民用飛機(jī)高強(qiáng)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(jī)設(shè)計(jì)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(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)和石油化工等領(lǐng)域。1976 年美國戈?duì)柟就ㄟ^對聚四氟乙烯進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性，將具有高分子量、高結(jié)晶度的PTFE 樹脂經(jīng)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(yōu)良性能，還克服了抗壓縮蠕變性和壓縮回彈性較差、強(qiáng)度低、不耐磨和線膨脹系數(shù)大的缺點(diǎn)，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度[1]。因此，e-PTFE作為新一代密封材料受到了廣泛的關(guān)注。

e-PTFE 材料可為民用飛機(jī)提供可靠的表面保護(hù)、有效的密封和縫隙填補(bǔ)，其密度約為0.4～0.8 g/cm3，不到傳統(tǒng)密封劑的一半。同時與其他傳統(tǒng)密封材料（橡膠和密封劑）相比，該材料具有柔性結(jié)構(gòu)，能夠貼合復(fù)雜形狀和不規(guī)則表面，無需固化、易安裝、易拆卸和可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種飛機(jī)型號。民用飛機(jī)使用e-PTFE 密封材料可以實(shí)現(xiàn)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(huán)境條件影響。因此，現(xiàn)代民用飛機(jī)制造過程中大量使用e-PTFE 產(chǎn)品，主要用于機(jī)身機(jī)翼面板、翼身整流罩、客貨艙地板和維修口蓋等需要經(jīng)常拆卸和維護(hù)部位的密封和防腐蝕，可大幅度縮短制造和維護(hù)時間，有效降低民用飛機(jī)全壽命周期的綜合成本。

在歐美等發(fā)達(dá)國家，e-PTFE 密封產(chǎn)品已應(yīng)用在各類軍用及民用飛機(jī)上近20 年。作為傳統(tǒng)密封材料的優(yōu)質(zhì)替代產(chǎn)品，e-PTFE 可有效減重、減少維護(hù)時間，降低運(yùn)營成本且提高了飛機(jī)航線運(yùn)營的效率。e-PTFE 屬于我國民用飛機(jī)研制的關(guān)鍵材料之一，開展國產(chǎn)e-PTFE 密封材料研制有助于逐步推進(jìn)我國民用飛機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自主可控。

e-PTFE 密封材料分為標(biāo)準(zhǔn)型、高強(qiáng)型和耐燃油型等[3]。其中標(biāo)強(qiáng)型為單向拉伸結(jié)構(gòu)，拉伸方向的強(qiáng)度較高，但多層復(fù)合的膜會影響材料的層間結(jié)合力，故尺寸穩(wěn)定性會相對較弱；而高強(qiáng)型及耐燃油型均為雙向拉伸結(jié)構(gòu)，拉伸強(qiáng)度相當(dāng)，層間結(jié)合力相對較高，故尺寸穩(wěn)定性較好，應(yīng)用也更為廣泛[4]。

本研究按照宇航材料標(biāo)準(zhǔn)SAE AMS3255(B)分析高強(qiáng)型e-PTFE密封材料的性能[5]。對標(biāo)具有國外民用飛機(jī)成熟使用經(jīng)驗(yàn)的高強(qiáng)型e-PTFE 材料，對2 種國產(chǎn)高強(qiáng)型e-PTFE 材料開展全面性能測試，綜合對比國產(chǎn)及國外成熟材料的性能，分析國產(chǎn)e-PTFE材料的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)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(guī)格的國產(chǎn)高強(qiáng)型e-PTFE材料，名義厚度分別為0.5 mm和1.5 mm。

圖1 高強(qiáng)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(tuán)聚[6]；隨后進(jìn)行推壓、壓延及干燥，得到纖維狀預(yù)成型品。后續(xù)按一定拉伸速率對預(yù)成型品進(jìn)行雙向拉伸形成e-PTFE 膜，最后多層疊合熱處理得到高強(qiáng)型e-PTFE制品[7]。

1.2 測試方法

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

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

2 結(jié)果與討論

2.1 綜合性能

2種厚度的國產(chǎn)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(guī)格的國產(chǎn)高強(qiáng)型e-PTFE 材料均滿足宇航材料標(biāo)準(zhǔn)SAE AMS3255(B) 2 類2 型的性能要求；可在溫度-73～260 ℃內(nèi)使用，并在酸性鹽霧環(huán)境中可保護(hù)結(jié)構(gòu)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(dāng)。2 種國產(chǎn)高強(qiáng)型e-PTFE材料可滿足民用飛機(jī)的基本使用需求。

表2 國內(nèi)外e-PTFE密封材料綜合性能數(shù)據(jù)Tab.2 Comprehensive performance data of e-PTFE sealing materials at home and abroad

2.2 形貌分析

高強(qiáng)型e-PTFE 材料是由多層膜復(fù)合而成的，圖2為A和C復(fù)合前后的材料的SEM照片。

圖2 國內(nèi)外e-PTFE的SEM照片F(xiàn)ig 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(xiàn)節(jié)點(diǎn)-纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，膜表面有多處塊狀節(jié)點(diǎn)且向四周發(fā)散，表現(xiàn)出材料受到不同方向的拉伸。其中，國產(chǎn)材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相對排布較為規(guī)律，橫向及縱向的纖維從節(jié)點(diǎn)發(fā)散較為緊密。

由圖2(c)和圖(d)可知，高強(qiáng)型的e-PTFE 密封材料呈現(xiàn)多層復(fù)合的雙向拉伸結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合力較高，其中節(jié)點(diǎn)近似呈球狀，纖維由節(jié)點(diǎn)向四周發(fā)散呈高孔隙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，說明高強(qiáng)型e-PTFE 密封材料具有較好的尺寸穩(wěn)定性，且網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提高了材料的強(qiáng)度和抗蠕變性能[3]。對比國內(nèi)外的材料，國產(chǎn)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(chǎn)高強(qiáng)型e-PTFE密封材料能夠達(dá)到國外某公司成熟密封材料相同的膨化水平。

2.3 拉伸強(qiáng)度

拉伸強(qiáng)度是密封材料力學(xué)性能優(yōu)劣的主要表征依據(jù)之一，它反映了材料抵抗拉伸和斷裂的能力。按照材料標(biāo)準(zhǔn)測試不同環(huán)境下的拉伸強(qiáng)度，以確保該密封材料在航空領(lǐng)域不同使用環(huán)境條件下的拉伸性能仍能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3為e-PTFE材料在不同環(huán)境下的拉伸強(qiáng)度。

表3 不同條件下的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度相對于本體拉伸強(qiáng)度高出33.58%，而耐溶液的拉伸強(qiáng)度均略高于本體的拉伸強(qiáng)度3%～5%，但遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求9.0 MPa；密封材料B 在不同環(huán)境下的拉伸強(qiáng)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(xué)性能，還有望提高e-PTFE密封材料的拉伸強(qiáng)度。

對比2 種國外成熟e-PTFE 材料在不同環(huán)境下的拉伸強(qiáng)度，密封材料C熱老化后的拉伸強(qiáng)度相對于本體拉伸強(qiáng)度高出16.59%，而耐溶液拉伸強(qiáng)度與本體拉伸強(qiáng)度相當(dāng)；密封材料D 在不同環(huán)境下的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度。

對比國內(nèi)外e-PTFE 密封材料的拉伸強(qiáng)度，不同規(guī)格的國外成熟e-PTFE 密封材料的拉伸強(qiáng)度均大于國產(chǎn)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(yōu)，國產(chǎn)e-PTFE 密封材料還有待進(jìn)一步提升。在后續(xù)研發(fā)中，國產(chǎn)高強(qiáng)型e-PTFE 材料應(yīng)固化現(xiàn)有技術(shù)及工藝，并針對材料抵抗拉伸及斷裂的能力進(jìn)行持續(xù)性能改進(jìn)和優(yōu)化創(chuàng)新，以突破國外壟斷技術(shù)。

3 結(jié) 論

對國產(chǎn)高強(qiáng)型e-PTFE 密封材料進(jìn)行全面性能測試，表明可滿足SAE AMS3255（B）材料標(biāo)準(zhǔn)中2類2型的性能要求。對比具有成熟使用經(jīng)驗(yàn)的國外高強(qiáng)型e-PTFE密封材料的拉伸強(qiáng)度及微觀形貌，2種規(guī)格國產(chǎn)e-PTFE 密封材料的本體拉伸強(qiáng)度分別為13.3 MPa 和13.9 MPa，略低于國外成熟密封材料但遠(yuǎn)高于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的9.0 MPa；國產(chǎn)e-PTFE呈節(jié)點(diǎn)-纖維結(jié)構(gòu)，其高孔隙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使該密封材料具有較好的尺寸穩(wěn)定性，相比于進(jìn)口e-PTFE 密封材料，國產(chǎn)的孔隙率更大，膨化效果更佳。

綜上，國產(chǎn)高強(qiáng)型e-PTFE密封材料已達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足裝機(jī)要求，可取代已裝機(jī)應(yīng)用的國外成熟e-PTFE密封材料，推進(jìn)民機(jī)材料國產(chǎn)化，從而提高我國航空密封材料的應(yīng)用質(zhì)量，促進(jìn)我國對民機(jī)材料的自主可控，推動國產(chǎn)大飛機(jī)的發(fā)展。