民用飛機高強型膨化聚四氟乙烯密封材料研究

楊雪梅，朱子旻，李震

（上海飛機設計研究院，上海 201210）

聚四氟乙烯（PTFE）具有良好的耐蝕性、耐候性，無毒、無污染和抗高低溫，是一種較好的密封材料，已廣泛應用于航空航天、醫學和石油化工等領域。1976 年美國戈爾公司通過對聚四氟乙烯進行結構改性，將具有高分子量、高結晶度的PTFE 樹脂經特殊拉伸工藝制備出新型膨化PTFE制品，稱為膨化聚四氟乙烯（e-PTFE）。e-PTFE 既保持了PTFE的優良性能，還克服了抗壓縮蠕變性和壓縮回彈性較差、強度低、不耐磨和線膨脹系數大的缺點，具有較高的機械強度[1]。因此，e-PTFE作為新一代密封材料受到了廣泛的關注。

e-PTFE 材料可為民用飛機提供可靠的表面保護、有效的密封和縫隙填補，其密度約為0.4～0.8 g/cm3，不到傳統密封劑的一半。同時與其他傳統密封材料（橡膠和密封劑）相比，該材料具有柔性結構，能夠貼合復雜形狀和不規則表面，無需固化、易安裝、易拆卸和可重復使用等優點，廣泛應用于各種飛機型號。民用飛機使用e-PTFE 密封材料可以實現減重效果[2]。另外該材料耐老化性能極好，不受紫外線、溫度和濕度等環境條件影響。因此，現代民用飛機制造過程中大量使用e-PTFE 產品，主要用于機身機翼面板、翼身整流罩、客貨艙地板和維修口蓋等需要經常拆卸和維護部位的密封和防腐蝕，可大幅度縮短制造和維護時間，有效降低民用飛機全壽命周期的綜合成本。

在歐美等發達國家，e-PTFE 密封產品已應用在各類軍用及民用飛機上近20 年。作為傳統密封材料的優質替代產品，e-PTFE 可有效減重、減少維護時間，降低運營成本且提高了飛機航線運營的效率。e-PTFE 屬于我國民用飛機研制的關鍵材料之一，開展國產e-PTFE 密封材料研制有助于逐步推進我國民用飛機設計實現自主可控。

e-PTFE 密封材料分為標準型、高強型和耐燃油型等[3]。其中標強型為單向拉伸結構，拉伸方向的強度較高，但多層復合的膜會影響材料的層間結合力，故尺寸穩定性會相對較弱；而高強型及耐燃油型均為雙向拉伸結構，拉伸強度相當，層間結合力相對較高，故尺寸穩定性較好，應用也更為廣泛[4]。

本研究按照宇航材料標準SAE AMS3255(B)分析高強型e-PTFE密封材料的性能[5]。對標具有國外民用飛機成熟使用經驗的高強型e-PTFE 材料，對2 種國產高強型e-PTFE 材料開展全面性能測試，綜合對比國產及國外成熟材料的性能，分析國產e-PTFE材料的應用前景。

1 實驗部分

1.1 e-PTFE的制備

按照圖1所示的工藝流程制備了2種厚度規格的國產高強型e-PTFE材料，名義厚度分別為0.5 mm和1.5 mm。

圖1 高強型e-PTFE制備工藝Fig 1 Preparation process for high strength e-PTFE tape

首先在PTFE分散樹脂中加入適量的助擠劑均勻混合，使PTFE樹脂顆粒表面浸潤且另其分子團聚[6]；隨后進行推壓、壓延及干燥，得到纖維狀預成型品。后續按一定拉伸速率對預成型品進行雙向拉伸形成e-PTFE 膜，最后多層疊合熱處理得到高強型e-PTFE制品[7]。

1.2 測試方法

嚴格按照宇航材料標準SAE AMS3255(B)對國產與國外成熟e-PTFE 材料各2 種厚度規格（名義厚度分別為A 0.5 mm 和B 1.5 mm）進行外觀、厚度、密度、低溫柔韌性、腐蝕性能、本體拉伸強度、熱老化拉伸強度、耐溶液拉伸強度以及微觀形貌等項目進行全面測試。具體測試項目及測試方法如表1所示。

表1 e-PTFE密封材料的測試項目及測試方法Tab 1 Test requirements and methods for e-PTFE sealing materials

2 結果與討論

2.1 綜合性能

2種厚度的國產和國外成熟e-PTFE材料（C和D）的綜合性能如表2所示。

從表2 可以看出，2 種厚度規格的國產高強型e-PTFE 材料均滿足宇航材料標準SAE AMS3255(B) 2 類2 型的性能要求；可在溫度-73～260 ℃內使用，并在酸性鹽霧環境中可保護結構材料避免腐蝕；其密度與國外成熟材料均約為0.5 g/cm3，可推測出2 種材料的膨化水平可能相當。2 種國產高強型e-PTFE材料可滿足民用飛機的基本使用需求。

表2 國內外e-PTFE密封材料綜合性能數據Tab.2 Comprehensive performance data of e-PTFE sealing materials at home and abroad

2.2 形貌分析

高強型e-PTFE 材料是由多層膜復合而成的，圖2為A和C復合前后的材料的SEM照片。

圖2 國內外e-PTFE的SEM照片Fig 2 SEM pictures for Domestic and imported mature e-PTFE materials

由圖2(a)和圖(b)可知，二者均呈現節點-纖維網狀結構，膜表面有多處塊狀節點且向四周發散，表現出材料受到不同方向的拉伸。其中，國產材料的網狀結構相對排布較為規律，橫向及縱向的纖維從節點發散較為緊密。

由圖2(c)和圖(d)可知，高強型的e-PTFE 密封材料呈現多層復合的雙向拉伸結構，層間結合力較高，其中節點近似呈球狀，纖維由節點向四周發散呈高孔隙的網狀結構，說明高強型e-PTFE 密封材料具有較好的尺寸穩定性，且網狀結構提高了材料的強度和抗蠕變性能[3]。對比國內外的材料，國產的e-PTFE 密封材料孔隙率相較國外大，膨化效果更佳。

上述分析說明，國產高強型e-PTFE密封材料能夠達到國外某公司成熟密封材料相同的膨化水平。

2.3 拉伸強度

拉伸強度是密封材料力學性能優劣的主要表征依據之一，它反映了材料抵抗拉伸和斷裂的能力。按照材料標準測試不同環境下的拉伸強度，以確保該密封材料在航空領域不同使用環境條件下的拉伸性能仍能符合標準要求。

表3為e-PTFE材料在不同環境下的拉伸強度。

表3 不同條件下的拉伸強度對比Fig.3 Tensile strength comparison under different conditions

由表3可知，密封材料A熱老化后的拉伸強度相對于本體拉伸強度高出33.58%，而耐溶液的拉伸強度均略高于本體的拉伸強度3%～5%，但遠高于標準要求9.0 MPa；密封材料B 在不同環境下的拉伸強度均在12～14 MPa，說明在熱老化及溶液浸泡的條件下均不會降低密封材料的力學性能，還有望提高e-PTFE密封材料的拉伸強度。

對比2 種國外成熟e-PTFE 材料在不同環境下的拉伸強度，密封材料C熱老化后的拉伸強度相對于本體拉伸強度高出16.59%，而耐溶液拉伸強度與本體拉伸強度相當；密封材料D 在不同環境下的拉伸強度均有所提高，說明在熱老化及溶液浸泡的條件下能夠提高e-PTFE密封材料的拉伸強度。

對比國內外e-PTFE 密封材料的拉伸強度，不同規格的國外成熟e-PTFE 密封材料的拉伸強度均大于國產的密封材料。這說明國外成熟密封材料的抵抗拉伸和斷裂的能力較優，國產e-PTFE 密封材料還有待進一步提升。在后續研發中，國產高強型e-PTFE 材料應固化現有技術及工藝，并針對材料抵抗拉伸及斷裂的能力進行持續性能改進和優化創新，以突破國外壟斷技術。

3 結 論

對國產高強型e-PTFE 密封材料進行全面性能測試，表明可滿足SAE AMS3255（B）材料標準中2類2型的性能要求。對比具有成熟使用經驗的國外高強型e-PTFE密封材料的拉伸強度及微觀形貌，2種規格國產e-PTFE 密封材料的本體拉伸強度分別為13.3 MPa 和13.9 MPa，略低于國外成熟密封材料但遠高于相應標準的9.0 MPa；國產e-PTFE呈節點-纖維結構，其高孔隙的網狀結構使該密封材料具有較好的尺寸穩定性，相比于進口e-PTFE 密封材料，國產的孔隙率更大，膨化效果更佳。

綜上，國產高強型e-PTFE密封材料已達到國際標準，能夠滿足裝機要求，可取代已裝機應用的國外成熟e-PTFE密封材料，推進民機材料國產化，從而提高我國航空密封材料的應用質量，促進我國對民機材料的自主可控，推動國產大飛機的發展。