機載設備殼體密封設計

孫 巖

（太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006）

引言

隨著科技的進步與發展，機載設備集成化程度日趨提升，且電子類機載設備的功能越來越多。同時，隨著各個機型的相繼服役，機載設備服役環境也越來越廣，其中尤以具有高溫高濕高鹽，并且大氣中極具腐蝕性的海洋氣候環境為最。因此，為滿足機載設備的性能要求，解決濕熱、鹽霧、真菌等環境適應性問題，殼體密封設計是最有效的途徑之一。同時，密封設計只是機載設備結構設計的其中一方面，還需考慮其應兼顧設備電磁兼容性及散熱等方面設計。

本文主要介紹了機載設備殼體密封設計的思路、密封材料選擇及一些典型的密封結構。

1 密封設計思路與原則

1.1 思路

在密封設計過程中，首先應對設備材料是否滿足環境適應性要求進行評估，同時對設備殼體進行防護層涂覆。若上述兩項措施已滿足設備設計要求，則無須再進行額外密封設計。一般來說，對機載設備的所有零部件均進行抗腐蝕設計會大大增加制造成本，且工藝結構復雜，很難保證所有零部件均滿足環境適應性要求，尤其針對海洋氣候環境，因此，對相應電子設備的密封設計應著重考慮[1]。

1.2 原則

在密封設計過程中，應綜合考慮設備的環境適應性及其他性能要求，并在方便維修、降低成本的基礎上實現最優設計。具體設計原則如下：

1）密封設計結構不應過于復雜。設計人員應在不對設備結構本身提出過分要求的基礎上，用最低成本、最易維修的措施來實現密封要求。

2）密封材料應具有優良的“三防”（防真菌、防潮濕、防鹽霧）性能。設備的密封質量與所選的密封材料直接相關，密封材料的選擇直接影響到設備的可靠性。

3）密封設計應考慮到溫度變化引起的設備內外壓力差，并對此作出針對性設計。

2 密封材料選擇

隨著材料科學的發展，出現了許多新型的密封材料，選擇適宜的密封材料是密封設計的第一步。依據密封材料的物態特征，可將其分為固體密封材料和液體密封材料兩大類。

2.1 固體密封材料

橡膠是機載設備中最常見的密封材料之一[2]，可以將其制成條狀、帶狀、片狀，適用于不同結構形式的密封。橡膠具有彈性高、相對體積質量低等特性，若對其加以改性，還可具備耐油、耐腐蝕等性能。此外，在電子類機載設備中，導電橡膠類制品具有廣泛的應用場合。導電橡膠是通過特殊工藝制成的，可同時滿足機載設備電磁屏蔽和環境密封的要求。

橡膠的物理、機械性能與一般的結構材料差別很大，其壓縮彈性模量與體積彈性模量存在較大差異，其中壓縮彈性模量僅為3～8 MPa，而體積彈性模量高達220 MPa。因此，在將橡膠作為密封材料時，密封結構要充分考慮橡膠在其他方向上的形變。橡膠的密封主要是利用凸出部分與殼體間的壓力而達到密封效果，密封效果主要在于橡膠變形量的大小。實踐證明，當橡膠變形量在25%～30%時，密封效果最佳。橡膠種類較多，針對航空類機載設備，一般情況下多選用“三防”性能及耐候性能良好的硅橡膠、硅氟橡膠等。

2.2 液體密封材料

液態密封劑是以高分子化合物為基體的黏稠狀物質，可作用于各種結合面，形成穩定、均勻、連續的薄膜，并且能充分填充到結合面的縫隙當中。其氣密性能良好，能有效防止濕氣進入縫隙。有些密封劑具有耐油、耐水、耐溶劑，耐熱、臭氧和大氣老化，耐紫外光、低溫，屈撓性好，能在寬廣的溫度范圍內長期使用等綜合性能[3]。

密封劑根據使用狀態，一般可分為硫化型和非硫化型密封劑；根據化學成分，可分為聚硫密封劑、硅密封劑、氟硅密封劑、聚氨酯密封劑、環氧樹脂密封劑等。液態密封劑不同于固體密封材料，其不存在因壓縮變形而產生的內應力，沒有松弛和蠕變，是一種常用的密封材料。

使用液態密封劑時，應注意使變形有利于結構密封或密封結構在載荷作用下引起的相對變形量應較小；密封連接部位應最好有相近的剛度，使結構間的相對變形減小。

產品在進行密封設計時，應根據設備的實際情況，參考設備的使用環境和結構安裝形式進行綜合考慮，選擇適宜的密封材料。

3 典型密封結構

現有機載設備殼體設計以實現功能性能、“五性”（可靠性、維修性、安全性、測試性和保障性）和電磁兼容性能為主，但對于使用環境惡劣的設備，還要考慮殼體的密封設計。對殼體進行有效的密封設計，即將殼體內的零部件、電子元器件與外界環境隔離，阻止濕氣和鹽霧等進入設備內部腐蝕元件。

密封結構設計是利用密封原理將密封材料填充到經常需要拆卸或永久密封的接縫中。殼體密封設計一般包括殼體搭接處的密封、緊固件區域及電連接器等穿透類元件部位的密封，一些電子設備殼體在滿足水氣密封的同時還要求電磁屏蔽密封。

3.1 殼體搭接密封設計

殼體搭接處的密封結構形式多種多樣，以同時滿足水氣密封和電磁密封為前提，其中，若只使用了導電橡膠在殼體接縫處進行密封，當水氣從殼體縫隙侵入時，由于導電橡膠圈中摻雜銀粉或鋁鍍銀粉，機載電子設備殼體一般同樣使用鋁合金，容易發生電化學反應，導致殼體被腐蝕，使得設備水氣密封和電磁屏蔽失效。在環境惡劣的海洋環境下，不推薦使用該種密封方式。正確方法是在外界大氣與鋁鍍銀導電橡膠條間再加入一層防水設計。方法之一為在導電密封橡膠圈外使用密封劑，該種密封方式應注意密封結構間尺寸應恰當，密封劑填充應留有足夠的厚度余量，盡量采用工具施工，以提高密封的可靠性；方法之二是直接采用復合導電橡膠墊，該種橡膠墊由硅橡膠和導電橡膠復合形成，具備結構緊湊、壓縮性好和裝配性好的工程優勢，其密封機理是外側硅橡膠層起水氣密封作用，內側導電橡膠層實現電磁屏蔽功能。以上兩種方式在機載電子類設備設計中經常使用。

3.2 緊固件密封設計

當機載設備殼體不可避免地在頂部設置緊固件時，冷凝水特別是從上部滴落的液體，有可能從緊固件孔侵入設備內部，且緊固件安裝時易損傷孔的表面處理，使得螺釘孔本身特別容易受到腐蝕，增加緊固件位置處的滲漏。另外，緊固件配合部位，尤其電搭接部位常常為多種金屬接觸，當有電解液存在時容易發生腐蝕，因此這些部位的緊固件非常有必要進行密封設計。

緊固件的密封一股采用聚硫密封劑進行濕安裝，或者端頭封包。對于干涉配合的埋頭緊固件，裝配之前在緊固件頭部下涂密封劑，或用密封劑覆蓋整個埋頭窩；對于干涉配合的凸頭緊固件，在緊固件的頭部下涂密封劑，或在孔周圍的結構件表面涂密封劑，確保緊固件頭部和殼體結構之間擠出的密封劑連續。對于間隙配合類的緊固件，如果是埋頭緊固件，沿緊固件周圍被均勻擠出的密封劑應與緊固件頭部或者結構表面平齊；凸頭類的緊固件，沿緊固件周圍被均勻擠壓出來的密封劑不得超過緊固件頭部高度的1/2。

可拆卸緊固件密封安裝時，可采用膩子或潤滑脂代替聚硫密封劑，涂于連接孔內或螺栓、螺釘桿部，然后擰入孔內。

緊固件端頭封包采取刷涂或包覆形式，以便完全覆蓋整個緊固件連接處，形成一套完整覆蓋層。

3.3 電連接器密封設計

穿透設備殼體的電連接器的密封設計也是整機密封設計的重點之一。電連接器的密封形式有密封墊形式、密封劑填角，或者兩者同時使用。當設備無導電要求時，密封墊選用絕緣橡膠墊，否則選用導電橡膠墊；當設備導電要求較高時，安裝電連接器前，可打磨安裝面板結合面處，之后加涂導電膠或導電橡膠墊，當進行防腐蝕密封時，安裝孔與電連接器側壁應進行填角密封。

4 結語

艦載機載設備殼體的密封設計應綜合考慮設備的環境適應性要求，并在方便維修、降低成本的基礎上進行最優設計。在殼體密封設計的同時應能滿足電磁屏蔽要求、散熱要求和防水要求。隨著材料科學研究的不斷深入，密封材料的種類多樣化，性能持續改進，密封設計中應盡量選用耐候性好、抗腐蝕性能良好的密封材料，以提高密封的質量和可靠性。殼體密封設計時也應從殼體的結構設計出發，例如將殼體設計為整體式，以減少密封縫隙來提高設備的密封性能。