新型密封材料在航空结构件上应用及维修可靠性分析
时间：2022-12-03 19:55:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘儒军
（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007）
飞机密封设计是飞机整体设计过程必须考虑的重要环节，座舱密封失效会危及人员生命安全，燃油舱密封失效会导致燃油泄漏，设备舱密封失效会引起设备淋雨、腐蚀、损坏。密封失效后的维修工作量大、费用高昂[1]。在国标、国军标、航标等各类标准中说明了飞机各部位的密封形式、密封材料，主要的密封涉及座舱、燃油舱、电子设备舱等区域多层结构安装、口盖安装、紧固件安装等；
常见的密封形式有缝内密封、缝外密封、表面密封、混合密封等四种形式[2-5]；
常用的密封材料有聚硫型有机硅密封剂、不硫化腻子、涤纶压敏胶带等。
聚硫型有机硅密封剂作为典型的密封材料，常用于飞机结构件缝内、缝外密封、口框密封，该类密封剂应用范围广泛，具有优异的密封性能。但也存在一些缺点，主要体现在飞机制造及维修过程密封剂的施工环境要求高、工序繁琐，密封剂配制后施工时间短、硫化时间长，该类密封剂的故障维护给飞机的完好率提出较高的挑战。同时聚硫型有机硅密封剂密度大，该类密封剂的大量使用，不利于飞机结构减重设计。飞机外场使用，受服役环境作用，特别是在沿海地区，在严酷的海洋环境下，受高温、高湿、高盐的环境因素影响，密封胶、硅橡胶、密封圈等密封材料很容易老化、龟裂，丧失密封功能。拆装口盖时，也会对周围密封材料造成意外损伤。目前大部分的防水故障都是由于密封材料功能失效引发的。
为避免上述短板，同时保持飞机优异的密封性能，国内外飞机设计人员积极开展新材料研究[6]。上世纪80年代美国戈尔（Gore）公司率先开发出航空用膨化聚四氟乙烯（ePTFE），在F-15、F-22、F-35等先进军用飞机和波音、空客等民用飞机上大量使用。国内在本世纪初期也开展了研究论证，开始了国产化历程[7]。目前膨化聚四氟乙烯材料已在国内飞机上开展了应用，体现了其优异的使用性能。目前新型密封材料的研究主要集中在密封材料本身的工艺研究，以及飞机制造使用过程的研究[8-12]，但是对服役过程的可维修性分析较少。
本研究从新型膨化聚四氟乙烯密封材料的材料特性、应用特征入手，分析飞机全寿命周期密封材料损伤状态、疲劳老化情况，针对典型的故障形式论述对飞机使用性能的影响，为可靠性维修提供支撑。
膨化聚四氟乙烯密封材料采用分散聚四氟乙烯树脂经双向或单向拉伸加工而成，类型主要有防水标准型密封带材、防水高强型密封带材、防水耐环境型密封带材等，防水型材料采用单向拉伸，高强型和耐油型材料采用双向拉伸。防水标准型密封带材，用于不接触燃油、液压油、润滑油部位的密封、防护、防腐、填隙；
防水高强型密封带材，用于摩擦性能要求较高部位的密封、防护、防腐、填隙；
防水耐环境型密封带材，用于接触液压油、润滑油部位的密封、防护、防腐、填隙。
国产膨化聚四氟乙烯密封材料性能指标与国外产品水平相当，具有良好的使用性能。测试数据显示各类型膨化聚四氟乙烯密封材料密度范围（0.4～1.2）g/cm3，防水标准型材料压缩后拉伸强度达到4.5 MPa，防水高强型、防水耐环境型压缩后拉伸强度可达到20 MPa。常见国产膨化聚四氟乙烯密封材料主要性能指标见表1。
表1 各类国产膨化聚四氟乙烯密封材料性能主要指标
2.1 口盖密封
在飞机上膨化聚四氟乙烯密封材料主要应用于各类口盖的防水、防腐蚀、防油密封，紧固件的防渗漏密封等。飞机设备区外表面口盖需具备密封防水功能，而防水型膨化聚四氟乙烯密封材料具有优异的密封性能，确保飞机外部雨水等无法进入设备区造成设备遇水短路、腐蚀等故障。如图1所示，通常该类口盖密封用膨化聚四氟乙烯密封材料采用附背胶的方式，同时根据口盖与机体表面口框的结构形式把密封件预制成模切件直接粘接在口盖或口框边缘。
图1 膨化聚四氟乙烯密封垫
2.2 紧固件密封
膨化聚四氟乙烯密封材料除可用于口盖密封外，还可制作成垫圈用于紧固件密封。常用的安装方式有两种。一种是密封平垫圈，典型装配方式如图2所示，其结构形式及密封形式相对简单，配合普通的金属垫圈安装在螺母一端起到结构密封。另一种是密封环，典型装配方式如图3所示[13]，安装在沉头螺栓头颈部对螺栓进行密封，密封环套接在螺杆上，与沉头螺栓的头部配合沿轴向夹紧两个被连接构件；
沉头螺栓的头部沉入连接通道，与连接通道的内壁配合挤压弹性密封环，使密封环弹性变形，在头部与连接通道内壁的间隙间沿径向伸展起到密封作用。
图2 常规螺栓密封
图3 沉头螺栓典型密封
3.1 安装效率对比
飞机传统口盖密封材料常采用聚硫密封剂如HM109、HM301、XM16、XM22等，该类密封剂多采用二组份、三组份材料混制而成。其工艺流程主要包括：聚硫密封剂的配制、结构件表面清洗晾干、粘接底涂的刷涂晾干、聚硫密封剂刷涂、口盖预安装、密封剂固化、口盖拆卸及残胶清理。
膨化聚四氟乙烯密封垫根据飞机口盖及口框结构形状提前成型，在对结构件清洗并晾干后按编号直接粘贴在口盖或口框上直接使用，不需要固化时间。
以某型飞机前机身设备舱口盖样件为试验对象，分别选用膨化聚四氟乙烯密封材料、某型号聚硫密封剂开展对比试验，膨化聚四氟乙烯密封垫安装一个口盖时间约40 min，采用聚硫密封剂安装一个口盖安装时间约110 min，安装后等待时间约48 h。对比结果可以看出，采用膨化聚四氟乙烯密封垫可以大大降低密封材料安装时间，安装效率对比见表2。
表2 安装效率对比
3.2 拆卸便捷性对比
聚硫密封剂如HM109等是采用硫化方式与飞机结构件紧密粘接在一起，当聚硫密封剂出现老化、破损等问题时，需使用铲胶刀等工具根据损伤情况，清除掉老化、破损部分的密封材料，其残胶清除效率低，且极易损伤结构件表面。膨化聚四氟乙烯密封垫一般采用密封垫一面自带的粘接剂粘接在飞机结构件上，当密封垫出现破损、老化等问题时，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优于传统聚硫密封剂。
3.3 使用灵活性对比
聚硫密封剂是采用在结构件上现场固化的方式成型的，其安装灵活性较强，可根据结构件实际形状及厚度进行固化。而膨化聚四氟乙烯密封材料制成的密封垫厚度比较固定，通常根据设计图纸要求采用模切成型，当装配制造出现误差，飞机服役后发生结构形变时，原先配制的膨化聚四氟乙烯密封垫可能出现不匹配问题，其灵活性相对较差。
当飞机上聚硫密封剂原位固化形成的密封垫出现局部损伤时，可采取局部切割的方式去除损伤部位，重新配制密封剂现场安装。而当飞机某口盖部位膨化聚四氟乙烯密封垫出现局部损伤时，必须清除掉整条密封垫，再重新安装一条全新的密封垫，以避免密封垫对缝间隙无法有效排除，造成口盖密封失效。
膨化聚四氟乙烯密封材料与传统橡胶类密封材料性能特点对比，在材料密度上，显著低于传统橡胶，起到良好的减重作用；
在耐高低温方面明显优于传统橡胶，应用的范围大大提升；
在耐环境性方面无毒、无味，能够保障安装操作人员的健康和环境，性能对比见表3。
表3 聚硫密封剂与膨化聚四氟乙烯密封材料性能对比
（1）通过对比分析发现膨化聚四氟乙烯密封材料在安装及拆卸效率方面，存储方便、安装便捷、可有效减少外场环境下的排故时间，实现快速修理。
（2）膨化聚四氟乙烯密封材料密度小，起到很好的减重效果。
（3）同时因其无毒、无味，具有良好的耐化学性，能耐已知飞机上各类有机溶剂，可在-240℃～260℃之间保持良好的性能。
（4）聚硫密封剂作为传统的密封材料其灵活性方面也存在一定优势，可根据飞机口盖及口框结构形式灵活安装、修补，是膨化聚四氟乙烯密封材料的一种补充。
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