膨體聚四氟乙烯密封材料在民機(jī)上的應(yīng)用

李韋翰

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海201210）

膨體聚四氟乙烯密封材料在民機(jī)上的應(yīng)用

李韋翰

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海201210）

民用飛機(jī)受經(jīng)濟(jì)效益影響的推動，在研發(fā)時對重量指標(biāo)的要求愈加嚴(yán)苛，對維護(hù)時間與維護(hù)便利性的需求也越來越高?？紤]到膨體聚四氟乙烯（ePTFE）用作密封材料具有許多優(yōu)良的性能，近年來廣泛運(yùn)用于國外民用飛機(jī)的接觸面密封以滿足重量與維護(hù)性的需求?；诖?，簡述了膨體聚四氟乙烯密封材料在民機(jī)應(yīng)用上的發(fā)展優(yōu)勢，給出國內(nèi)民機(jī)常見應(yīng)用范圍。

膨體聚四氟乙烯；民用飛機(jī)；密封材料；復(fù)材面板；維護(hù)性

現(xiàn)代民用飛機(jī)通常有著眾多的口蓋與大面積的復(fù)合材料面板，以便運(yùn)營時的系統(tǒng)設(shè)備使用與日常檢查維護(hù)等。這類結(jié)構(gòu)在連接時需要使用特定的密封劑或密封墊片，通常是各類橡膠、聚碳酸酯、硫化膠等，這些密封材料自身性能存在著諸多不足，比如重量大、適溫區(qū)間狹窄、易老化、耐油性差、阻燃性差、機(jī)械性能差、安裝不方便、壽命短，維護(hù)要求高等，在競爭越來越激烈的民機(jī)領(lǐng)域逐漸無法滿足設(shè)計要求，因此，在現(xiàn)下的民機(jī)設(shè)計中，需要一種通用性好，使用方便、性能優(yōu)良的密封材料滿足苛刻的重量與維護(hù)性需求。

本文通過在國產(chǎn)民用飛機(jī)的設(shè)計研發(fā)中使用新型膨體聚四氟乙烯（ePTFE）材料替代傳統(tǒng)橡膠和聚酯膜薄密封件，達(dá)到減重增效的目的，提高飛機(jī)的市場競爭力。

1 產(chǎn)品描述與國外應(yīng)用現(xiàn)狀

聚四氟乙烯（PTFE）是一種誕生于二戰(zhàn)時期的軍用材料，當(dāng)時用于昂貴的特殊軍用產(chǎn)品，在戰(zhàn)后才進(jìn)行解密并用于民用工業(yè)用途。膨體聚四氟乙烯（ePTFE）是美國格爾公司研發(fā)的用于航空工業(yè)用途的密封件材料（GORESkyFlex）[1]，其特有的微型定向纖維結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了抗拉強(qiáng)度與耐高溫性能。該產(chǎn)品具有諸多優(yōu)異的性能，在用于飛機(jī)密封件領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)材料，主要有以下幾個方面：

（1）使用時隨拆隨用，無需固化或硫化，預(yù)成形體直接用于一些形狀奇異的口蓋或面板，大大縮短安裝周期。

（2）具有寬闊的溫度適應(yīng)區(qū)間（-240℃/+260℃）。

（3）良好的耐老化性，蠕變性能，如圖1所示。

（4）低密度。

（5）安全環(huán)保，允許多次裝卸，減少使用成本。

（6）優(yōu)異的耐腐蝕性，可以抵抗幾乎所有已知的航空潤滑油，液壓油，燃油、各類膠黏劑等化學(xué)品的腐蝕，耐燃油型還能額外抵抗燃油浸潤，如圖2所示。

圖1 蠕變測試

圖2 長期浸潤試驗，左側(cè)高強(qiáng)型，右側(cè)耐燃油型

膨體聚四氟乙烯密封材料按適應(yīng)區(qū)域與自身性能分為標(biāo)準(zhǔn)型、高強(qiáng)度型、耐燃油型等，具體性能如表1所列。

表1 SkyFlex各系列主要性能

隨著產(chǎn)品性能與產(chǎn)能的提升以及價格的下降，以往只用在軍機(jī)與航天設(shè)備的材料逐漸被引入到民用飛機(jī)設(shè)計中，隨著波音777的客貨艙地板率先應(yīng)用后，波音的737/767/747系列也通過服務(wù)通告或者手冊的形式換裝了此類密封件，最新的787系列更是應(yīng)用在幾乎所有的地板組件、襟縫翼面板、各型維護(hù)口蓋、翼身整流罩復(fù)材面板等與骨架的貼合面上?？罩锌蛙嚬疽苍贏380的研發(fā)上優(yōu)先在平尾油箱與客貨艙地板上使用，隨后也通過服務(wù)通告和手冊的形式給A320系列（包含A318，A319，A321），A300/ A330/A340系列的機(jī)翼油箱檢查維護(hù)口蓋、雷達(dá)罩、平尾檢修口蓋、客貨艙地板等結(jié)構(gòu)換裝了此類密封件，最新研發(fā)的A350系列同樣也應(yīng)用在幾乎所有適用的位置。同時，全球其他先進(jìn)民機(jī)制造商，如龐巴迪、巴航工業(yè)、灣流等也陸續(xù)通過服務(wù)通告和手冊的形式分別對CRJ，Challenger，ERJ，G系列等機(jī)型上的適用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了換裝。

2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

國內(nèi)對膨體聚四氟乙烯密封材料的研究一直落后于國外，無法提供滿足要求的高性能產(chǎn)品[2]，又因此類產(chǎn)品涉及軍事用途，西方國家禁止對我國出口，導(dǎo)致國內(nèi)自主研制的民機(jī)直到本世紀(jì)初之前都無法選用。我國民機(jī)制造商在這些結(jié)構(gòu)上只能選用傳統(tǒng)密封材料，在激烈的國際民機(jī)市場競爭中處于不利地位。近十年來西方陸續(xù)放開各型高性能膨體聚四氟乙烯材料對我國的禁售，國內(nèi)的民機(jī)制造商得以選擇本材料替代傳統(tǒng)材料。

國內(nèi)新型民機(jī)設(shè)計中首先在襟翼面板與骨架連接面上嘗試使用，如圖3所示。從圖4可以看出經(jīng)歷長時間飛行載荷后面板與骨架連接面基本無損傷痕跡，同期檢修的使用雙組份硫化密封膠密封的同類型結(jié)構(gòu)位置已經(jīng)出現(xiàn)一些腐蝕的痕跡。

圖3 接觸面基本無損傷

圖4 使用硫化密封膠處出現(xiàn)腐蝕

商用客機(jī)在每次拆卸檢修后使用密封膠的面板需要先清理表面，再使用多組份硫化密封膠在現(xiàn)場固化，大大增加了檢修時間，特別是外場條件下，如進(jìn)行大塊區(qū)域的拆卸檢修，僅重新密封就會花費(fèi)大量工時，這很大程度上增加了運(yùn)營商的運(yùn)營成本。

此外，一些存在震動，需要抗磨損性能的部位，比如翼身整流罩骨架與復(fù)材面板之間，以往通常使用聚碳酸酯墊片，在長時間飛行后，聚碳酸酯對金屬骨架的保護(hù)良好，但是與之連接的復(fù)材面板卻存在大量磨損，如圖5所示。這些損傷縮短了復(fù)材面板的使用壽命，增加了飛機(jī)運(yùn)營成本。

圖5 復(fù)材面板存在較多損傷

客艙地板對密封的要求也比較高，傳統(tǒng)地板使用復(fù)材封邊膠進(jìn)行密封，長時間運(yùn)營后因?qū)p處的磨損，加上客艙灑落的飲料，冷凝水等液體對地板邊緣的腐蝕，導(dǎo)致地板蜂窩區(qū)含水量上升，重量增大，降低了運(yùn)營效率，如圖6所示。

圖6 客艙地板蜂窩損傷

民機(jī)上還有很多部位對密封性能有著較高的要求，比如各系統(tǒng)管路檢修面板、平尾面板、垂尾前緣面板、航行燈燈罩、機(jī)翼前緣、駕駛艙風(fēng)擋、雷達(dá)罩等，此外還有一些部位對密封材料有耐燃油的要求，比如機(jī)翼油箱檢修口蓋，中央翼油箱檢修口蓋、燃油應(yīng)急放口蓋等，以往這些口蓋的密封只能選用高性能橡膠密封圈，每次拆卸都需要換新，單個密封圈的成本高達(dá)千元以上，若更換為可重復(fù)使用的耐燃油膨體聚四氟乙烯后，可至少50次拆卸后才需要更換，很大程度上節(jié)約了成本提高了效率，如圖7所示。

圖7 預(yù)成型耐燃油墊片

基于上述考慮，新研發(fā)的國產(chǎn)民機(jī)將參考國際主流機(jī)型，在大多數(shù)前文提及的部位使用膨體聚四氟乙烯密封材料密封；在役的機(jī)型可以通過服務(wù)通告或者手冊的形式逐步更換；處于概念設(shè)計階段的機(jī)型則可以統(tǒng)一需求，在滿足壓縮量控制和氣動外形保持的基礎(chǔ)上統(tǒng)一提出對密封材料的需求，形成規(guī)范文件以降低研發(fā)成本提高研發(fā)效率。

3 結(jié)束語

膨體聚四氟乙烯密封產(chǎn)品已在歐美國家使用了近20年時間，在各類軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)上已廣泛使用?，F(xiàn)將此類材料引入到國內(nèi)民機(jī)研制中，利用其優(yōu)異的機(jī)械性能，溫區(qū)廣，耐老化，耐腐蝕等優(yōu)點替代傳統(tǒng)密封材料，節(jié)省大量重量，減少維護(hù)時間，提升維護(hù)便利性，提高了飛機(jī)航線運(yùn)營效率，降低了運(yùn)營成本。

受限于國產(chǎn)材料本身的性能與通過FAA及EASA等適航審定認(rèn)證的艱難，現(xiàn)民機(jī)設(shè)計中只能選用進(jìn)口材料，期待未來能有進(jìn)入適航審定認(rèn)證材料選用目錄的國產(chǎn)材料選用，進(jìn)一步提升國產(chǎn)民機(jī)在國際上的競爭力。

[1]徐博，朱光明，祝萌.航空航天用膨化聚四氟乙烯密封材料研究進(jìn)展[J].中國塑料，2013（08）：8-12.

[2]高亦嵐，姚磊.航空用膨化聚四氟乙烯密封材料的研究和應(yīng)用[J].世界橡膠工業(yè)，2013（03）：38-42.

Application of Expanded Polytetranuoroethylence（ePTFE）Civil Aircraft Sealant

LI Wei-han
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

Driven by the economic benefits impact，the weight index requirement is increasingly stringent in the research and development of civil aircraft.The demand for maintenance time and maintenance convenience is also increasing.Considering that the expanded polytetrafluoroethylene（ePTFE）used as a sealing material has many excellent properties，it has been widely used in civil aircraft in recent years to match the needs of weight and maintainability.This paper describes the development of the advantages of ePTFE sealing material in civil aircraft applications and gives the common field of application in domestic civil aircraft.

expanded polytetranuoroethylence；civil aircraft；sealant material；composite panel；maintenance

TQ325

B

1672-545X（2017）06-0211-03

2017-03-24

李韋翰（1987-），男，江蘇揚(yáng)州人，工程師，工程力學(xué)碩士，從事商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。