膨體聚四氟乙烯密封材料在民機上的應用

李韋翰

（上海飛機設計研究院，上海201210）

膨體聚四氟乙烯密封材料在民機上的應用

李韋翰

（上海飛機設計研究院，上海201210）

民用飛機受經濟效益影響的推動，在研發時對重量指標的要求愈加嚴苛，對維護時間與維護便利性的需求也越來越高。考慮到膨體聚四氟乙烯（ePTFE）用作密封材料具有許多優良的性能，近年來廣泛運用于國外民用飛機的接觸面密封以滿足重量與維護性的需求。基于此，簡述了膨體聚四氟乙烯密封材料在民機應用上的發展優勢，給出國內民機常見應用范圍。

膨體聚四氟乙烯；民用飛機；密封材料；復材面板；維護性

現代民用飛機通常有著眾多的口蓋與大面積的復合材料面板，以便運營時的系統設備使用與日常檢查維護等。這類結構在連接時需要使用特定的密封劑或密封墊片，通常是各類橡膠、聚碳酸酯、硫化膠等，這些密封材料自身性能存在著諸多不足，比如重量大、適溫區間狹窄、易老化、耐油性差、阻燃性差、機械性能差、安裝不方便、壽命短，維護要求高等，在競爭越來越激烈的民機領域逐漸無法滿足設計要求，因此，在現下的民機設計中，需要一種通用性好，使用方便、性能優良的密封材料滿足苛刻的重量與維護性需求。

本文通過在國產民用飛機的設計研發中使用新型膨體聚四氟乙烯（ePTFE）材料替代傳統橡膠和聚酯膜薄密封件，達到減重增效的目的，提高飛機的市場競爭力。

1 產品描述與國外應用現狀

聚四氟乙烯（PTFE）是一種誕生于二戰時期的軍用材料，當時用于昂貴的特殊軍用產品，在戰后才進行解密并用于民用工業用途。膨體聚四氟乙烯（ePTFE）是美國格爾公司研發的用于航空工業用途的密封件材料（GORESkyFlex）[1]，其特有的微型定向纖維結構顯著增強了抗拉強度與耐高溫性能。該產品具有諸多優異的性能，在用于飛機密封件領域，相比傳統材料，主要有以下幾個方面：

（1）使用時隨拆隨用，無需固化或硫化，預成形體直接用于一些形狀奇異的口蓋或面板，大大縮短安裝周期。

（2）具有寬闊的溫度適應區間（-240℃/+260℃）。

（3）良好的耐老化性，蠕變性能，如圖1所示。

（4）低密度。

（5）安全環保，允許多次裝卸，減少使用成本。

（6）優異的耐腐蝕性，可以抵抗幾乎所有已知的航空潤滑油，液壓油，燃油、各類膠黏劑等化學品的腐蝕，耐燃油型還能額外抵抗燃油浸潤，如圖2所示。

圖1 蠕變測試

圖2 長期浸潤試驗，左側高強型，右側耐燃油型

膨體聚四氟乙烯密封材料按適應區域與自身性能分為標準型、高強度型、耐燃油型等，具體性能如表1所列。

表1 SkyFlex各系列主要性能

隨著產品性能與產能的提升以及價格的下降，以往只用在軍機與航天設備的材料逐漸被引入到民用飛機設計中，隨著波音777的客貨艙地板率先應用后，波音的737/767/747系列也通過服務通告或者手冊的形式換裝了此類密封件，最新的787系列更是應用在幾乎所有的地板組件、襟縫翼面板、各型維護口蓋、翼身整流罩復材面板等與骨架的貼合面上。空中客車公司也在A380的研發上優先在平尾油箱與客貨艙地板上使用，隨后也通過服務通告和手冊的形式給A320系列（包含A318，A319，A321），A300/ A330/A340系列的機翼油箱檢查維護口蓋、雷達罩、平尾檢修口蓋、客貨艙地板等結構換裝了此類密封件，最新研發的A350系列同樣也應用在幾乎所有適用的位置。同時，全球其他先進民機制造商，如龐巴迪、巴航工業、灣流等也陸續通過服務通告和手冊的形式分別對CRJ，Challenger，ERJ，G系列等機型上的適用結構進行了換裝。

2 國內應用現狀與發展

國內對膨體聚四氟乙烯密封材料的研究一直落后于國外，無法提供滿足要求的高性能產品[2]，又因此類產品涉及軍事用途，西方國家禁止對我國出口，導致國內自主研制的民機直到本世紀初之前都無法選用。我國民機制造商在這些結構上只能選用傳統密封材料，在激烈的國際民機市場競爭中處于不利地位。近十年來西方陸續放開各型高性能膨體聚四氟乙烯材料對我國的禁售，國內的民機制造商得以選擇本材料替代傳統材料。

國內新型民機設計中首先在襟翼面板與骨架連接面上嘗試使用，如圖3所示。從圖4可以看出經歷長時間飛行載荷后面板與骨架連接面基本無損傷痕跡，同期檢修的使用雙組份硫化密封膠密封的同類型結構位置已經出現一些腐蝕的痕跡。

圖3 接觸面基本無損傷

圖4 使用硫化密封膠處出現腐蝕

商用客機在每次拆卸檢修后使用密封膠的面板需要先清理表面，再使用多組份硫化密封膠在現場固化，大大增加了檢修時間，特別是外場條件下，如進行大塊區域的拆卸檢修，僅重新密封就會花費大量工時，這很大程度上增加了運營商的運營成本。

此外，一些存在震動，需要抗磨損性能的部位，比如翼身整流罩骨架與復材面板之間，以往通常使用聚碳酸酯墊片，在長時間飛行后，聚碳酸酯對金屬骨架的保護良好，但是與之連接的復材面板卻存在大量磨損，如圖5所示。這些損傷縮短了復材面板的使用壽命，增加了飛機運營成本。

圖5 復材面板存在較多損傷

客艙地板對密封的要求也比較高，傳統地板使用復材封邊膠進行密封，長時間運營后因對縫處的磨損，加上客艙灑落的飲料，冷凝水等液體對地板邊緣的腐蝕，導致地板蜂窩區含水量上升，重量增大，降低了運營效率，如圖6所示。

圖6 客艙地板蜂窩損傷

民機上還有很多部位對密封性能有著較高的要求，比如各系統管路檢修面板、平尾面板、垂尾前緣面板、航行燈燈罩、機翼前緣、駕駛艙風擋、雷達罩等，此外還有一些部位對密封材料有耐燃油的要求，比如機翼油箱檢修口蓋，中央翼油箱檢修口蓋、燃油應急放口蓋等，以往這些口蓋的密封只能選用高性能橡膠密封圈，每次拆卸都需要換新，單個密封圈的成本高達千元以上，若更換為可重復使用的耐燃油膨體聚四氟乙烯后，可至少50次拆卸后才需要更換，很大程度上節約了成本提高了效率，如圖7所示。

圖7 預成型耐燃油墊片

基于上述考慮，新研發的國產民機將參考國際主流機型，在大多數前文提及的部位使用膨體聚四氟乙烯密封材料密封；在役的機型可以通過服務通告或者手冊的形式逐步更換；處于概念設計階段的機型則可以統一需求，在滿足壓縮量控制和氣動外形保持的基礎上統一提出對密封材料的需求，形成規范文件以降低研發成本提高研發效率。

3 結束語

膨體聚四氟乙烯密封產品已在歐美國家使用了近20年時間，在各類軍用飛機和民用飛機上已廣泛使用。現將此類材料引入到國內民機研制中，利用其優異的機械性能，溫區廣，耐老化，耐腐蝕等優點替代傳統密封材料，節省大量重量，減少維護時間，提升維護便利性，提高了飛機航線運營效率，降低了運營成本。

受限于國產材料本身的性能與通過FAA及EASA等適航審定認證的艱難，現民機設計中只能選用進口材料，期待未來能有進入適航審定認證材料選用目錄的國產材料選用，進一步提升國產民機在國際上的競爭力。

[1]徐博，朱光明，祝萌.航空航天用膨化聚四氟乙烯密封材料研究進展[J].中國塑料，2013（08）：8-12.

[2]高亦嵐，姚磊.航空用膨化聚四氟乙烯密封材料的研究和應用[J].世界橡膠工業，2013（03）：38-42.

Application of Expanded Polytetranuoroethylence（ePTFE）Civil Aircraft Sealant

LI Wei-han
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

Driven by the economic benefits impact，the weight index requirement is increasingly stringent in the research and development of civil aircraft.The demand for maintenance time and maintenance convenience is also increasing.Considering that the expanded polytetrafluoroethylene（ePTFE）used as a sealing material has many excellent properties，it has been widely used in civil aircraft in recent years to match the needs of weight and maintainability.This paper describes the development of the advantages of ePTFE sealing material in civil aircraft applications and gives the common field of application in domestic civil aircraft.

expanded polytetranuoroethylence；civil aircraft；sealant material；composite panel；maintenance

TQ325

B

1672-545X（2017）06-0211-03

2017-03-24

李韋翰（1987-），男，江蘇揚州人，工程師，工程力學碩士，從事商用飛機結構設計工作。