金屬橡膠先進材料技術的應用研究

竇志偉 李俊昇

（1.沈陽飛機設計研究所，遼寧 沈陽 110035；2 .中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028）

標準化是現(xiàn)代工業(yè)管理與工程技術實施的重要手段，通過共性技術的標準化研究，取得廣泛的系統(tǒng)效益和社會效益是標準化的主要目標。當前，新技術層出不窮，與前沿技術緊密結(jié)合，超前實現(xiàn)標準化是工程實踐對標準化工作提出的新需求。本文通過對金屬橡膠技術的研究，對金屬橡膠制品標準化的前景進行了展望，并提出了標準化的建議。

金屬橡膠技術是一項先進的新型功能材料技術，起源于20世紀80年代初期的前蘇聯(lián)，俄文為М е т а л л о р е з и н а。

所謂金屬橡膠是一種均質(zhì)的彈性多孔物質(zhì)，是用一定的工藝方法，將一定質(zhì)量的、拉伸開的、螺旋狀態(tài)的金屬絲有序地排放在沖壓或碾壓模具中，然后用冷沖壓方法而成型的。它的原材料是金屬絲，既具有所選金屬固有的特性，又具有橡膠一樣的彈性，因此而得名。

金屬橡膠技術是解決航空航天環(huán)境下阻尼減振、過濾、密封及熱傳導等疑難問題的關鍵技術。金屬橡膠的阻尼、緩沖、減振性能良好，而且壽命長、不易老化，耐腐蝕。正確選擇孔隙度，還可以使金屬橡膠構件滿足過濾、密封、熱傳導等特殊使用要求［1］。在航空、航天和國防武器裝備等特種環(huán)境下表現(xiàn)出的優(yōu)良性能是其它材料產(chǎn)品所無法實現(xiàn)的。

俄羅斯在該研究領域一直處于國際領先地位，其研究的成果現(xiàn)已廣泛應用于俄羅斯的航空航天產(chǎn)品上。美、英等西方發(fā)達國家對金屬橡膠技術的研究目前尚無確切資料，但從《世界空間技術》雜志上有關類似金屬橡膠的由金屬絲網(wǎng)壓制制成的減振器在飛機發(fā)動機減振應用的報導中，可以看出他們無疑是擁有類似技術的［2］。據(jù)說美國早在U－2飛機上就已經(jīng)使用了類似金屬橡膠材料做減振。但從1986年美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機因其固體火箭發(fā)動機密封不良而失事，可以看出當時美國還未完全掌握金屬橡膠密封技術，之后美國國家航空與宇航局對其進行了大量研究。

我國對金屬橡膠技術應用研究起步較晚，研究成果甚少，但金屬橡膠技術在航空、航天飛行器上的應用已引起各部門重視。鑒于金屬橡膠技術在特殊工況下的良好密封性能，在航空航天領域必將具有廣闊的應用前景。

1 金屬橡膠成型工藝

金屬橡膠材料的制備是將一定質(zhì)量的、拉伸開的、螺旋狀態(tài)的金屬絲有序的排放在沖壓或碾壓模具中，然后用冷沖壓的方法成型。其內(nèi)部結(jié)構是金屬絲相互交錯勾聯(lián)形成類似橡膠高分子材料的空間網(wǎng)狀結(jié)構。在外力作用下，金屬橡膠將克服金屬絲之間的干摩擦阻尼而產(chǎn)生變形，外力消失后，在自身彈性力的作用下恢復原狀。

1.1 金屬絲的選擇

制造金屬橡膠的原材料為各種牌號的細金屬絲，其牌號依據(jù)工作環(huán)境的溫度狀況、腐蝕性介質(zhì)的存在情況、載荷特征等因素決定。若金屬橡膠的工作環(huán)境無腐蝕性，則通常采用30CrMnSiNi2A、50CrVA等牌號的金屬絲，而在高溫和侵蝕性介質(zhì)中工作的金屬橡膠構件，一般采用1Cr18Ni9Ti、GH35、GH220等奧氏體型耐熱不銹鋼來制造，所用金屬絲的直徑取決于制品的尺寸及機械強度性能要求，一般選取金屬絲直徑在0.05 mm～0.3 mm內(nèi)。

1.2 制備螺旋卷

螺旋卷是金屬橡膠材料的基本單元，螺旋卷制備的成功與否，直接關系到制成品的性能。螺旋卷是由金屬絲在凸輪和圓輥碾壓或在條式線軸上纏繞或是在螺旋卷成機上卷制的，成型后的螺旋卷直徑一般在0.5 mm ～3 mm之間。

1.3 螺旋卷的拉伸

制備金屬橡膠產(chǎn)品的原材料是線匝之間有一定螺距的螺旋卷。由于拉伸后的螺旋卷之間很容易相互嵌合在一起，所以為了便于保存，在成型機上制備的螺旋卷，線匝之間是緊密接觸的，要制造毛坯，首先需要將螺旋卷定螺距拉伸，使螺距等于金屬絲直徑，這樣才能保證金屬橡膠產(chǎn)品成型時，各層螺旋卷相嵌最好，并使最后毛坯壓制時金屬絲之間達到最佳嚙合狀態(tài)，獲得較高的體積穩(wěn)定性。

1.4 沖壓成型

將上面的螺旋卷按照一定規(guī)律，通過配料和鋪砌制得金屬橡膠毛坯，將毛坯放入沖模中，在10 MPa～40 MPa壓力下沖壓達到所要求的幾何外形和性能，沖壓是經(jīng)多次循環(huán)加壓情況下完成的。成型后的坯件還要在一定溫度下進行30 min～40 min的熱穩(wěn)定處理。

對于金屬橡膠密封件的成型，沖壓前毛坯的尺寸、形狀要根據(jù)成型后的密封件的尺寸、形狀來確定。在加壓過程中，其成型壓力的大小和方向需依據(jù)密封件實際工作中所承受的載荷大小和方向來確定。螺旋卷在毛坯件中的鋪設方式在很大程度上決定了制成元件的彈性性能和強度。圖1中所示為螺旋卷在密封件毛坯成型模具上的纏繞方向。

圖1 螺旋卷線匝在毛坯成型模具上的纏繞方向

1.5 后期處理

金屬橡膠制品的后期處理主要取決于工作環(huán)境和特殊使用性能。壓制過程中產(chǎn)生的金屬屑和污物等雜質(zhì)會影響金屬橡膠的最終性能，一般都要進行清洗，對無特殊要求的可以用清潔劑清洗，對于彈性阻尼制件要采用超聲波清洗才行。為調(diào)整制件的硬度和塑性，必要時要對制件進行熱處理，如有耐腐蝕性要求，則要涂敷保護膜。

2 金屬橡膠應用研究

我國對金屬橡膠材料技術的研究只有10多年的歷史，主要集中在基礎理論的探討、成型工藝的研究以及滿足特殊要求而進行的專項攻關。金屬橡膠材料應用技術主要集中在阻尼隔振技術和密封技術兩個方面。

2.1 阻尼隔振技術應用研究

據(jù)統(tǒng)計，目前金屬橡膠領域的大多數(shù)發(fā)明與應用都集中在隔振、減振結(jié)構和彈性阻尼結(jié)構方面，約占35%左右，尤其在國防工業(yè)、航空航天飛行器和航空發(fā)動機上得到大量采用。例如，在蘇–27飛機發(fā)動機外部的管路系統(tǒng)均采用的是金屬橡膠隔振卡箍，用金屬橡膠材料替代原來的橡膠材料作襯墊，大大提高了卡箍的使用壽命和隔振性能［5］。

我國多數(shù)軍機上的阻尼減振采用的大都是橡膠隔振器，它雖然具有加工方便、成本低等特點，但在實際工程應用中，由于受橡膠材料固有特性的局限，存在易腐蝕、易老化、阻燃性低和耐高低溫能力差等不足，所以在高低溫、大溫差及腐蝕環(huán)境下的應用受到了限制，影響了飛機液壓系統(tǒng)和發(fā)動機系統(tǒng)管路的減振效果，降低了飛機管路系統(tǒng)的壽命和可靠性。

金屬橡膠材料屬于非線性阻尼材料，靠內(nèi)部金屬絲之間的摩擦消耗能量。金屬橡膠是以金屬絲為原材料，不含有任何普通橡膠，卻具有橡膠一樣的彈性和更強的阻尼性能，非常適用于航空航天高低溫、大溫差及腐蝕性介質(zhì)的特殊工況下的阻尼減振，彌補了橡膠隔振器的不足，可以滿足新型航空產(chǎn)品研制的減振需要，是橡膠隔振器的最佳換代產(chǎn)品。

目前，國內(nèi)在航空阻尼減振方面的研究已經(jīng)取得了可喜的成果，部分產(chǎn)品已經(jīng)應用到產(chǎn)品上，性能達到了國際先進水平，如圖2所示，為前期開發(fā)研制的部分金屬橡膠隔振器產(chǎn)品。

圖2 部分金屬橡膠隔振器產(chǎn)品

2.2 密封技術應用研究

航空產(chǎn)品的密封性直接關系到飛機的安全性、可靠性和可維護性，多數(shù)國產(chǎn)飛機液壓、燃油等系統(tǒng)的密封基本都是通過橡膠密封件保證的。但由于橡膠密封件自身特性的限制，在高低溫、高壓、腐蝕介質(zhì)等特殊使用過程中常常出現(xiàn)永久變形、扭曲、摩擦磨損和化學腐蝕等問題，導致密封失效故障。尤其是液壓系統(tǒng)在低溫條件下的活動密封泄漏問題，一直難以從根本上有效解決，給飛機的安全造成隱患。

由于金屬橡膠材料為不銹鋼絲，具有耐低溫的特性，在低溫工況下依然保持彈性，無老化現(xiàn)象，使用壽命和保質(zhì)期長（≥12年）。它的結(jié)構一般由2部分組成，一是里面的金屬橡膠彈性材料；二是外面的外包皮，要求具有較低的摩擦系數(shù)，外包皮材料根據(jù)使用需要選擇，一般有聚四氟乙烯、銅、不銹鋼或高溫合金等材料。

金屬橡膠制成的密封件在苛刻條件下仍然具有十分優(yōu)良的性能，是傳統(tǒng)橡膠密封件的最佳替代品。

金屬橡膠材料在密封技術應用研究方面，國內(nèi)還處于起步階段，前期工作主要集中在高溫環(huán)境下的金屬橡膠靜密封及端面密封的適應性研究。但在低溫（-50℃～-60℃）環(huán)境下的活動密封性研究還是空白，在國際上也是前沿課題。原因在于難以得出一種基于不同結(jié)構、不同材料在低溫環(huán)境下的低溫彈性和收縮率變化的普遍適用的計算方法；沒有一套比較完善的金屬橡膠低溫活動密封理論分析方法和試驗研究體系。

我們通過與高校聯(lián)合，合作開展了低溫環(huán)境下金屬橡膠活動密封件的應用研究工作，已經(jīng)取得階段性成果，圖3為研制的具有不同結(jié)構參數(shù)和性能特點的部分金屬橡膠密封件產(chǎn)品。

圖3 部分金屬橡膠密封件產(chǎn)品

試驗研究結(jié)果表明，金屬橡膠材料在溫度變化時膨脹系數(shù)越小則材料越穩(wěn)定，材料的密封性能也越穩(wěn)定。對金屬橡膠材料的溫度膨脹特性研究有助于了解該材料在溫度變化時對密封性能的影響，對于超低溫活動密封設計具有指導意義。圖4、圖5分別是部分試驗裝置和部分試驗曲線。

3 結(jié)論與建議

圖4 收縮性能試驗裝置

圖5 不同絲徑平均線脹系數(shù)對比

本文重點介紹了金屬橡膠材料的特點、成型工藝、以及在阻尼隔振和密封技術兩方面的應用研究情況，重點闡述了金屬橡膠材料在航空航天的超低溫工作環(huán)境下，解決活動密封泄漏失效等疑難問題的優(yōu)勢，強調(diào)了開展金屬橡膠材料低溫活動密封應用研究的必要性。除了滿足了航空航天等領域應用的特殊需要，其研究成果還可以推廣應用于船舶、冶金、石油、化工、紡織等國民經(jīng)濟領域。

通過本文的介紹，可以看出金屬橡膠材料與傳統(tǒng)橡膠材料相比具有明顯的優(yōu)越性，具有廣泛的應用價值，也是標準化工作應該關注的重點領域。

考慮到金屬橡膠材料的獨特性能特點，金屬橡膠制品的標準化領域應主要在阻尼隔振與密封件兩類主要產(chǎn)品。

根據(jù)過去幾十年來標準化工作的經(jīng)驗，產(chǎn)品類型的標準化不能只著眼于產(chǎn)品本身，而應該本著既滿足用戶需要，又有利于保證制造商的商業(yè)秘密的原則，在標準化體系建立上追求配套完整性與體系開放性，在管理上追求有效性，以兼顧供需雙方與管理方的不同需求。

宜采取核心標準與技術支持類標準共同構成體系的方法。

所謂核心標準，是指供需雙方的界面標準，也就是傳統(tǒng)標準化領域中的產(chǎn)品規(guī)范、標準試驗方法、接口標準（如安裝與使用的結(jié)構、典型連接結(jié)構等）和產(chǎn)品定義類標準（如產(chǎn)品的結(jié)構與尺寸系列、產(chǎn)品型譜等）和產(chǎn)品標準。

技術支持類標準，是指保證產(chǎn)品正確設計、制造、選用、安裝、質(zhì)量控制與產(chǎn)品監(jiān)管所需的配套標準。一般可分為管理評價支持性標準（如產(chǎn)品鑒定與評價分級標準、產(chǎn)品鑒定與評價程序標準、產(chǎn)品鑒定與評價手冊等）、產(chǎn)品應用支持性標準（如產(chǎn)品選用指南、產(chǎn)品安裝使用指南、產(chǎn)品典型應用特性手冊等）、產(chǎn)品制造與控制支持性標準（如金屬橡膠材料特性手冊、金屬橡膠材料標準和材料質(zhì)量控制標準、產(chǎn)品制造工藝規(guī)范和產(chǎn)品質(zhì)量控制標準等），以及其他對于保證產(chǎn)品正常使用與制造必要的支持類標準。

圖6顯示了標準體系的推薦構成方式。

在這個體系中，核心標準以共同標準（即行業(yè)以上級標準、協(xié)會標準或聯(lián)合企業(yè)標準）為佳，這樣有利于產(chǎn)品的推廣與應用。

技術支持類標準中的管理評價支持性標準、產(chǎn)品應用支持性標準、材料特性手冊和材料標準也以共同標準為上。為了保證制造商的商業(yè)秘密不受侵害，材料質(zhì)量控制標準、產(chǎn)品制造工藝規(guī)范和產(chǎn)品質(zhì)量控制標準可以以企業(yè)標準或企業(yè)內(nèi)控標準的形式體現(xiàn)， 但管理部門或第三方鑒定評價機構應采取管理措施以確認這些標準的完整性、有效性以及被正確執(zhí)行，并通過適當方式在保障企業(yè)商業(yè)利益的前提下鼓勵企業(yè)自愿將這些標準提升為共同標準。

圖6 金屬橡膠制造標準體系的推薦構成方式

[1] 敖宏瑞，姜洪源，夏宇宏等. 金屬橡膠成型工藝研究及其應用[J]. 機械工藝師，2001，（08）.

[2] 姜洪源，夏宇宏，敖宏瑞，A.M.Уланов.金屬橡膠構件的性能分析與實驗研究[J].中國機械工程 , 2001，(11)：p1294～p1297 .

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[4] Lach C L.Effect of temperature and O–ring gland fnish on sealing ability of Vitor V747-75. NASA TP-3391,1993.

[5] 夏宇宏，賈長海，李瑰賢等.金屬橡膠節(jié)流元件內(nèi)部結(jié)構特性及節(jié)流機理的實驗研究[J].潤滑與密封.2005，（5）：14～15.