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有机硅材料在航空工业的应用

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自莱特兄弟的第一架飞机问世100多年来,每一代飞机结构质量系数的降低、寿命的延长、速度和效能的提高,无不强烈地依赖材料科学技术的进步。一代材料、一代飞机就充分体现了新材料技术在航空工业发展中所起到的先导性和基础性作用。新中国成立以来,我国航空材料经历了从无到有、从小到大的发展过程,也经历了从跟踪仿制、持续改进到自主创新的发展阶段。有机硅材料具有许多优异的性能,它是典型的半无机半有机高分子材料,兼具无机高分子和有机高分子材料的特点,因而具有独特的耐高低温、耐氧、耐光和耐气候老化等性能,在航空工业获得了广泛的应用。目前,我国航空工业应用的有机硅材料包括硅橡胶、硅树脂、硅脂和硅油等;由于硅脂和硅油用量很少,因此,本文主要介绍硅橡胶和硅树脂在航空工业的应用情况。

1硅橡胶在航空工业的应用

在航空工业应用的硅橡胶种类较多,按其硫化方式可分为室温硫化硅橡胶(包括缩合型硅橡胶和加成型硅橡胶)和热硫化硅橡胶,此外,还有不硫化硅橡胶。按其功能可划分为:油密、气密、水密等流体密封材料,隔振、吸振等减振降噪材料,导热、隔热、绝热等材料,导电、导磁、吸波等电磁屏蔽与隐身材料,阻燃、防火等安全防护材料等。因此,本文以硅橡胶的硫化方式为主线,介绍硅橡胶在航空工业上的应用情况。

1.1室温硫化硅橡胶在航空工业的应用室温硫化硅橡胶主要作为密封剂使用。根据其在航空工业上的用途可分为通用有机硅密封剂、耐高温(抗密闭降解)有机硅密封剂、功能有机硅密封剂(如导电有机硅密封剂、防火有机硅密封剂、导热有机硅密封剂、吸雷达波有机硅密封剂、耐燃油有机硅密封剂、有机硅泡沫密封剂等)。

1.1.1通用有机硅密封剂通用有机硅密封剂主要起密封作用,在空气介质中工作温度为-60~250℃。目前广泛应用的牌号有GD931、GD862、GD406和HM304单组分有机硅密封剂,HM305、HM307双组分缩合型有机硅密封剂,HM321高强度双组分缩合型有机硅密封剂等。这些密封剂通过配套使用NJD-6或NJD-9粘接底涂剂,对钢、钛合金和铝合金等金属材料、锌黄底漆、聚氨酯面漆和陶瓷材料等具有良好的粘接性能,应用于飞机结构件镙接、铆接接头和仪表、电阻器、无线电电子设备的表面密封,以及密封制件的修补密封。其中,HM321高强度双组分缩合型有机硅密封剂的拉伸强度在6.0MPa以上,拉断伸长率在450%以上,对金属、有机玻璃有良好的粘接性能,主要用于飞机座舱风挡玻璃的密封。

1.1.2耐高温(抗密闭降解)有机硅密封剂飞机发动机与后机身的高温区及其环控系统需要耐温达300℃的耐高温有机硅密封剂,常用的有HM301耐高温有机硅密封剂、HM325高强度高硬度有机硅密封剂、HM306双组分有机硅密封剂和XY-602S胶粘剂。其中HM306双组分有机硅密封剂和XY-602S胶粘剂的耐温达到350℃,并具有优异的抗密闭降解性能,无需涂覆粘接底涂剂,即可对金属材料具有良好的粘接性能。几种密封剂在密闭体系下老化后的硬度见表1。由表1可见,HM307经250℃×24h密闭体系下老化后已经流淌,说明此时HM307已降解;而HM301有机硅密封剂经350℃×50h密闭体系下老化后也出现流淌现象。3种条件下老化后,HM306有机硅密封剂和XY-602S胶粘剂的硬度变化不大,说明这两种密封剂均可以耐350℃高温密闭降解。

1.1.3导电有机硅密封剂随着电子技术的发展,现代战争进入信息战和电子战的时代,抗电磁干扰及通信保密对电子设备和武器装备至关重要。军用飞机的电子系统和设备的数量不断增加,电子系统和设备正向高频率、宽频带、高集成度、高可靠性和高精度方向发展;而电磁干扰将越来越严重,已成为电子系统和仪器设备正常工作的突出障碍。因此,飞机的电子设备舱和工作舱等部位的接缝处、孔隙处和密封缝隙。必须采用导电有机硅密封剂以实现电磁防护与密封。我国航空工业主要应用体积电阻率小于0.1Ω•cm的高导电密封剂,尤其是体积电阻率小于0.01Ω•cm的超高导电密封剂。目前广泛应用的HM332单组分导电有机硅密封剂和HM315A双组分缩合型导电有机硅密封剂的体积电阻率均小于0.005Ω•cm,在宽频范围内具有优异的电磁屏蔽性能。HM315A超导电有机硅密封剂的电磁屏蔽效能见图1。

1.1.4阻燃防火有机硅密封剂防火的含义是指一种材料或者部件可以经受1093℃甚至更高温度的火焰至少15min不烧穿,且在其背面观察不到任何火焰。阻燃是指材料在点火源撤离后,具有自熄能力,从而在火灾发生时能够阻止燃烧或对燃烧迅速扩展有延滞作用。飞机的发动机、辅助动力系统(APU)、导弹发射处蒙皮等部位长期工作温度较高,而且机体机载的电线电缆纵横交错;一旦潜在的起火区引发火灾,极易蔓延至整个飞机,为了隔离某些潜在的易引燃区,需要涂覆防火隔热有机硅密封剂。目前应用的主要有HM317防火阻燃有机硅密封剂和HM320低密度防火隔热有机硅密封剂。其中,HM317防火阻燃有机硅密封剂的工作温度为-55~204℃,阻燃性能达到FV-0级,3.2mm厚的密封剂经过1050~1150℃火焰燃烧15min,火焰不会穿透。图2为经防火试验后的HM317防火阻燃有机硅密封剂的照片。由图2可见,在高温火焰的作用下,密封剂生成了坚固紧实的炭层,正是这一炭层有效阻止了高温火焰的穿透。HM320低密度防火隔热有机硅密封剂的工作温度为-60~204℃,密度为0.8g/cm3,3.2mm厚的密封剂经过1050~1150℃火焰燃烧15min不会穿透,并有良好的隔热性能。如将厚度为2.0mm、2.5mm、3.0mm的HM320密封剂粘接在钛合金和铝合金板上进行防火隔热性能测试,不同厚度的HM320的隔热性能见图3。由图3可见,HM320具有很好的隔热性能,即使厚度只有2mm的密封剂也具有优良的隔热效果。

1.1.5耐燃油有机硅密封剂将甲基三氟丙基链节引入硅橡胶得到的氟硅橡胶,虽然耐热性有所降低,但具有良好的耐飞机喷气燃料的性能。20世纪50、60年代,道康宁公司就开发出许多不同用途的室温硫化氟硅密封剂,其中Q4-2817被作为飞机整体油箱密封剂使用。我国的HM804双组分氟硅密封剂的使用温度范围-55~230℃,具有较好的耐高温密闭降解性和优良的电绝缘性能,被广泛应用于飞机燃油系统中工作的电气元件的灌封、氟硅橡胶制品的粘接和飞机整体油箱特殊高温部位的密封,它是目前我国航空工业中应用最广、用量最大、技术成熟度最高的氟硅密封剂牌号。HM809单组分氟硅密封剂的工艺性能、力学性能、耐高温性能和耐油性能达到或超过国外同类产品的水平,在飞机上也逐渐得到应用。

1.1.6泡沫有机硅密封剂室温硫化有机硅泡沫密封剂是新型功能密封材料,除了具有良好的耐候、耐热、耐寒及电气性能外,还具有质量轻、缓冲性好、隔热、隔音性强、可压缩性大等特点,以及使用方便、便于修补、综合性能优异等优点,是一种理想的轻质封装材料。一般有机硅泡沫密封剂的发泡时间较短(如美国Nusil公司的系列泡沫密封剂),而航空工业的很多使用场合,如飞机机体和机载设备的泡沫密封剂要求具有相当长的活性期,使发泡和硫化平稳进行,因此一般有机硅泡沫密封剂难以满足使用要求。而HM302有机硅泡沫密封剂(密度为0.4~0.6g/cm3)的活性期在50~90min,施工性能优异,并具有优异的耐高温和抗密闭降解性能。此外,高隐身成为四代战斗机的主要标志之一,飞机的口盖、蒙皮对接缝等部位存在大量的缝隙,如美国B2的飞机口盖、蒙皮对接缝等部位的缝隙长度达到942m,采用吸波密封剂对这些缝隙进行处理是提高飞机隐身性能的主要途径。HM323室温硫化吸波有机硅密封剂具有良好的嵌缝施工性能、力学性能和耐高低温性能,以及2~18GHz范围内良好的吸收雷达波性能。随着飞机电子设备功率的提高,为了满足机载电子电器设备的隔热、绝缘、导热和减振防护需求,已广泛使用导热有机硅密封剂,其中,HM330和HM340导热有机硅密封剂具有优异的灌封性能、热导率达2.0W/(m•K),导热性能优异。

1.2热硫化硅橡胶在航空工业的应用

1.2.1通用硅橡胶伴随着航空工业的发展,在国内外典型的三代战斗机上(F-15、F-16、苏-27和歼-10等),热硫化硅橡胶以其优异的耐热性、耐候性、电绝缘性和化学稳定性等取代通用橡胶(天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等)而广泛用于制造在空气、臭氧、燃油、滑油和电场中工作的橡胶零件、胶板、胶管和型材,大大简化了航空工业用橡胶的品种与种类。通用硅橡胶的使用温度范围为-70~250℃,某些使用部位可低于-70℃或高于250℃。当前在航空工业上大量应用的通用硅橡胶有61XX系列硅橡胶、G1XX系列硅橡胶、SE6XXX系列硅橡胶、PS系列硅橡胶和FS系列硅橡胶等。SE6XXX系列硅橡胶、PS系列硅橡胶和FS系列硅橡胶的性能见表2。表2中,SE6XXX系列硅橡胶为甲基乙烯基硅橡胶。其中SE6042和SE6050硅橡胶在臭氧含量较高的空气和电场中的工作温度为-60~250℃,在润滑脂中的工作温度为-55~150℃,适合作模压空气系统的密封和电绝缘零件(如密封罩、座舱、座椅密封衬垫、电器绝缘件、减压器用密封圈及橡胶金属件等);SE6450和SE6465硅橡胶在空气中的工作温度为-50~200℃,适合作制造形状复杂的高抗撕硅橡胶零件(如加压氧气面罩主体和加压氧气面罩供氧波纹管等);SE6180硅橡胶在臭氧含量较高的空气和电场中的工作温度为-60~250℃,在润滑脂中的工作温度为-55~150℃,适合作制造高温空气系统中的密封和电绝缘零件(如高温电绝缘管套和绝缘套管、各种管线胶垫的紧箍件等)。PS系列硅橡胶为甲基苯基硅橡胶,具有更优异的耐高低温性能。其中PS6035硅橡胶在空气中的工作温度为-70~250℃,适合作制造氧气面罩呼吸气活门膜片;PS6050和PS5360硅橡胶在空气中的工作温度为-70~250℃,适合作模压空气系统的密封和电绝缘零件(如飞机高温部位密封件、电绝缘零件和密封圈等)。FS系列硅橡胶为氟硅橡胶,具有优异的耐油性能。其中FS6265、FS4270和FS6165硅橡胶适合作制造飞机发动机高温区空气、燃油、液压系统密封件和电绝缘零件;FS6161硅橡胶适合作制造液压、电气管路的紧箍件;FS6145硅橡胶适合作注射成型航空连接器。

1.2.2阻尼硅橡胶阻尼减振橡胶是利用橡胶的阻尼特性提高防振和减振效果的一类材料,可有效避免电子器件失效和仪器仪表失灵,大幅增加机械零部件寿命,从而提高飞机装备的精度与可靠性。硅橡胶的玻璃化转变温度较低,室温附近性能值变化小,而主链硅氧硅结构使其在较宽的温度区域(-50~200℃)内力学性能较稳定。传统的阻尼减振材料往往温度及频率范围较窄,适应不了飞行器启动时低频和工作时高频振动的宽频率范围,也难以兼顾北方寒冷冬天及南方炎热夏日的宽工作温度,因此,航空领域常将硅橡胶作为阻尼材料的首选,尤其是在大应力、大应变而产生高热量的情况下。SE20XX系列硅橡胶是以甲基苯基硅橡胶为基胶,加入补强剂、结构控制剂、阻尼剂经特殊处理而成的胶料。SE20XX系列硅橡胶不仅具有良好的阻尼性能、耐候性和耐高低温性能,而且具有优良的高低温环境下的性能稳定性,在使用温度范围(-40~70℃)内硬度变化小于10度。采用SE20XX系列硅橡胶制造的JZH航空仪表用硅橡胶减振器,性能指标满足GJB5257要求。与原天然橡胶减振器相比,减振效率提高50%,使用寿命10年以上;制造的JZQ惯导平台用硅橡胶减振器,减振器谐振点放大倍数小于5,在使用温度(-40~70℃)范围内,减振器谐振频率变化小于30Hz,减振器使用寿命可达10年或飞行1000h以上;制造的JZB大载荷航空减振器,单件减振器载荷14.5~75kg,功能振动加速度为9.7g,耐久振动加速度为11.7g,减振效率达到80%以上。以上三类减振器已在歼击机、运输机和直升机等多个型号中获得应用。直升机粘弹阻尼器又称减摆器,是直升机星型柔性桨毂中的主要功能部件,它能防止直升机旋翼系统的不稳定运动,防止地面共振和空中共振的发生。目前国内外的先进直升机如法国的海豚、美国的阿帕奇、中国的Z9、中欧合作研制的EC175/Z15等广泛使用了粘弹阻尼器。高强度高耐疲劳高阻尼硅橡胶做为旋翼粘弹阻尼器的核心材料,对直升机旋翼粘弹阻尼器技术的发展至关重要。

1.2.3导电硅橡胶为了避免电子设备的相互电磁干扰,导电橡胶已经广泛应用于电子系统和仪器设备的密封,而高导电橡胶一般多采用硅、氟硅橡胶为基胶,以银粉或镀银材料为导电填料。这类导电材料最高使用温度达125℃,甚至160℃,具有优异的导电性能、耐低温性能和耐高温抗老化性能。国内常用高导电硅橡胶的性能见表4,其中EC系列为导电苯基硅橡胶,EF系列为导电氟硅橡胶。1.2.4阻燃防火硅橡胶为了提高飞机的安全性,阻燃硅橡胶和阻燃防火硅橡胶及其制品在飞机发动机、电线电缆上也有一定量的应用。如TG系列阻燃胶布软管,阻燃性能满足民航HB5470-91的要求,产生的烟气量小,毒性低。FH6360防火阻燃硅橡胶阻燃性能达到FV-0级,3.2mm厚的试片经过1050~1150℃火焰燃烧15min,火焰不会穿透,可以模压成橡胶紧箍件、衬垫和套管,在飞机发动机部位得到应用。

1.3不硫化硅橡胶在航空工业的应用以不硫化硅橡胶为基材制成的不硫化密封腻子一般仅用于结构的装配贴合面密封(即缝内密封)、沟槽密封和一些需要拆卸的结构密封。不硫化密封腻子的低模量和不硫化特点对结构的密封带来了很大方便,在飞机座舱结构的骨架与蒙皮之间贴合面密封中,长达十几米的密封装配线上,可以不受室温硫化密封剂使用活性期和施工期的限制,从容地铺贴腻子和铆装结构件,这对于保证结构的密封性和装配质量十分有利。最早的飞机整体油箱沟槽密封采用的是不硫化聚硫橡胶密封腻子;到20世纪60、70年代,随着对密封腻子的使用温度要求越来越高,美国研制出不硫化氟硅、腈硅密封腻子用于飞机整体油箱沟槽、宇宙站和其它宇宙飞行器系统的密封,用以代替使用温度较低的不硫化聚硫密封腻子。HMB802和HMB802A是以氟硅橡胶为基体的整体油箱沟槽注射用不硫化密封腻子,长期使用温度为-54~180℃,腻子中含有挡隔颗粒,已在飞机整体油箱和导弹密封中使用多年。使用时被预先装在高压注射枪内,将枪嘴插入蒙皮上预留的注射孔,腻子进入沟槽,然后拧紧注射孔螺钉即可完成密封施工,这对于提高飞机燃油箱的装配质量和速度,保证密封质量和控制密封剂用量非常有利。不仅如此,修补也十分方便,打开渗漏区沟槽两侧的注射孔螺钉,采用高压注射枪注入新密封腻子,替换出旧腻子,即可重新密封完成修复。HMB808不硫化吸波氟硅密封腻子的长期使用温度为-55~130℃,短期可达150℃,主要用于飞机上各类口盖对缝和钉头等部位的密封和隐身,它在2~18GHz范围内有良好的吸收雷达波性能。

2硅树脂在航空工业的应用

硅树脂是具有高度交联结构的热固性聚硅氧烷体系,具有极佳的耐热性及耐候性,并具有优良的电绝缘性、耐化学药品性、憎水性及阻燃性,R/Si比值是判断硅树脂中三官能链节含量及控制质量的主要指标之一,它对硅树脂漆膜硬度、柔软性、热失重和耐开裂性有重要影响。航空工业中硅树脂主要是作为耐高温涂料使用。如有机硅高温绝缘涂料可长期耐热600℃,短期耐700℃,具有优良的电绝缘性能、高附着力和耐高低温交变性,应用于发动机电缆、绕组、热辊及电加热设备。耐高温抗激光烧蚀有机硅涂料涂覆在钢材上,其900μm厚涂层经受531W/cm2激光功率密度照射4s,带涂层钢基材比空白钢基材背面温度下降1000℃左右,应用在飞机的敏感部位激光热防护。低温固化耐热硅树脂基涂料,可长期耐热300℃,具有良好的耐热性、附着力和耐介质性能良好,应用在发动机低压涡轮轴、风扇轴的内外表面。耐高温红外隐身涂料在300℃以下具有优良的耐热性、附着力良好和高温红外波隐身性能,应用在发动机红外隐身,发动机尾喷口附近。硅树脂和改性硅树脂是耐高温胶粘剂的重要组成部分,俄罗斯在该领域进行了深入系统的研究,研制出多个改性硅树脂胶粘剂应用于航空领域。如有机硅苯酚甲醛树脂胶粘剂长期耐温450~550℃,短期耐1000℃,并具有优异的耐水、耐燃油和耐滑油性,用于粘接金属与非金属材料(如石墨、玻璃布复合材料和防热材料)。耐高温有机硅树脂胶粘剂长期耐温700℃,短期耐1200℃,用于粘接结构件中的钛合金、耐热非金属材料(玻璃布复合材料和防热材料)。硅树脂作为耐高温密封剂用量不大,但十分重要,它是某些苛刻密封使用环境的重要解决方案。如飞机发动机空—空换热器和气压作动筒等零组件的长时间工作温度达500℃,所使用的HM310硅树脂密封剂在经耐热500℃×36h后,不起皮、不鼓泡、不开裂、不脱落,附着力达到1级,经1.0MPa打压试验不漏气,具有良好的耐高温密封性能。飞机发动机或燃气轮机的燃烧室与整流器安装边和调节环等处工作温度可达800℃,所使用的HM311耐高温硅树脂密封剂经800℃×36h处理后,经2.5MPa打压试验不漏气。

3结束语

我国研制和生产的高性能有机硅材料及制品基本满足了国内不同阶段航空工业的需求,但一些关键的高性能与功能化的硅橡胶、硅树脂及部分单体原料仍无法自主保障,部分有机硅材料的性能和质量尚不稳定。伴随着航空工业的发展,对有机硅材料的要求越来越高,一方面需要发展新型结构的有机硅材料,如高苯基硅橡胶、碳硼烷硅橡胶和硅氮橡胶等,另一方面需要发展功能化的有机硅材料,如高耐疲劳减振硅橡胶、电磁屏蔽硅橡胶、高性能热防护硅橡胶等。笔者相信,通过我国从事有机硅材料研究的科技工作者的共同努力,有机硅材料能够为我国航空工业技术进步发挥更大的作用。

作者:范召东 孙全吉 黄艳华 吴娜 刘梅 单位:北京航空材料研究院

有机硅材料在航空工业的应用责任编辑:杨雪    阅读:人次