膨體聚四氟乙烯密封材料在航空領域的應用

徐志梁，胡群義

（浙江賽迅環保科技有限公司，浙江 湖州 313099）

膨體聚四氟乙烯（e-PTFE）是一種具有特殊微觀結構的高分子功能材料，是由100%聚四氟乙烯（PTFE）組成，他的多向拉伸纖維結構使其具有獨特的性能。這種材料不僅保持了PTFE本身卓越的耐蝕性、耐候性、低滲透性、耐高壓性和抗高低溫性能，以及良好的不粘性、無毒和無污染性；同時，其特殊的高度纖維化的微觀結構賦予了材料較高的壓縮回彈率、極低的壓縮性和蠕變性，可極大地抵抗冷流蠕變和螺栓鎖緊力衰減，從根本上解決了PTFE對蠕變和冷塑變形阻抗能力較差的缺點，廣泛使用在石油、化工、食品加工、精細化工、電子、冶金、船舶航空等行業。

根據航空器對密封材料的要求、相關使用部位和實際使用需求，以及e-PTFE的特性，對e-PTFE 密封材料在航空領域的應用前景進行分析，以期為這類材料在航空器上科學、合理的應用提供參考。

1 產品及其國外應用現狀

e-PTFE 密封材料研究以美國的Garlock 公司、Gore（戈爾）公司和Fluoor Platics公司、以及英國的Flexitallic 公司為代表，他們的技術和產品性能在PTFE 密封材料應用中處于領先地位，尤其美國Gore 公司于20 世紀80 年代發明了拉伸法制備e-PTFE，這是目前制備e-PTFE的主要方法[1-2]。Gore公司的Gore-Text 產品、Garlock 公司的GYLON 系列產品及Flexitallic 公司的Sigma 系列產品已被廣泛應用。其航空用e-PTFE 密封產品（GORE?-SKYFLEX?）成功應用于航空領域，具有良好的低應力密封性和耐腐蝕性，能耐飛機上所有已知的化學品，如液壓油、潤滑油、航空燃料和各種酸堿鹽的腐蝕[3-4]。與傳統密封材料相比，其優勢有以下幾個方面：

1）帶材和模切件重量輕，材質軟，無需固化和硫化，易于安裝，能有效節省時間，通常用作現場成型密封材料的替代選擇，能夠簡化飛機裝配流程，經過多次拆裝后仍然保持防護性能，降低生命周期成本，有助于達成飛機制造和維護既定目標。

2）具備高度貼合性，提供可靠、預期的表面保護、有效的密封和縫隙填補。

3）在惡劣環境保持卓越的性能表現，如震動、磨蝕，燃油、化學品、液壓油，并有非常寬的環境應用溫度范圍（-240～260 ℃）。

4）無害材料、使用安全，減少對環境的影響。

5）可重復使用的密封材料，降低生命周期成本。

6）經認證可應用于民用和軍用的多種機型，以及固定翼或旋轉翼飛機。

GORE?-SKYFLEX?航空材料根據航空器應用區域和材料性能可分為標準型（普通防水）、高強型（高強防水）和耐燃油型。從產品使用部位和功能上有航空帶材和航空模切件。主要性能和技術參數參見文獻[5]。

e-PTFE 航空密封產品已在歐美國家使用了20多年的時間，在各類軍用飛機和民用飛機上的檢修口蓋、天線模切件螺絲密封、貨艙地板/結構、干艙模切件、引擎罩、外部燃料箱、整流罩、燃油腔、燃油口蓋、直升機尾梁、前緣D 型件、燈光組件密封、客艙地板和皮托管等廣泛使用，例如F-15、F-16、F-22、F-35、T-45等軍用飛機，空客A380、波音777等商用飛機。

2 國內應用現狀和發展

國內對e-PTFE 密封材料的研究一直落后于國外，航空用e-PTFE 型材尤其如此。又因此類產品涉及軍事用途，西方國家對某些規格限售和禁售，在提供成品件時要求我方提供相關參數以了解我國的飛機設計能力、相關參數和研制現狀。同時，航空材料在名義航空器應用需適航審定認證，故相關應用進展緩慢。

我國在上世紀90 年代初研制的新型軍用教練機、多用途殲擊轟炸機過程中，為解決上口蓋、油箱的密封問題，設計人員搜集各類材料性能，了解到e-PTFE 密封材料在國外的應用情況，通過實際驗證第1次將此產品運用于國內飛行器上。從此，Gore 公司的e-PTFE 密封型材在我國的飛機上被大量應用。

隨著我國航空業的飛速發展，特別是國產單通道噴氣式客機C919 于2017 年5 月5 日首航成功，必將為e-PTFE 密封產品提供更廣闊的應用前景。但其面板密封與表面防護采用的是GORE?-SKYFLEX?航空材料（帶材和模切件），國產材料無論是產品質量和種類不能滿足相關要求，特別是航空器進入民用和國際市場，必須進行適航審定認證。同時，如果相關產品和技術都掌握在他人手中，在飛機設計和保護相關核心秘密難免會受到限制。特別是近年來美國對我國的貿易爭端和相關領域的制裁，以及對高端產品供應鏈的控制等，這就對該類產品的研發和國產化提出了緊迫要求。

3 國產化及應用研究概況

2004年由沈陽飛機設計研究所（簡稱601所）聯合上海市塑料研究所，進行長達8年多的研制，通過對國外航空材料的分析，進行了PTFE樹脂的選擇、雙向拉伸工藝對微觀結構的控制、熱定型對力學性能的影響等作了詳盡的研究，終于成功研制性能和外觀與國外產品等同的國產化產品[6-8]。相關產品為高強型、耐油型和防水墻型3大類。其中，高強型密封型材分為帶材和板材，耐油型密封型材為板材，防水墻型密封型材為帶材。

中國航空工業集團公司第一飛機設計研究院根據飛機實際使用區域和密封、日常維護要求，考察了航空用普通型、增強型2 種e-PTFE 密封材料的微觀結構和力學性能，并探討了微觀結構對材料力學性能的影響[9]。為這類材料在飛機上科學、合理的應用提供了理論依據。

上海飛機設計研究院通過在飛機襟翼面板、客艙地板、機翼油箱檢修口蓋，央翼油箱檢修口蓋、燃油應急放口蓋等部位使用e-PTFE 材料替代傳統橡膠和聚酯膜薄密封件的研究，并在商飛C919上得到應用[10]。

成都飛機工業（集團）有限責任公司部裝二廠對GORE?-SKYFLEX?航空材料進行安裝工藝方法研究，通過改進工藝和采用獨特安裝工具，根本上解決密封材料起絲、階差超差等問題[11]。

西北工業大學對航空航天用e-PTFE 密封材料的國內外研究作了評述，分別就拉伸法、成空劑發泡法等作了介紹，為開展此類材料研究提供參考[12]。

4 e-PTFE密封材料的研制

4.1 產品及性能

浙江賽迅環保科技有限公司e-PTFE 密封材料產品目前主要為高強型板材，已廣泛應用于化工、電子等行業。相關性能參數見表1[13]。

表1 浙江賽迅e-PTFE密封材料相關參數Tab 1 e-PTFE sealing material related parameters

航空用e-PTFE 密封材料產品也已研制成功，相關測試和認證也正在進行中。

4.2 生產工藝

e-PTFE密封材料采用分散PTFE樹脂經雙向拉伸成膜后多層疊合熱定型加工而成。其工藝流程如圖1。

圖1 e-PTFE密封材料生產工藝流程Fig 1 e-PTFE sealing material production process

耐燃油型密封材料在疊合定型前需進行耐油處理。

4.3 技術關鍵

4.2.1 樹脂的選擇

PTFE 樹脂有懸浮樹脂和分散樹脂，后者前者具有成纖性，在剪切力的作用下細粉顆粒之間能夠形成一定強度的絲網結構。分子呈電中性，粒子間的凝聚力低，分子鏈受到很小的剪切作用就會沿粒子長軸方向排列，形成線形結晶，而且燒結成型后的分散PTFE 較懸浮PTFE 的結晶度大，在稍高于熔點溫度如340～360 ℃燒結就可得到較好的強度[14]。另外，由于懸浮PTFE 顆粒之間的黏合性很差，成型性差，難以滿足加工成片材的要求。

在相同的加工工藝條件下，隨著分子量和分子鏈長度增加，分子間的纏繞越厲害，分子間的作用力增加，分子鏈被拉開成纖維的結構也越多。其微觀結構和力學性能更加優異。為此，采用巨化集團有限公司生產的超高分子量PTFE分散樹脂使產品具有優良的物理化學性能和力學性能。

4.2.2 拉伸工藝控制

采用恒溫恒濕環境下進行混合、熟化和特殊前處理工藝使產品的力學性能、纖維的微觀結構穩定均勻。對模頭進行重新設計，改進擠出過程中的模頭，改變PTFE 薄膜的厚度以及橫縱長度，進而調節PTFE 雙向拉伸工藝來改變PTFE 多孔膜的孔形狀，結合熟化PTFE的非線性流變特性，優化拉伸過程中的工藝參數，制備可控孔隙率和高力學強度的PTFE 多孔膜材料。采用縱向拉伸2.0～2.5倍、橫向伸3.5～4倍，產品的微觀結構和力學性能優異。

4.2.3 疊合高溫燒結控制

通過熱傳遞和熱場模擬，研究層壓工藝對PTFE 耐高溫彈性密封板的力學性能的影響，解決復合速率、加熱溫度、加熱時間及冷卻速率等因素的控制。采用大口徑滾筒、熱風循環和，自動溫度控制系統的疊合高溫燒結設備解決了溫度傳熱梯度控制的難題，使e-PTFE 密封產品具備優良的力學性能（拉伸強度、層間剝離強度、壓縮比）等，提高了生產效率。

5 結束語

e-PTFE 密封產品已在歐美航空耗材市場使用了30 多年時間，此類材料具有良好的低應力密封性和耐腐蝕性，能耐飛機上所有已知的化學品，替代傳統橡膠密封材料用于航空器，可節省大量重量，減少維護時間，提升維護便利性，提高飛機航線運營效率，降低運營成本。

隨著我國航空業的飛速發展，對航空材料的需求和性能的提升，必將為e-PTFE 密封產品提供更廣闊的前景。但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，特別是美國對我國的貿易爭端和相關領域的制裁，以及對高端產品供應鏈的控制等，這就對該類產品的國產化提出了更高要求。特別需要相關企業、研究機構共同努力應用開發研究，加快國產材料的應用研發和適航審定認證。