新型密封材料在航空結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用及維修可靠性分析

劉儒軍

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

0 引言

飛機密封設(shè)計是飛機整體設(shè)計過程必須考慮的重要環(huán)節(jié)，座艙密封失效會危及人員生命安全，燃油艙密封失效會導(dǎo)致燃油泄漏，設(shè)備艙密封失效會引起設(shè)備淋雨、腐蝕、損壞。密封失效后的維修工作量大、費用高昂[1]。在國標(biāo)、國軍標(biāo)、航標(biāo)等各類標(biāo)準(zhǔn)中說明了飛機各部位的密封形式、密封材料，主要的密封涉及座艙、燃油艙、電子設(shè)備艙等區(qū)域多層結(jié)構(gòu)安裝、口蓋安裝、緊固件安裝等；常見的密封形式有縫內(nèi)密封、縫外密封、表面密封、混合密封等四種形式[2-5]；常用的密封材料有聚硫型有機硅密封劑、不硫化膩子、滌綸壓敏膠帶等。

聚硫型有機硅密封劑作為典型的密封材料，常用于飛機結(jié)構(gòu)件縫內(nèi)、縫外密封、口框密封，該類密封劑應(yīng)用范圍廣泛，具有優(yōu)異的密封性能。但也存在一些缺點，主要體現(xiàn)在飛機制造及維修過程密封劑的施工環(huán)境要求高、工序繁瑣，密封劑配制后施工時間短、硫化時間長，該類密封劑的故障維護給飛機的完好率提出較高的挑戰(zhàn)。同時聚硫型有機硅密封劑密度大，該類密封劑的大量使用，不利于飛機結(jié)構(gòu)減重設(shè)計。飛機外場使用，受服役環(huán)境作用，特別是在沿海地區(qū)，在嚴(yán)酷的海洋環(huán)境下，受高溫、高濕、高鹽的環(huán)境因素影響，密封膠、硅橡膠、密封圈等密封材料很容易老化、龜裂，喪失密封功能。拆裝口蓋時，也會對周圍密封材料造成意外損傷。目前大部分的防水故障都是由于密封材料功能失效引發(fā)的。

為避免上述短板，同時保持飛機優(yōu)異的密封性能，國內(nèi)外飛機設(shè)計人員積極開展新材料研究[6]。上世紀(jì)80年代美國戈爾（Gore）公司率先開發(fā)出航空用膨化聚四氟乙烯（ePTFE），在F-15、F-22、F-35等先進(jìn)軍用飛機和波音、空客等民用飛機上大量使用。國內(nèi)在本世紀(jì)初期也開展了研究論證，開始了國產(chǎn)化歷程[7]。目前膨化聚四氟乙烯材料已在國內(nèi)飛機上開展了應(yīng)用，體現(xiàn)了其優(yōu)異的使用性能。目前新型密封材料的研究主要集中在密封材料本身的工藝研究，以及飛機制造使用過程的研究[8-12]，但是對服役過程的可維修性分析較少。

本研究從新型膨化聚四氟乙烯密封材料的材料特性、應(yīng)用特征入手，分析飛機全壽命周期密封材料損傷狀態(tài)、疲勞老化情況，針對典型的故障形式論述對飛機使用性能的影響，為可靠性維修提供支撐。

1 膨化聚四氟乙烯密封材料特點分析

膨化聚四氟乙烯密封材料采用分散聚四氟乙烯樹脂經(jīng)雙向或單向拉伸加工而成，類型主要有防水標(biāo)準(zhǔn)型密封帶材、防水高強型密封帶材、防水耐環(huán)境型密封帶材等，防水型材料采用單向拉伸，高強型和耐油型材料采用雙向拉伸。防水標(biāo)準(zhǔn)型密封帶材，用于不接觸燃油、液壓油、潤滑油部位的密封、防護、防腐、填隙；防水高強型密封帶材，用于摩擦性能要求較高部位的密封、防護、防腐、填隙；防水耐環(huán)境型密封帶材，用于接觸液壓油、潤滑油部位的密封、防護、防腐、填隙。

國產(chǎn)膨化聚四氟乙烯密封材料性能指標(biāo)與國外產(chǎn)品水平相當(dāng)，具有良好的使用性能。測試數(shù)據(jù)顯示各類型膨化聚四氟乙烯密封材料密度范圍（0.4～1.2）g/cm3，防水標(biāo)準(zhǔn)型材料壓縮后拉伸強度達(dá)到4.5 MPa，防水高強型、防水耐環(huán)境型壓縮后拉伸強度可達(dá)到20 MPa。常見國產(chǎn)膨化聚四氟乙烯密封材料主要性能指標(biāo)見表1。

表1 各類國產(chǎn)膨化聚四氟乙烯密封材料性能主要指標(biāo)

2 膨化聚四氟乙烯密封材料在飛機上的應(yīng)用

2.1 口蓋密封

在飛機上膨化聚四氟乙烯密封材料主要應(yīng)用于各類口蓋的防水、防腐蝕、防油密封，緊固件的防滲漏密封等。飛機設(shè)備區(qū)外表面口蓋需具備密封防水功能，而防水型膨化聚四氟乙烯密封材料具有優(yōu)異的密封性能，確保飛機外部雨水等無法進(jìn)入設(shè)備區(qū)造成設(shè)備遇水短路、腐蝕等故障。如圖1所示，通常該類口蓋密封用膨化聚四氟乙烯密封材料采用附背膠的方式，同時根據(jù)口蓋與機體表面口框的結(jié)構(gòu)形式把密封件預(yù)制成模切件直接粘接在口蓋或口框邊緣。

圖1 膨化聚四氟乙烯密封墊

2.2 緊固件密封

膨化聚四氟乙烯密封材料除可用于口蓋密封外，還可制作成墊圈用于緊固件密封。常用的安裝方式有兩種。一種是密封平墊圈，典型裝配方式如圖2所示，其結(jié)構(gòu)形式及密封形式相對簡單，配合普通的金屬墊圈安裝在螺母一端起到結(jié)構(gòu)密封。另一種是密封環(huán)，典型裝配方式如圖3所示[13]，安裝在沉頭螺栓頭頸部對螺栓進(jìn)行密封，密封環(huán)套接在螺桿上，與沉頭螺栓的頭部配合沿軸向夾緊兩個被連接構(gòu)件；沉頭螺栓的頭部沉入連接通道，與連接通道的內(nèi)壁配合擠壓彈性密封環(huán)，使密封環(huán)彈性變形，在頭部與連接通道內(nèi)壁的間隙間沿徑向伸展起到密封作用。

圖2 常規(guī)螺栓密封

圖3 沉頭螺栓典型密封

3 膨化聚四氟乙烯密封材料在飛機上安裝及可拆卸性能分析

3.1 安裝效率對比

飛機傳統(tǒng)口蓋密封材料常采用聚硫密封劑如HM109、HM301、XM16、XM22等，該類密封劑多采用二組份、三組份材料混制而成。其工藝流程主要包括：聚硫密封劑的配制、結(jié)構(gòu)件表面清洗晾干、粘接底涂的刷涂晾干、聚硫密封劑刷涂、口蓋預(yù)安裝、密封劑固化、口蓋拆卸及殘膠清理。

膨化聚四氟乙烯密封墊根據(jù)飛機口蓋及口框結(jié)構(gòu)形狀提前成型，在對結(jié)構(gòu)件清洗并晾干后按編號直接粘貼在口蓋或口框上直接使用，不需要固化時間。

以某型飛機前機身設(shè)備艙口蓋樣件為試驗對象，分別選用膨化聚四氟乙烯密封材料、某型號聚硫密封劑開展對比試驗，膨化聚四氟乙烯密封墊安裝一個口蓋時間約40 min，采用聚硫密封劑安裝一個口蓋安裝時間約110 min，安裝后等待時間約48 h。對比結(jié)果可以看出，采用膨化聚四氟乙烯密封墊可以大大降低密封材料安裝時間，安裝效率對比見表2。

表2 安裝效率對比

3.2 拆卸便捷性對比

聚硫密封劑如HM109等是采用硫化方式與飛機結(jié)構(gòu)件緊密粘接在一起，當(dāng)聚硫密封劑出現(xiàn)老化、破損等問題時，需使用鏟膠刀等工具根據(jù)損傷情況，清除掉老化、破損部分的密封材料，其殘膠清除效率低，且極易損傷結(jié)構(gòu)件表面。膨化聚四氟乙烯密封墊一般采用密封墊一面自帶的粘接劑粘接在飛機結(jié)構(gòu)件上，當(dāng)密封墊出現(xiàn)破損、老化等問題時，采用手工方式即可揭除。拆卸便捷性角度分析，膨化聚四氟乙烯密封材料優(yōu)于傳統(tǒng)聚硫密封劑。

3.3 使用靈活性對比

聚硫密封劑是采用在結(jié)構(gòu)件上現(xiàn)場固化的方式成型的，其安裝靈活性較強，可根據(jù)結(jié)構(gòu)件實際形狀及厚度進(jìn)行固化。而膨化聚四氟乙烯密封材料制成的密封墊厚度比較固定，通常根據(jù)設(shè)計圖紙要求采用模切成型，當(dāng)裝配制造出現(xiàn)誤差，飛機服役后發(fā)生結(jié)構(gòu)形變時，原先配制的膨化聚四氟乙烯密封墊可能出現(xiàn)不匹配問題，其靈活性相對較差。

當(dāng)飛機上聚硫密封劑原位固化形成的密封墊出現(xiàn)局部損傷時，可采取局部切割的方式去除損傷部位，重新配制密封劑現(xiàn)場安裝。而當(dāng)飛機某口蓋部位膨化聚四氟乙烯密封墊出現(xiàn)局部損傷時，必須清除掉整條密封墊，再重新安裝一條全新的密封墊，以避免密封墊對縫間隙無法有效排除，造成口蓋密封失效。

4 膨化聚四氟乙烯密封材料耐用性能分析

膨化聚四氟乙烯密封材料與傳統(tǒng)橡膠類密封材料性能特點對比，在材料密度上，顯著低于傳統(tǒng)橡膠，起到良好的減重作用；在耐高低溫方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)橡膠，應(yīng)用的范圍大大提升；在耐環(huán)境性方面無毒、無味，能夠保障安裝操作人員的健康和環(huán)境，性能對比見表3。

表3 聚硫密封劑與膨化聚四氟乙烯密封材料性能對比

5 結(jié)論

（1）通過對比分析發(fā)現(xiàn)膨化聚四氟乙烯密封材料在安裝及拆卸效率方面，存儲方便、安裝便捷、可有效減少外場環(huán)境下的排故時間，實現(xiàn)快速修理。

（2）膨化聚四氟乙烯密封材料密度小，起到很好的減重效果。

（3）同時因其無毒、無味，具有良好的耐化學(xué)性，能耐已知飛機上各類有機溶劑，可在-240℃～260℃之間保持良好的性能。

（4）聚硫密封劑作為傳統(tǒng)的密封材料其靈活性方面也存在一定優(yōu)勢，可根據(jù)飛機口蓋及口框結(jié)構(gòu)形式靈活安裝、修補，是膨化聚四氟乙烯密封材料的一種補充。