能的影響。

3 西北橡膠塑料研究設計院航空用橡膠型材研究進展

我院作為密封橡膠制品專業的科研單位，自創立之初就在橡膠材料配方設計和材料標準化體系建設上走在行業前列。多年來我院承擔了大量航空配套項目，為我國航空工業研制了大量的橡膠型材，為運7和運8的研發以及伊爾-76和圖-154的維修先后研制出多種橡膠型材，積累了一定的航空用橡膠型材設計參數和成型技術經驗。在國家大力發展自主航空技術研究的背景下，我院積極進行了新舟60、新舟700、ARJ、C919、通用飛機、大型運輸機等航空器的橡膠型材研制工作。

隨著航空業的不斷發展，目前普遍使用的橡膠密封型材暴露出許多缺點和問題：使用的橡膠材料硬度較大，制造的橡膠型材在艙門閉合時需要較大的關門力，可操控性和便捷性差；橡膠型材的耐天候老化性能較差，很多橡膠型材在飛機未出廠或交付后很短時間內就出現表面龜裂，對飛機的安全使用造成了隱患；橡膠型材的環境適應性較差，飛機在高寒地區和熱帶地區橡膠型材的壽命大幅縮短；橡膠型材的結構比較老舊，雖能滿足飛行要求，但是大部分產品存在不同程度的漏氣和滲水問題，對飛行舒適性與安全性造成很大影響。

為了解決航空用橡膠密封型材存在的問題，我院主要在以下幾個方面開展了研究工作。

（1）橡膠材料研制。目前橡膠密封型材主要的密封形式為壓縮密封，要求材料具有良好的壓縮回彈性[2]，同時考慮到飛行使用環境，要求選用的橡膠材料既具有良好的物理性能、耐高低溫性能，又具有阻燃性能、防水性能、防塵性能、減震性能。過去使用的俄羅斯標準丁腈橡膠（牌號5860等）和氯丁橡膠耐天候性能較差，低溫柔順性中等，而硅橡膠在－60 ℃～＋200 ℃下可長時間使用，且無毒無味、綠色環保，已被波音、空客公司作為新一代橡膠型材主體材料普遍使用[3]，因此我院采用硅橡膠制備航空用橡膠型材。

通過新舟60、大型運輸機、ARJ21、C919相關項目的深入開展和系統研究，我院解決了硅橡膠材料在硬度、阻燃性能、強度性能、壓縮永久變形等方面的問題[4]，研制的多種新型型材橡膠材料均達到了國際標準要求。

（2）織物選擇及其粘合性能研究。橡膠材料強度有限，且表面摩擦因數較大，在使用過程中表面磨損嚴重，影響密封效果，我院在飛機門窗密封型材中采用橡膠材料與織物復合方式來解決這一問題。硅橡膠材料與耐磨性能、耐天候老化性能良好的聚酯纖維復合，可以提高密封型材的耐磨性能；與高強度玻璃纖維復合可以提高密封型材的強度和阻燃性能。對聚酯纖維進行浸膠處理，可以提高橡膠材料與織物間的粘合強度。根據結構與功能不同，選擇摩擦因數和伸長率適宜的織物可以滿足成型工藝需要，確保織物連續且無褶皺，密封橡膠型材性能穩定、均一。

（3）產品結構優化設計。為了保證橡膠型材設計的有效性，首先通過產品應力-應變的有限元分析對產品設計進行驗證[5]。其次，對產品外觀尺寸進行測量，尤其是對關鍵部位進行多方位測量，并利用計量工裝對設計進行驗證。最后，利用工程生產的技術優勢，制造不同的試驗樣件送主機廠進行裝機考核，最終確定出適宜的動態密封結構形式。該設計技術在航空用橡膠型材的結構設計方面已取得了多項技術專利。

（4）產品成型技術。由于飛機機體是一個復雜的立體結構，為了保證橡膠密封型材與各個口框的相對位置及安裝的準確性，設計中一般都采用達索公司的CATIA軟件進行設計，橡膠密封型材數模截面如圖1所示。

圖1 航空用橡膠密封型材數模截面

與傳統密封制品不同，航空用橡膠型材的中軸線大多不在同一個平面上。如果按照立體結構加工相應的模具，成型成本極高且可操作性很差。為解決這一難題，我院結合多年的密封件成型經驗，利用橡膠材料在一定范圍內可以隨意拉伸、扭曲、變形的特性，對設計的橡膠密封型材三維立體數模進行轉化加工，在保證橡膠型材總輪廓尺寸不變的前提下，將其轉化為二維橡膠平面圖形，作為后續研究的參考標準。如果此過程中轉化的橡膠型材總輪廓尺寸偏大，橡膠型材安裝時易造成局部褶皺堆積，影響橡膠型材密封性能和使用壽命；如果總輪廓尺寸偏小，型材使用中則存在持續拉伸，也會影響密封可靠性和使用壽命。因此，將三維立體數模精確地轉化為二維平面圖形是密封型材成型加工的基準和前提條件。通過在多個法平面的刨切組合，以及保證圓弧過渡段與直段部分的合理相切，最終保證三維數模與二維圖形的輪廓線誤差在0.5 mm以內。

（5）設計驗證。為保證橡膠密封型材滿足適航要求，需要對其環境適應性、功能可靠性和使用壽命進行驗證。對于尺寸及形狀各異的飛橡膠密封型材，其驗證是一大難點。

橡膠材料的老化速率常數（K）與溫度（T）的關系滿足阿雷尼烏斯公式K=Ae-Ea/RT。根據老化試驗數據的回歸計算，可確定K等參數，從而推算橡膠材料的失效年限。將計算所得的各個參數外推到常溫，即可得到常溫下的K，以及常溫下橡膠材料K隨時間的變化關系。本工作選取5個溫度對型材橡膠材料進行加速老化試驗，橡膠材料K與T的關系見圖2，可以看出lnK與T-1呈線性關系。

圖2 橡膠材料K與T的關系

其次，通過專業試驗設備，模擬橡膠密封型材的工作情況，對試驗樣件進行測試，并對橡膠材料加速老化和模擬試驗結果進行驗證。將2個步驟得到的數據綜合分析，互相驗證，從而得出產品的使用壽命，以驗證其是否滿足適航的可靠性要求。

（6）工程化生產。對于航空類產品，為其進行配套生產的控制點之一就是符合適航的要求，保證產品的可追溯性和批次間的一致性。我院在生產和管理中按照AS 9100C的要求，加強了產品的過程控制，確保所有過程都有文件可依，并且嚴格按照文件的規定運行。

4 航空用橡膠型材的發展趨勢

以波音和空客兩大民用飛機公司為代表的飛機生產集團，已形成一套完整的民用飛機大型橡膠型材的橡膠材料選用系列和規范，并隨著新材料的開發和應用不斷完善和補充；形成了完備的產品體系、結構設計技術、執行標準和工藝，同時具有完整的質量控制體系和成品性能評價手段[6-7]。

4.1 橡膠材料配合技術和測試技術

現代航空業的飛速發展對材料性能的要求越來越苛刻，對材料壽命的要求也越來越高。配套的橡膠密封型材應具有耐高低溫、阻燃、環保等綜合性能。從而對橡膠材料配合技術提出了更高的要求。傳統的橡膠材料配合技術采用機械共混等較為簡單的工藝，得到的橡膠材料性能穩定性和均勻性都難以滿足航空用橡膠材料的性能要求。原位配合共混技術將材料的配合從宏觀擴展到微觀，可以使橡膠基體與配合劑在反應平衡的環境下更好的接枝、交聯，充分發揮各自性能，從而滿足未來航空業對高性能橡膠材料的要求。

傳統的橡膠材料性能測試只是進行幾組單一的物理性能測試，然后理論分析其整體性能，對一些特殊的功能性要求不能提供合理和有效的數據支持。只有通過組合式的測試手段，對影響橡膠材料密封性能的因素進行全面測試，才能有效反映出材料的真實性能。

4.2 產品成型可控技術

任何一種產品的成型都與材料自身的工藝性能關系密切。材料工藝性能好，可以用最小的能耗、最短的時間制備出外觀、尺寸、性能等綜合性能良好的產品。橡膠硫化成型一般分為模壓硫化、擠出預成型硫化、擠出連續微波硫化、硫化罐硫化成型，不同橡膠材料有各自適合的硫化成型方式，不同硫化成型方式有各自的優點。

由于飛機機體是一個復雜的立體結構，所用橡膠密封型材為復雜的空間延伸結構，并要根據功能要求選擇復合鋁板和織物，傳統的二維成型技術已經滿足不了其生產要求，需要向三維立體成型技術發展，以滿足型材使用的密封可靠性。

4.3 產品疲勞分析

為保證航空用橡膠型材設計的有效性，確保產品使用過程中可以持續滿足最初的設計要求，可以利用有限元分析軟件對橡膠型材建立數學模型，進行疲勞分析。疲勞分析對橡膠密封型材的設計和改進至關重要。疲勞分析中的載荷周期、型材材料、成型工藝等因素對疲勞分析結果影響很大，需要綜合考慮這些因素才能獲得更精確的分析結果，建立的數學模型也更接近實際使用情況。

4.4 性能一致性和使用壽命評價技術

為了使航空用橡膠型材滿足要求，必須建立一套性能一致性、使用壽命和成型專一性的評價技術。從原材料采購、材料配合、材料混煉到制品硫化都應該有唯一的標識，使橡膠型材在各生產階段都有可追朔性，從而控制橡膠型材的性能一致性。必須真實地模擬橡膠型材使用工況，在相應的環境下通過室溫等效原理模擬橡膠型材的使用狀況，并通過實驗數據分析，得出更為可靠的橡膠型材使用壽命。

5 結語

近年來我國航空用橡膠型材研制取得了長足的進步，但技術水平仍需大幅提高。我國航空用橡膠型材的研究和開發應遵循適航理念，綜合考慮產品的功能性、可靠性和一致性，研制出耐天候老化性能好、對氣和水密封性能優異、使用壽命長的航空用橡膠型材，縮短我國與國外航空用橡膠型材技術的差距。