有機硅材料在航空工業(yè)的應用有機硅材料在航空工業(yè)的應用 2015/12/28 自萊特兄弟的第一架飛機問世100多年來，每一代飛機結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)的降低、壽命的延長、速度和效能的提高，無不強烈地依賴材料科學技術(shù)的進步。一代材料、一代飛機就充分體現(xiàn)了新材料技術(shù)在航空工業(yè)發(fā)展中所起到的先導性和基礎(chǔ)性作用。新中國成立以來，我國航空材料經(jīng)歷了從無到有、從小到大的發(fā)展過程，也經(jīng)歷了從跟蹤仿制、持續(xù)改進到自主創(chuàng)新的發(fā)展階段。有機硅材料具有許多優(yōu)異的性能，它是典型的半無機半有機高分子材料，兼具無機高分子和有機高分子材料的特點，因而具有獨特的耐高低溫、耐氧、耐光和耐氣候老化等性能，在航空工業(yè)獲得了廣泛的應用。目前，我國航空工業(yè)應用的有機硅材料包括硅橡膠、硅樹脂、硅脂和硅油等;由于硅脂和硅油用量很少，因此，本文主要介紹硅橡膠和硅樹脂在航空工業(yè)的應用情況。1硅橡膠在航空工業(yè)的應用在航空工業(yè)應用的硅橡膠種類較多，按其硫化方式可分為室溫硫化硅橡膠(包括縮合型硅橡膠和加成型硅橡膠)和熱硫化硅橡膠，此外，還有不硫化硅橡膠。按其功能可劃分為:油密、氣密、水密等流體密封材料，隔振、吸振等減振降噪材料，導熱、隔熱、絕熱等材料，導電、導磁、吸波等電磁屏蔽與隱身材料，阻燃、防火等安全防護材料等。因此，本文以硅橡膠的硫化方式為主線，介紹硅橡膠在航空工業(yè)上的應用情況。1.1室溫硫化硅橡膠在航空工業(yè)的應用室溫硫化硅橡膠主要作為密封劑使用。根據(jù)其在航空工業(yè)上的用途可分為通用有機硅密封劑、耐高溫(抗密閉降解)有機硅密封劑、功能有機硅密封劑(如導電有機硅密封劑、防火有機硅密封劑、導熱有機硅密封劑、吸雷達波有機硅密封劑、耐燃油有機硅密封劑、有機硅泡沫密封劑等)。1.1.1通用有機硅密封劑通用有機硅密封劑主要起密封作用，在空氣介質(zhì)中工作溫度為60250。目前廣泛應用的牌號有GD931、GD862、GD406和HM304單組分有機硅密封劑，HM305、HM307雙組分縮合型有機硅密封劑，HM321高強度雙組分縮合型有機硅密封劑等。這些密封劑通過配套使用NJD6或NJD9粘接底涂劑，對鋼、鈦合金和鋁合金等金屬材料、鋅黃底漆、聚氨酯面漆和陶瓷材料等具有良好的粘接性能，應用于飛機結(jié)構(gòu)件鏍接、鉚接接頭和儀表、電阻器、無線電電子設(shè)備的表面密封，以及密封制件的修補密封。其中，HM321高強度雙組分縮合型有機硅密封劑的拉伸強度在6.0MPa以上，拉斷伸長率在450%以上，對金屬、有機玻璃有良好的粘接性能，主要用于飛機座艙風擋玻璃的密封。1.1.2耐高溫(抗密閉降解)有機硅密封劑飛機發(fā)動機與后機身的高溫區(qū)及其環(huán)控系統(tǒng)需要耐溫達300的耐高溫有機硅密封劑，常用的有HM301耐高溫有機硅密封劑、HM325高強度高硬度有機硅密封劑、HM306雙組分有機硅密封劑和XY602S膠粘劑。其中HM306雙組分有機硅密封劑和XY602S膠粘劑的耐溫達到350，并具有優(yōu)異的抗密閉降解性能，無需涂覆粘接底涂劑，即可對金屬材料具有良好的粘接性能。幾種密封劑在密閉體系下老化后的硬度見表1。由表1可見，HM307經(jīng)25024h密閉體系下老化后已經(jīng)流淌，說明此時HM307已降解;而HM301有機硅密封劑經(jīng)35050h密閉體系下老化后也出現(xiàn)流淌現(xiàn)象。3種條件下老化后，HM306有機硅密封劑和XY602S膠粘劑的硬度變化不大，說明這兩種密封劑均可以耐350高溫密閉降解。1.1.3導電有機硅密封劑隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭進入信息戰(zhàn)和電子戰(zhàn)的時代，抗電磁干擾及通信保密對電子設(shè)備和武器裝備至關(guān)重要。軍用飛機的電子系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)量不斷增加，電子系統(tǒng)和設(shè)備正向高頻率、寬頻帶、高集成度、高可靠性和高精度方向發(fā)展;而電磁干擾將越來越嚴重，已成為電子系統(tǒng)和儀器設(shè)備正常工作的突出障礙。因此，飛機的電子設(shè)備艙和工作艙等部位的接縫處、孔隙處和密封縫隙。必須采用導電有機硅密封劑以實現(xiàn)電磁防護與密封。我國航空工業(yè)主要應用體積電阻率小于0.1cm的高導電密封劑，尤其是體積電阻率小于0.01cm的超高導電密封劑。目前廣泛應用的HM332單組分導電有機硅密封劑和HM315A雙組分縮合型導電有機硅密封劑的體積電阻率均小于0.005cm，在寬頻范圍內(nèi)具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能。HM315A超導電有機硅密封劑的電磁屏蔽效能見圖1。1.1.4阻燃防火有機硅密封劑防火的含義是指一種材料或者部件可以經(jīng)受1093甚至更高溫度的火焰至少15min不燒穿，且在其背面觀察不到任何火焰。阻燃是指材料在點火源撤離后，具有自熄能力，從而在火災發(fā)生時能夠阻止燃燒或?qū)θ紵杆贁U展有延滯作用。飛機的發(fā)動機、輔助動力系統(tǒng)(APU)、導彈發(fā)射處蒙皮等部位長期工作溫度較高，而且機體機載的電線電纜縱橫交錯;一旦潛在的起火區(qū)引發(fā)火災，極易蔓延至整個飛機，為了隔離某些潛在的易引燃區(qū)，需要涂覆防火隔熱有機硅密封劑。目前應用的主要有HM317防火阻燃有機硅密封劑和HM320低密度防火隔熱有機硅密封劑。其中，HM317防火阻燃有機硅密封劑的工作溫度為55204，阻燃性能達到FV0級，3.2mm厚的密封劑經(jīng)過10501150火焰燃燒15min，火焰不會穿透。圖2為經(jīng)防火試驗后的HM317防火阻燃有機硅密封劑的照片。由圖2可見，在高溫火焰的作用下，密封劑生成了堅固緊實的炭層，正是這一炭層有效阻止了高溫火焰的穿透。HM320低密度防火隔熱有機硅密封劑的工作溫度為60204，密度為0.8g/cm3，3.2mm厚的密封劑經(jīng)過10501150火焰燃燒15min不會穿透，并有良好的隔熱性能。如將厚度為2.0mm、2.5mm、3.0mm的HM320密封劑粘接在鈦合金和鋁合金板上進行防火隔熱性能測試，不同厚度的HM320的隔熱性能見圖3。由圖3可見，HM320具有很好的隔熱性能，即使厚度只有2mm的密封劑也具有優(yōu)良的隔熱效果。1.1.5耐燃油有機硅密封劑將甲基三氟丙基鏈節(jié)引入硅橡膠得到的氟硅橡膠，雖然耐熱性有所降低，但具有良好的耐飛機噴氣燃料的性能。20世紀50、60年代，道康寧公司就開發(fā)出許多不同用途的室溫硫化氟硅密封劑，其中Q42817被作為飛機整體油箱密封劑使用。我國的HM804雙組分氟硅密封劑的使用溫度范圍55230，具有較好的耐高溫密閉降解性和優(yōu)良的電絕緣性能，被廣泛應用于飛機燃油系統(tǒng)中工作的電氣元件的灌封、氟硅橡膠制品的粘接和飛機整體油箱特殊高溫部位的密封，它是目前我國航空工業(yè)中應用最廣、用量最大、技術(shù)成熟度最高的氟硅密封劑牌號。HM809單組分氟硅密封劑的工藝性能、力學性能、耐高溫性能和耐油性能達到或超過國外同類產(chǎn)品的水平，在飛機上也逐漸得到應用。1.1.6泡沫有機硅密封劑室溫硫化有機硅泡沫密封劑是新型功能密封材料，除了具有良好的耐候、耐熱、耐寒及電氣性能外，還具有質(zhì)量輕、緩沖性好、隔熱、隔音性強、可壓縮性大等特點，以及使用方便、便于修補、綜合性能優(yōu)異等優(yōu)點，是一種理想的輕質(zhì)封裝材料。一般有機硅泡沫密封劑的發(fā)泡時間較短(如美國Nusil公司的系列泡沫密封劑)，而航空工業(yè)的很多使用場合，如飛機機體和機載設(shè)備的泡沫密封劑要求具有相當長的活性期，使發(fā)泡和硫化平穩(wěn)進行，因此一般有機硅泡沫密封劑難以滿足使用要求。而HM302有機硅泡沫密封劑(密度為0.40.6g/cm3)的活性期在5090min，施工性能優(yōu)異，并具有優(yōu)異的耐高溫和抗密閉降解性能。此外，高隱身成為四代戰(zhàn)斗機的主要標志之一，飛機的口蓋、蒙皮對接縫等部位存在大量的縫隙，如美國B2的飛機口蓋、蒙皮對接縫等部位的縫隙長度達到942m，采用吸波密封劑對這些縫隙進行處理是提高飛機隱身性能的主要途徑。HM323室溫硫化吸波有機硅密封劑具有良好的嵌縫施工性能、力學性能和耐高低溫性能，以及218GHz范圍內(nèi)良好的吸收雷達波性能。隨著飛機電子設(shè)備功率的提高，為了滿足機載電子電器設(shè)備的隔熱、絕緣、導熱和減振防護需求，已廣泛使用導熱有機硅密封劑，其中，HM330和HM340導熱有機硅密封劑具有優(yōu)異的灌封性能、熱導率達2.0W/(mK)，導熱性能優(yōu)異。1.2熱硫化硅橡膠在航空工業(yè)的應用1.2.1通用硅橡膠伴隨著航空工業(yè)的發(fā)展，在國內(nèi)外典型的三代戰(zhàn)斗機上(F15、F16、蘇27和殲10等)，熱硫化硅橡膠以其優(yōu)異的耐熱性、耐候性、電絕緣性和化學穩(wěn)定性等取代通用橡膠(天然橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠、乙丙橡膠等)而廣泛用于制造在空氣、臭氧、燃油、滑油和電場中工作的橡膠零件、膠板、膠管和型材，大大簡化了航空工業(yè)用橡膠的品種與種類。通用硅橡膠的使用溫度范圍為70250，某些使用部位可低于70或高于250。當前在航空工業(yè)上大量應用的通用硅橡膠有61XX系列硅橡膠、G1XX系列硅橡膠、SE6XXX系列硅橡膠、PS系列硅橡膠和FS系列硅橡膠等。SE6XXX系列硅橡膠、PS系列硅橡膠和FS系列硅橡膠的性能見表2。表2中，SE6XXX系列硅橡膠為甲基乙烯基硅橡膠。其中SE6042和SE6050硅橡膠在臭氧含量較高的空氣和電場中的工作溫度為60250，在潤滑脂中的工作溫度為55150，適合作模壓空氣系統(tǒng)的密封和電絕緣零件(如密封罩、座艙、座椅密封襯墊、電器絕緣件、減壓器用密封圈及橡膠金屬件等);SE6450和SE6465硅橡膠在空氣中的工作溫度為50200，適合作制造形狀復雜的高抗撕硅橡膠零件(如加壓氧氣面罩主體和加壓氧氣面罩供氧波紋管等);SE6180硅橡膠在臭氧含量較高的空氣和電場中的工作溫度為60250，在潤滑脂中的工作溫度為55150，適合作制造高溫空氣系統(tǒng)中的密封和電絕緣零件(如高溫電絕緣管套和絕緣套管、各種管線膠墊的緊箍件等)。PS系列硅橡膠為甲基苯基硅橡膠，具有更優(yōu)異的耐高低溫性能。其中PS6035硅橡膠在空氣中的工作溫度為70250，適合作制造氧氣面罩呼吸氣活門膜片;PS6050和PS5360硅橡膠在空氣中的工作溫度為70250，適合作模壓空氣系統(tǒng)的密封和電絕緣零件(如飛機高溫部位密封件、電絕緣零件和密封圈等)。FS系列硅橡膠為氟硅橡膠，具有優(yōu)異的耐油性能。其中FS6265、FS4270和FS6165硅橡膠適合作制造飛機發(fā)動機高溫區(qū)空氣、燃油、液壓系統(tǒng)密封件和電絕緣零件;FS6161硅橡膠適合作制造液壓、電氣管路的緊箍件;FS6145硅橡膠適合作注射成型航空連接器。1.2.2阻尼硅橡膠阻尼減振橡膠是利用橡膠的阻尼特性提高防振和減振效果的一類材料，可有效避免電子器件失效和儀器儀表失靈，大幅增加機械零部件壽命，從而提高飛機裝備的精度與可靠性。硅橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，室溫附近性能值變化小，而主鏈硅氧硅結(jié)構(gòu)使其在較寬的溫度區(qū)域(50200)內(nèi)力學性能較穩(wěn)定。傳統(tǒng)的阻尼減振材料往往溫度及頻率范圍較窄，適應不了飛行器啟動時低頻和工作時高頻振動的寬頻率范圍，也難以兼顧北方寒冷冬天及南方炎熱夏日的寬工作溫度，因此，航空領(lǐng)域常將硅橡膠作為阻尼材料的首選，尤其是在大應力、大應變而產(chǎn)生高熱量的情況下。SE20XX系列硅橡膠是以甲基苯基硅橡膠為基膠，加入補強劑、結(jié)構(gòu)控制劑、阻尼劑經(jīng)特殊處理而成的膠料。SE20XX系列硅橡膠不僅具有良好的阻尼性能、耐候性和耐高低溫性能，而且具有優(yōu)良的高低溫環(huán)境下的性能穩(wěn)定性，在使用溫度范圍(4070)內(nèi)硬度變化小于10度。采用SE20XX系列硅橡膠制造的JZH航空儀表用硅橡膠減振器，性能指標滿足GJB5257要求。與原天然橡膠減振器相比，減振效率提高50%，使用壽命10年以上;制造的JZQ慣導平臺用硅橡膠減振器，減振器諧振點放大倍數(shù)小于5，在使用溫度(4070)范圍內(nèi)，減振器諧振頻率變化小于30Hz，減振器使用壽命可達10年或飛行1000h以上;制造的JZB大載荷航空減振器，單件減振器載荷14.575kg，功能振動加速度為9.7g，耐久振動加速度為11.7g，減振效率達到80%以上。以上三類減振器已在殲擊機、運輸機和直升機等多個型號中獲得應用。直升機粘彈阻尼器又稱減擺器，是直升機星型柔性槳轂中的主要功能部件，它能防止直升機旋翼系統(tǒng)的不穩(wěn)定運動，防止地面共振和空中共振的發(fā)生。目前國內(nèi)外的先進直升機如法國的海豚、美國的阿帕奇、中國的Z9、中歐合作研制的EC175/Z15等廣泛使用了粘彈阻尼器。高強度高耐疲勞高阻尼硅橡膠做為旋翼粘彈阻尼器的核心材料，對直升機旋翼粘彈阻尼器技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。1.2.3導電硅橡膠為了避免電子設(shè)備的相互電磁干擾，導電橡膠已經(jīng)廣泛應用于電子系統(tǒng)和儀器設(shè)備的密封，而高導電橡膠一般多采用硅、氟硅橡膠為基膠，以銀粉或鍍銀材料為導電填料。這類導電材料最高使用溫度達125，甚至160，具有優(yōu)異的導電性能、耐低溫性能和耐高溫抗老化性能。國內(nèi)常用高導電硅橡膠的性能見表4，其中EC系列為導電苯基硅橡膠，EF系列為導電氟硅橡膠。1.2.4阻燃防火硅橡膠為了提高飛機的安全性，阻燃硅橡膠和阻燃防火硅橡膠及其制品在飛機發(fā)動機、電線電纜上也有一定量的應用。如TG系列阻燃膠布軟管，阻燃性能滿足民航HB547091的要求，產(chǎn)生的煙氣量小，毒性低。FH6360防火阻燃硅橡膠阻燃性能達到FV0級，3.2mm厚的試片經(jīng)過10501150火焰燃燒15min，火焰不會穿透，可以模壓成橡膠緊箍件、襯墊和套管，在飛機發(fā)動機部位得到應用。1.3不硫化硅橡膠在航空工業(yè)的應用以不硫化硅橡膠為基材制成的不硫化密封膩子一般僅用于結(jié)構(gòu)的裝配貼合面密封(即縫內(nèi)密封)、溝槽密封和一些需要拆卸的結(jié)構(gòu)密封。不硫化密封膩子的低模量和不硫化特點對結(jié)構(gòu)的密封帶來了很大方便，在飛機座艙結(jié)構(gòu)的骨架與蒙皮之間貼合面密封中，長達十幾米的密封裝配線上，可以不受室溫硫化密封劑使用活性期和施工期的限制，從容地鋪貼膩子和鉚裝結(jié)構(gòu)件，這對于保證結(jié)構(gòu)的密封性和裝配質(zhì)量十分有利。最早的飛機整體油箱溝槽密封采用的是不硫化聚硫橡膠密封膩子;到20世紀60、70年代，隨著對密封膩子的使用溫度要求越來越高，美國研制出不硫化氟硅、腈硅密封膩子用于飛機整體油箱溝槽、宇宙站和其它宇宙飛行器系統(tǒng)的密封，用以代替使用溫度較低的不硫化聚硫密封膩子。HMB802和HMB802A是以氟硅橡膠為基體的整體油箱溝槽注射用不硫化密封膩子，長期使用溫度為54180，膩子中含有擋隔顆粒，已在飛機整體油箱和導彈密封中使用多年。使用時被預先裝在高壓注射槍內(nèi)，將槍嘴插入蒙皮上預留的注射孔，膩子進入溝槽，然后擰緊注射孔螺釘即可完成密封施工，這對于提高飛機燃油箱的裝配質(zhì)量和速度，保證密封質(zhì)量和控制密封劑用量非常有利。不僅如此，修補也十分方便，打開滲漏區(qū)溝槽兩側(cè)的注射孔螺釘，采用高壓注射槍注入新密封膩子，替換出舊膩子，即可重新密封完成修復。HMB808不硫化吸波氟硅密封膩子的長期使用溫度為55130，短期可達150，主要用于飛機上各類口蓋對縫和釘頭等部位的密封和隱身，它在218GHz范圍內(nèi)有良好的吸收雷達波性能。2硅樹脂在航空工業(yè)的應用硅樹脂是具有高度交聯(lián)結(jié)構(gòu)的熱固性聚硅氧烷體系，具有極佳的耐熱性及耐候性，并具有優(yōu)良的電絕緣性、耐化學藥品性、憎水性及阻燃性，/Si比值是判斷硅樹脂中三官能鏈節(jié)含量及控制質(zhì)量的主要指標之一，它對硅樹脂漆膜硬度、柔軟性、熱失重和耐開裂性有重要影響。航空工業(yè)中硅樹脂主要是作為耐高溫涂料使用。如有機硅高溫絕緣涂料可長期耐熱600，短期耐700，具有優(yōu)良的電絕緣性能、高附著力和耐高低溫交變性，應用于發(fā)動機電纜、繞組、熱輥及電加熱設(shè)備。耐高溫抗激光燒蝕有機硅涂料涂覆在鋼材上，其900m厚涂層經(jīng)受531W/cm2激光功率密度照射4s，帶涂層鋼基材比空白鋼基材背面溫度下降1000左右，應用在飛機的敏感部位激光熱防護。低溫固化耐熱硅樹脂基涂料，可長期耐熱300，具有良好的耐熱性、附著力和耐介質(zhì)性能良好，應用在發(fā)動機低壓渦輪軸、風扇軸的內(nèi)外表面。耐高溫紅外隱身涂料在300以下具有優(yōu)良的耐熱性、附著力良好和高溫紅外波隱身性能，應用在發(fā)動機紅外隱身，發(fā)動機尾噴口附近。硅樹脂和改性硅樹脂是耐高溫膠粘劑的重要組成部分，俄羅斯在該領(lǐng)域進行了深入系統(tǒng)的研究，研制出多個改性硅樹脂膠粘劑應用于航空領(lǐng)域。如有機硅苯酚甲醛樹脂膠粘劑長期耐溫450550，短期耐1000，并具有優(yōu)異的耐水、耐燃油和耐滑油性，用于粘接金屬與非金屬材料(如石墨、玻璃布復合材料和防熱材料)。耐高溫有機硅樹脂膠粘劑長期耐溫700，短期耐1200，用于粘接結(jié)構(gòu)件中的鈦合金、耐熱非金屬材料(玻璃布復合材料和防熱材料)。硅樹脂作為耐高溫密封劑用量不大，但十分重要，它是某些苛刻密封使用環(huán)境的重要解決方案。如飛機發(fā)動機空空換熱器和氣壓作動筒等零組件的長時間工作溫度達500，所使用的HM310硅樹脂密封劑在經(jīng)耐熱50036h后，不起皮、不鼓泡、不開裂、不脫落，附著力達到1級，經(jīng)1.0MPa打壓試驗不漏氣，具有良好的耐高溫密封性能。飛機發(fā)動機或燃氣輪機的燃燒室與整流器安裝邊和調(diào)節(jié)環(huán)等處工作溫度可達800，所使用的HM311耐高溫硅樹脂密封劑經(jīng)80036h處理后，經(jīng)2.5MPa打壓試驗不漏氣。3結(jié)束語我國研制和生產(chǎn)的高性能有機硅材料及制品基本滿足了國內(nèi)不同階段航空工業(yè)的需求，但一些關(guān)鍵的高性能與功能化的硅橡膠、硅樹脂及部分單體原料仍無法自主保障，部分有機硅材料的性能和質(zhì)量尚不穩(wěn)定。伴隨著航空工業(yè)的發(fā)展，對有機硅材料的要求越來越高，一方面需要發(fā)展新型結(jié)構(gòu)的有機硅材料，如高苯基硅橡膠、碳硼烷硅橡膠和硅氮橡膠等，另一方面需要發(fā)展功能化的有機硅材料，如高耐疲勞減振硅橡膠、電磁屏蔽硅橡膠、高性能熱防護硅橡膠等。筆者相信，通過我國從事有機硅材料研究的科技工作者的共同努力，有機硅材料能夠為我國航空工業(yè)技術(shù)進步發(fā)揮更大的作用。