橡塑密封技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢*

黃 興 郭 飛 葉素娟 夏迎松 項(xiàng) 沖

(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司國家橡塑密封工程技術(shù)研究中心 廣東廣州 510700； 2.清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084；3.安徽中鼎密封件股份有限公司 安徽寧國 242300)

密封是保障機(jī)械裝備安全可靠、長壽命運(yùn)行的關(guān)鍵核心基礎(chǔ)技術(shù)[1-4]。密封行業(yè)不大，但作為機(jī)、泵、管、閥等的核心零部件，幾乎涵蓋汽車、航空航天、航海、石油、化工、能源、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，在整個(gè)工業(yè)發(fā)展過程中扮演著重要角色。其中，橡塑密封是橡膠塑料類密封件的統(tǒng)稱，因其結(jié)構(gòu)形式簡單、尺寸緊湊，具有回彈性、自潤滑、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)械裝備中用量最大的一類密封元件。

近年來，橡塑密封從理論機(jī)制研究、材料制備技術(shù)、正向設(shè)計(jì)技術(shù)到產(chǎn)品生產(chǎn)工藝等方面均獲得了重大突破，我國橡塑密封行業(yè)也取得了巨大的進(jìn)步。其中中低速、中低壓的橡塑密封市場已相對成熟，能基本滿足國內(nèi)需求；航空、航天、航海重工等高端裝備的關(guān)鍵密封嚴(yán)重依賴進(jìn)口的局面也得到了改善[5-6]?？偟膩碚f，國內(nèi)橡塑密封行業(yè)的技術(shù)水平邁上了新臺(tái)階。不過隨著新工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械裝備日趨高質(zhì)量、高性能化，橡塑密封工況也隨之日漸苛刻，加上全球環(huán)保意識提升，密封部位氣、液等排放標(biāo)準(zhǔn)日益提高等因素，橡塑密封技術(shù)也面臨著諸多新挑戰(zhàn)[7-8]。

新挑戰(zhàn)催生新需求，橡塑密封行業(yè)正加速創(chuàng)新和變革，越來越多企業(yè)加入調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的行列，加大了研發(fā)、生產(chǎn)和檢測實(shí)驗(yàn)裝備投入，相關(guān)密封材料和結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)新突破和進(jìn)展?？梢灶A(yù)期，隨著橡塑密封技術(shù)創(chuàng)新變革的加速，整個(gè)行業(yè)的人員素質(zhì)、技術(shù)裝備、原輔材料、加工工藝、生產(chǎn)環(huán)境和管理水平等要素將會(huì)得到進(jìn)一步提升，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系會(huì)日趨完善，原創(chuàng)技術(shù)會(huì)越來越多，國內(nèi)橡塑密封行業(yè)原有產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模較小、品種和產(chǎn)品線較少、質(zhì)量不穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)水平低、技術(shù)力量薄弱等系列問題會(huì)逐步得到改善和解決?？傊?，橡塑密封產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革正在發(fā)生，產(chǎn)業(yè)格局正加速變化，需要引起國內(nèi)橡塑密封從業(yè)者的高度重視。

1 橡塑密封技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

橡塑密封看似簡單，但仍然是個(gè)系統(tǒng)工程，良好的密封設(shè)計(jì)涵蓋了材料研制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝以及檢驗(yàn)檢測等，密封性能是由這4個(gè)部分組成的整個(gè)體系決定的，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)導(dǎo)致密封失效，因此接下來將對著4個(gè)方面的現(xiàn)狀及趨勢進(jìn)行詳細(xì)綜述。

1.1 橡塑密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

1.1.1 設(shè)計(jì)方式創(chuàng)新

由于國內(nèi)橡塑密封行業(yè)整體規(guī)模較小，技術(shù)實(shí)力薄弱，大部分密封廠家采用逆向設(shè)計(jì)手段以測仿和制造國外成熟密封產(chǎn)品為主，滿足客戶需求。近年來，隨著工業(yè)強(qiáng)基工程政策的實(shí)施，以及高端裝備對國產(chǎn)密封件配套需求的不斷增加，我國密封行業(yè)得到了快速發(fā)展，逆向設(shè)計(jì)已不能滿足高性能、高質(zhì)量密封發(fā)展的要求，正向設(shè)計(jì)逐漸成為主要的設(shè)計(jì)手段，以滿足主機(jī)裝備的需求。清華大學(xué)機(jī)械系密封與潤滑研究團(tuán)隊(duì)[9-12]、浙江工業(yè)大學(xué)[13]、合肥工業(yè)大學(xué)[14]、浙江大學(xué)[15]等已針對多種橡塑密封開展了正向設(shè)計(jì)方法的相關(guān)研究，取得了較好的應(yīng)用效果。

隨著新技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域已逐漸開始引入智能設(shè)計(jì)的方法：指利用計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)師的思維活動(dòng)，在計(jì)算機(jī)上模擬或再現(xiàn)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)過程。對于密封行業(yè)而言，智能設(shè)計(jì)是正向設(shè)計(jì)進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果。目前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，但主要停留在對設(shè)計(jì)結(jié)果的模擬仿真上，還無法替代設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性，離真正的智能設(shè)計(jì)還有遙遠(yuǎn)的距離。但是，智能設(shè)計(jì)作為未來的發(fā)展趨勢，仍是研究的熱點(diǎn)。

1.1.2 密封機(jī)制

密封機(jī)制是闡明密封如何阻止泄漏、開展失效分析的基礎(chǔ)，是進(jìn)行理論和數(shù)值仿真研究的依據(jù)。宏觀上講，橡塑密封界面接觸應(yīng)力大于介質(zhì)壓力就可以實(shí)現(xiàn)密封，并且接觸應(yīng)力越大密封效果越好。然而，一方面由于表面粗糙度的影響，界面間會(huì)存在微觀泄漏通道，仍然會(huì)出現(xiàn)跑、冒、滴、漏的現(xiàn)象；另一方面，較大的接觸應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致動(dòng)密封界面摩擦磨損性能惡化，加速密封失效。因此，良好的密封需要解決阻止泄漏與減小摩擦的矛盾。以油封為例，在使用過程中，接觸界面間已被證實(shí)存在潤滑油膜從而大幅度減小了摩擦，同時(shí)油封又可實(shí)現(xiàn)零泄漏。對這一現(xiàn)象的解釋從上20世紀(jì)50年代至今一直有學(xué)者在進(jìn)行研究，典型的包括：1957年JAGGER提出的基于表面張力理論的密封機(jī)制，以及20世紀(jì)80年代中國學(xué)者錢德森、德國學(xué)者KAMMüLLER與MüLLER先后提出的基于密封唇表面粗糙峰切向變形的反向泵送機(jī)制[16]。表面張力機(jī)制已被證實(shí)具有局限，而反向泵送機(jī)制則被普遍接受，目前絕大數(shù)理論研究都是基于此開展的。本文作者經(jīng)過長期的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)反向泵送機(jī)制也是具有很大的局限性，一是其適用范圍取決于密封圈的徑向力范圍，二是高速PTFE基油封并不完全符合該機(jī)制的范疇等。因此，對于橡塑密封機(jī)制的研究，仍然需要國內(nèi)外廣大學(xué)者進(jìn)行不斷的探索。

1.1.3 數(shù)值仿真方法

數(shù)值仿真方法是依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，結(jié)合有限元概念，并能夠較為真實(shí)描述復(fù)雜系統(tǒng)的物理本質(zhì)而發(fā)展起來的數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，是研究密封性能的有效手段，可用于設(shè)計(jì)階段預(yù)測密封性能，以及密封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等等，減少依據(jù)實(shí)驗(yàn)的摸索以及經(jīng)驗(yàn)的試錯(cuò)周期。

實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真的基礎(chǔ)是密封性能定量評價(jià)體系的建立。泄漏量是評價(jià)密封好壞的最重要指標(biāo)，因此，泄漏模型始終是密封結(jié)構(gòu)仿真的研究重點(diǎn)。許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：GABELLI和POLL[17]建立了首個(gè)數(shù)值仿真模型，利用JFO邊界條件考慮了空化的影響；郭飛等人[11]建立了旋轉(zhuǎn)軸唇形密封的混合潤滑模型；吳長貴等[12]基于ABAQUS的往復(fù)密封仿真分析，獲得更準(zhǔn)確的接觸寬度以及唇口接觸壓力分布；黃樂、黃興等人[18-23]在橡塑密封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、聚氨酯磨損規(guī)律研究、數(shù)值仿真平臺(tái)和壽命評估方法等方面進(jìn)行了數(shù)值仿真的應(yīng)用研究等；王軍等人[24]、張付英等[25]基于混合潤滑模型，研究了粗糙度和往復(fù)速度對動(dòng)態(tài)往復(fù)密封摩擦力、泄漏量和油膜厚度等密封性能的影響規(guī)律。

目前，學(xué)者們建立的泄漏模型主要分為2種：分子流態(tài)模型和黏性流態(tài)模型。2個(gè)模型在給定工況下得到了很好的驗(yàn)證。但密封實(shí)際工況下，外界環(huán)境的不斷變化會(huì)引起分子流態(tài)、黏性流態(tài)的互相轉(zhuǎn)變，任一單個(gè)模型均不能精準(zhǔn)計(jì)算實(shí)際密封系統(tǒng)的泄漏量，至今尚未形成大家普遍接受的理論模型，因此亟需建立綜合考慮分子流、黏性流的統(tǒng)一泄漏模型。因此，橡塑密封仿真技術(shù)在真實(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性上仍存在一定問題，其主要是作為工程上開展實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)的輔助手段。橡塑密封未來重要的研究方向是朝著更接近真實(shí)工況的方向發(fā)展，比如耦合更多的實(shí)際物理過程，考慮實(shí)際工況下橡塑密封系統(tǒng)的影響因素，密封全生命周期下的服役性能變化等。

1.2 橡塑密封材料

我國聚合物材料合成工業(yè)與歐美發(fā)達(dá)國家相比尚處于快速追趕階段，缺乏橡塑密封專用品種，并且國產(chǎn)材料穩(wěn)定性不足，影響了橡塑密封性能[26]。國內(nèi)高端橡塑密封的主要原材料，目前基本依賴進(jìn)口，相關(guān)材料研發(fā)工作還主要集中在對進(jìn)口材料的配合和改性研究[27-29]。

隨著人類對更高層次生活品質(zhì)的不懈追求，科學(xué)技術(shù)一直在飛速發(fā)展。對于機(jī)械工程技術(shù)而言，其正朝著綠色、智能等方向發(fā)展；而為了滿足綠色制造、節(jié)能環(huán)保以及機(jī)械裝備在極端環(huán)境/苛刻工況條件下的長壽命、高可靠性和微/零泄漏要求，對聚合物密封材料的性能要求也越來越高，這對我國本就處于落后階段的聚合物材料工業(yè)而言，將面臨更加艱巨的挑戰(zhàn)。但無論如何，了解相關(guān)材料的發(fā)展趨勢和要求，是有利于促進(jìn)我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的，主要包括以下幾方面：

(1)高、低溫范圍

在月球表面夜晚低至-160～-180 ℃，白天高至130～160 ℃，溫差高達(dá)340 ℃，由此對聚合物密封材料的耐高、低溫及適應(yīng)超寬溫域方面提出了高要求。

(2)高速化、高壓化

液壓系統(tǒng)向80 000 r/min、105 MPa等級發(fā)展，深井壓力可達(dá)到140 MPa，要求聚合物密封材料具有優(yōu)異的耐壓、抗擠出、低摩擦磨損性能和抗壓縮永久變形能力。

(3)復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境

新型燃油、新型潤滑油及各種對聚合物材料有極強(qiáng)侵蝕作用的添加劑在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，以及深井鉆探、冶金、化工和石油用多介質(zhì)液壓、氣動(dòng)元件等復(fù)雜的介質(zhì)環(huán)境，均對聚合物密封材料的耐介質(zhì)特性提出了更高要求。CHANG等[30]利用不同填料對丁腈橡膠進(jìn)行填充改性，得到一系列耐冷卻液性能更為優(yōu)越的密封復(fù)合材料。徐玉朵等[31]利用共混改性丁腈橡膠，提高了密封件耐臭氧、耐汽油性能。以油封為例，實(shí)際工作介質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，除了對基體材料改性外，為提高油封的密封保持能力，在全橡膠材料油封的基礎(chǔ)上又發(fā)展出金屬骨架油封、夾布油封等橡塑密封件，同時(shí)安裝彈簧可以提高密封力，當(dāng)摩擦副端面磨損后起補(bǔ)償作用，降低泄漏率[32]。

(4)高真空度

空間設(shè)備真空度已達(dá)1.33×10-7Pa，深層空間甚至可達(dá)10-10Pa數(shù)量級。高真空度要求聚合物密封材料不但具有良好的抗壓縮永久變形能力，還要具有優(yōu)異的抗氣透性、抗氣體膨脹性以及真空失重小等特點(diǎn)，以避免特殊或突發(fā)情況下的突然爆破失效。

(5)高清潔度

在核能應(yīng)用、半導(dǎo)體加工和化工制藥等領(lǐng)域，聚合物密封材料的降解和老化、助劑的揮發(fā)或抽出等都可能造成不可估量的損失，這對基體材料、硫化及配合體系的選取均有嚴(yán)格的要求。

(6)恒低摩擦磨損特性

液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)的快速發(fā)展，對控制和定位精度的要求越來越高，因此要求密封系統(tǒng)具有低且恒定的摩擦因數(shù)，要求在低壓和低速下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，在極短行程和高頻率下有較長的使用壽命。QI、WANG、米翔等人[33-35]研究了聚四氟乙烯(PTFE)材料復(fù)配減摩劑對于密封件摩擦磨損性能的影響。常見的減摩劑有PTFE、聚酰亞胺等聚合物微粉，以及二硫化鉬、石墨等無機(jī)填料。除添加減摩劑外，表面處理工藝如表面輻照、氟化、噴涂等可以減小材料的摩擦因數(shù)，且保持良好的耐磨性[36-37]。

1.3 橡塑密封檢驗(yàn)檢測

當(dāng)前橡塑密封產(chǎn)品正朝著“高端化、極端化、高要求、長壽命”方向發(fā)展，為了保證橡塑密封產(chǎn)品的質(zhì)量，需要進(jìn)行更加完善的檢驗(yàn)和檢測。

橡塑密封檢驗(yàn)檢測技術(shù)包括密封材料性能檢測、產(chǎn)品外觀尺寸分析測試、密封性能分析測試等。材料性能檢測是評判密封材料配方優(yōu)劣的重要手段，利用現(xiàn)代分析儀器通過測試材料成分、物理化學(xué)性能、力學(xué)性能等，對密封材料進(jìn)行科學(xué)合理地綜合評價(jià)。但材料性能不能直接決定密封性能，因此還必須開展產(chǎn)品級性能測試。產(chǎn)品外觀尺寸分析測試是最簡單的對密封圈進(jìn)行初篩的手段，分為對工作面和非工作面的外觀分析，以及基于國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用接觸式或非接觸式方法對宏觀尺寸的測量。密封性能分析測試，包括產(chǎn)品功能性試驗(yàn)、模擬壽命試驗(yàn)、現(xiàn)場裝機(jī)試驗(yàn)等，主要用于密封結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及使用廠家的抽樣試驗(yàn)。功能性試驗(yàn)包括測試密封圈抱軸力、張口力、壓縮應(yīng)力松弛、靜態(tài)扭矩等。對于密封圈的壽命測試，因現(xiàn)場試驗(yàn)難度大、費(fèi)時(shí)長、費(fèi)用高，目前普遍采用的方式是模擬壽命試驗(yàn)，在較短的時(shí)間內(nèi)觀察、分析和比較密封圈的質(zhì)量和工作壽命情況。裝機(jī)試驗(yàn)是對通過上述所有試驗(yàn)后出廠的密封件進(jìn)行最后的應(yīng)用考核，一般由密封件用戶完成。

國內(nèi)橡塑密封檢測技術(shù)還主要停留在材料物性檢測和產(chǎn)品尺寸外觀檢測上，密封性能測試方法手段單一，大部分靠裝機(jī)和實(shí)機(jī)驗(yàn)證；同時(shí)檢測設(shè)備也多使用20世紀(jì)末的技術(shù)，缺少自動(dòng)化設(shè)備，缺乏過程控制能力。國外檢測技術(shù)發(fā)展較快，F(xiàn)reudenbezy等公司采用KMK公司開發(fā)的第三代新型光學(xué)系統(tǒng)，完全取代了人工檢測，可檢測密封件表面最微小的缺陷。國內(nèi)也有部分密封件企業(yè)引進(jìn)了以油封唇口張力為主要依據(jù)的氣敏檢測儀，通過檢測氣壓變化評判油封唇口密封性能，并具有較高的檢測速率，每小時(shí)可檢測1 200～1 800個(gè)油封。

未來橡塑密封檢測技術(shù)，主要是朝著全生命周期、數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確的方向發(fā)展：

(1)多工況聯(lián)合測試：在實(shí)際服役過程中，橡塑密封產(chǎn)品處在工作介質(zhì)、對磨表面及整機(jī)環(huán)境共同作用之下，還會(huì)受到摩擦熱、機(jī)械振動(dòng)、偏心傾斜等多種不可控因素的影響，所處的工作環(huán)境十分復(fù)雜，并且對應(yīng)用于極端環(huán)境或嚴(yán)苛工況中的橡塑密封，這種影響的作用會(huì)被放大，造成實(shí)際服役性能與檢測結(jié)果之間的顯著差異。因此，對于橡塑密封多工況環(huán)境的聯(lián)合測試，是未來保證產(chǎn)品使用性能、提高檢測精度和可信度的發(fā)展方向。

(2)服役過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測：在橡塑密封服役過程中，受到介質(zhì)、摩擦、溫度等復(fù)雜因素的共同影響，宏/微觀結(jié)構(gòu)、物化性能等參數(shù)都在時(shí)刻發(fā)生變化，并且某些不可預(yù)料的外來沖擊也會(huì)對服役過程中的密封系統(tǒng)造成難以估計(jì)的影響。在這種突發(fā)沖擊的作用下，橡塑密封可能會(huì)發(fā)生特殊的形變或性變，引起使用壽命的降低，產(chǎn)生安全隱患。因此，對于特殊工況或安全等級較高的橡塑密封，需要進(jìn)行服役過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，保證橡塑密封產(chǎn)品的安全和穩(wěn)定。

1.4 先進(jìn)制造加工工藝

1.4.1 大型密封件制造工藝

大型水輪機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸、盾構(gòu)機(jī)、模鍛壓機(jī)等高端裝備用大型橡塑密封，代表著橡塑密封行業(yè)的最高水平，是國內(nèi)外爭相研究的焦點(diǎn)。因該類型產(chǎn)品的尺寸大，較傳統(tǒng)小型件，加工特點(diǎn)獨(dú)特，需要對其加工設(shè)備和工藝進(jìn)行相應(yīng)研究。以大型Y形密封圈的制造工藝為例，為解決材料均質(zhì)性差和精密加工難等問題，目前國內(nèi)采用的方案為：在橡膠模具上直接安裝加熱裝置，橡膠模具既是硫化介質(zhì)也是熱源，這種方式大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。法國圣戈班高性能塑料公司采用了焊接擠出聚醚醚酮棒材的方法制備大直徑熱塑性密封件[28]。

1.4.2 數(shù)字化智能制造工藝

隨著新一代技術(shù)革命的加速發(fā)展，以自動(dòng)化、信息化、智能化為代表的新一代信息技術(shù)的時(shí)代已然來臨。新一代信息技術(shù)在橡塑密封傳統(tǒng)行業(yè)的加速應(yīng)用成為趨勢，部分橡塑密封企業(yè)中已經(jīng)出現(xiàn)數(shù)字化智能制造技術(shù)的應(yīng)用。經(jīng)實(shí)踐表明，新興技術(shù)可以大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和生產(chǎn)效率。

2 幾個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域的橡塑密封發(fā)展

國家十二五科技攻關(guān)以來，橡塑密封產(chǎn)業(yè)的技術(shù)、裝備等都得到了大幅提升，產(chǎn)品質(zhì)量也有了很大提高。但隨著機(jī)械裝備不斷向極端環(huán)境和惡劣條件的應(yīng)用場所發(fā)展，如空天探索、極地科考、海洋及沙漠風(fēng)電場建設(shè)、深井鉆探與深海作業(yè)、核能利用等，這就要求密封件能適應(yīng)壓力更高、速度更快、溫度更高/低、質(zhì)量更輕、沖擊更大的工況。因此，極端工況條件下橡塑密封產(chǎn)品的材料研發(fā)、制造工藝、質(zhì)量控制、生產(chǎn)規(guī)模等成為未來的發(fā)展趨勢。

2.1 航空液壓系統(tǒng)密封

“航空裝備”是高端裝備創(chuàng)新工程之一，在《中國制造2025》和《民用航空工業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃(2013-2020年)》等國家重要戰(zhàn)略規(guī)劃中都明確指出要大力推進(jìn)航空材料和基礎(chǔ)元器件的發(fā)展，開發(fā)先進(jìn)機(jī)載設(shè)備及系統(tǒng)，形成自主完整的航空產(chǎn)業(yè)鏈。機(jī)載液壓系統(tǒng)遍布大型飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)等各種航空裝備的各個(gè)部分，擔(dān)負(fù)著飛機(jī)操縱系統(tǒng)、收放系統(tǒng)、機(jī)輪剎車及地面轉(zhuǎn)向駕駛等重要工作，是保障航空裝備安全飛行和著陸的關(guān)鍵系統(tǒng)。橡塑密封是保障機(jī)載液壓系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵基礎(chǔ)件。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)載液壓系統(tǒng)朝著質(zhì)量輕、體積小、高壓化、大功率、變壓力的方向發(fā)展，這就要求液壓密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊、斷面更小，同時(shí)對耐高壓、耐高溫、耐沖擊、低摩擦磨損等性能要求更高。如液壓密封系統(tǒng)所受壓力已經(jīng)由原來21 MPa提升為35 MPa，56 MPa及更高壓力也已進(jìn)入研究階段；往復(fù)速度要求超過5 m/s，瞬時(shí)速度最高可達(dá)15 m/s；耐高低溫要求滿足-55～135 ℃的寬溫域范疇。這些變化均給高可靠性要求的密封件帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2.2 深海鉆采平臺(tái)密封

石油化工深水區(qū)域開發(fā)技術(shù)是目前我國能源產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一。海洋鉆采平臺(tái)密封作為海洋深水油氣勘探開發(fā)的一個(gè)重要裝備單元，已經(jīng)引起很多國家的重視。在海洋惡劣環(huán)境下工作，海洋鉆采平臺(tái)不僅要受海流、海浪、浮力、海水外壓、平臺(tái)移動(dòng)等載荷作用，同時(shí)還要受內(nèi)部鉆井液壓力、鉆桿摩擦、張緊拉力等多種因素的影響；另外，其是由多根組件安裝連接而成進(jìn)行工作，隨平臺(tái)鉆井搬遷和海況變化等需經(jīng)常拆卸和安裝。因此海洋鉆采平臺(tái)密封在設(shè)計(jì)時(shí)其安全可靠性應(yīng)放在第一位；并考慮到使用的方便性，密封還應(yīng)具備易于維護(hù)保養(yǎng)、操作簡單、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。深海工程裝備對密封系統(tǒng)有著特殊的雙向密封要求，既要防止裝備中的油、氣以及其他介質(zhì)漏入海水中，也要防止海水倒流入裝備中，尤其在深海環(huán)境下，要充分考慮壓力和海水腐蝕的影響，密封溫度高達(dá)177 ℃、壓力103.4 MPa、硫化氫含量高達(dá)20%(體積分?jǐn)?shù))，這對橡塑密封行業(yè)來說也是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

2.3 新能源電池密封

“節(jié)能與新能源汽車”是《中國制造2025》高端裝備創(chuàng)新工程之一，其技術(shù)核心在于電池技術(shù)的發(fā)展。目前新能源汽車電池主要有磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和氫燃料電池3種。

無論采用哪種新能源電池，密封件都是必不可少的，它是涉及電池壽命、安全的關(guān)鍵基礎(chǔ)件。鋰電池含有多種金屬以及電解液等有機(jī)溶劑，電解質(zhì)具有相當(dāng)大的腐蝕性和化學(xué)毒性，電解液泄漏不但會(huì)造成電池爆炸燃燒，還會(huì)產(chǎn)生有毒的化學(xué)氣體，對環(huán)境造成污染。氫燃料電池需高壓(35～70 MPa)貯存系統(tǒng)和燃料電池堆，其安全性是氫燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵。因而新能源電池密封圈對于電池的安全性至關(guān)重要。

新能源汽車電池密封需滿足絕緣性、耐強(qiáng)腐蝕介質(zhì)、耐高溫(≥200 ℃)、抗沖擊和振動(dòng)的要求；氫燃料電池密封還需耐壓、耐低溫，具有良好的氣體阻隔性。目前，國產(chǎn)動(dòng)力鋰電池密封可靠性不高、使用壽命不能滿足日益增長的電池壽命要求；氫燃料電池密封主要被國外所壟斷。但總體來說，新能源汽車電池技術(shù)日新月異，而電池密封領(lǐng)域的研究才剛起步，缺乏系統(tǒng)性研究，國外汽車密封件巨頭也沒有形成壟斷地位，因此與新能源汽車電池同步開展電池密封關(guān)鍵技術(shù)研究，不僅是密封產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，也是構(gòu)建新能源汽車完整產(chǎn)業(yè)鏈的最佳時(shí)機(jī)。

2.4 半導(dǎo)體密封

半導(dǎo)體在全球科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有無可替代的地位，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、人工智能飛速發(fā)展，半導(dǎo)體需求越來越大。我國已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體主要市場，需求占比超過60%，是全球半導(dǎo)體增長引擎。然而我國半導(dǎo)體產(chǎn)品的自給率不足三成，半導(dǎo)體行業(yè)尚處在起步階段，距離歐美日韓等發(fā)達(dá)國家有較大差距。

在半導(dǎo)體制程的一千多個(gè)工序當(dāng)中，密封件要確保環(huán)境嚴(yán)苛的潔凈度、高真空度，以及要耐受高溫，耐各種化學(xué)品、有毒氣體、等離子體的侵蝕，是半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的核心基礎(chǔ)部件，目前基本全部依賴進(jìn)口。一旦國外對出口中國的相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行限制，將會(huì)大大減緩中國半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，應(yīng)該引起國內(nèi)橡塑密封行業(yè)的足夠重視。

3 總結(jié)和展望

近些年來，我國橡塑密封行業(yè)的發(fā)展取得了長足進(jìn)步，在一些特殊領(lǐng)域達(dá)到或超過了國際先進(jìn)水平，如航天飛行器密封、核電系統(tǒng)密封等。但是在國民經(jīng)濟(jì)很多量大面廣領(lǐng)域還處于令人尷尬的落后局面，如工程機(jī)械高壓往復(fù)密封、轎車動(dòng)力總成系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)變速器油封等，國內(nèi)的一些主機(jī)廠都指定要用國外品牌。這說明國產(chǎn)密封件與國際先進(jìn)水平相比還有很大差距。但是開發(fā)科技含量比較高的產(chǎn)品，并非中小企業(yè)力所能及，所以整合研發(fā)資源、建立公共研發(fā)平臺(tái)同時(shí)加強(qiáng)企業(yè)和高校間合作顯得尤為重要。企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)方面有優(yōu)勢，而高校在基礎(chǔ)研究和規(guī)律性研究方面有優(yōu)勢，通過產(chǎn)學(xué)研真正的合作，有望早日攻克橡塑密封技術(shù)難關(guān)，實(shí)現(xiàn)與國際先進(jìn)水平齊頭并進(jìn)的實(shí)力。