航空工程与维修
A VIATION ENGINEERING & MAINTENANCE
1999年 第3期 No.3　1999



硅橡胶特性及在某型机上的应用
周素华
Characteristics of G148 Silicone Rubber and G－51 Fluosilicone Rubber Used in the Aircraft
　　硅橡胶具有突出的耐臭氧、耐大气老化性能，热稳定性能，低温柔韧性能，氟硅橡胶还具有耐液体性能。本文介绍了G148硅橡胶及G－51氟硅橡胶在某型飞机上的应用。
　　一般的橡胶是以碳－碳键为主链的结构，而硅橡胶则是以硅氧键为主链的结构。由于其结构的特殊性，决定了它具有耐高温、耐低温、耐臭氧老化、耐大气老化性能以及优良的介电性能，对滑油等介质表现出优异的化学惰性以及其他橡胶所不具备的性能，因此在航空工业和军事装备等国防工业领域中使用范围非常广泛。特别是近十几年发展起来的氟硅橡胶，在兼顾硅橡胶优异性能基础上，还具有耐油、耐溶剂、耐化学药品的特性，使硅橡胶的应用扩大至各种油类介质、酸类介质、化学溶剂介质环境中，并还在继续扩大其应用范围。下面简要阐述我国某型机选用的G148硅橡胶和G－51氟硅橡胶的结构性能以及与同类胶料相比所具有的优点。
硅橡胶结构及特性
　　硅橡胶是指主链以Si－O单元为主，以单价有机基团(R、R′、R″)为侧基的一类线性聚合物，其中R、R′、R″可以是甲基、乙烯基、苯基、氟烷基，m和n为聚合度，一般m＋n在5000～10000之间，n/(m＋n)在0.02％～0.5％之间。
1.物理机械性能对温度的依赖性小
　　由于Si－O键的离子性较强以及硅氧烷链容易内旋转和具有柔顺性，导致了硅氧烷链的卷曲倾向。常温下聚合链呈螺旋状结构，每圈主要由6～7个硅氧单元组成，而且具有一定的有序性，当温度升高时，螺旋状聚合链可以舒展，使聚硅氧烷的粘度趋于增大，这与高聚物粘度通常随温度升高而降低的趋势正好相反，致使硅橡胶物理机械性能在较宽温度范围内变化较小。如拉伸强度在0～250℃之间的变化明显比其他橡胶小得多(见图1)。其硬度、扯断伸长率、定伸应力等在一定温度范围内的变化也小于其他有机橡胶。

图1各种橡胶的拉伸强度与温度的关系
2.优异的耐热稳定性
　　硅橡胶的耐热稳定性包括3个因素：
　　（1）热解稳定性：由于Si－O键键能为427.4kJ/mol，而C－C键键能为262.7kJ/mol，所以其热解稳定性高于C－C键有机橡胶。
　　（2）热氧化稳定性：因为联接到Si上的有机基团(如苯基、甲基、乙基、丙基、乙烯基)对氧较稳定(仅乙烯基较差)，故其热氧化稳定性也很好。
　　（3）聚硅氧烷分子的重排：硅氧键之间还可以进行交换与再组合使聚硅氧烷分子发生重排，故在高温下不会发生降解反应，导致低分子环状聚硅氧烷的出现。由以上3条可知，硅橡胶的耐高温性能是由分子结构本身决定的。
3.优异的耐低温性能
　　硅橡胶的玻璃化温度(Tg)比一般C－C键有机橡胶低，如聚二甲基硅氧烷橡胶的玻璃化温度为－123±5℃，所以耐低温柔韧性特别好，但由于补强剂(如白碳黑)的填充可使硅橡胶在低温发生结晶而使其硬化，故硅橡胶使用温度下限一般不超过－65℃。
4.不受温度影响的优异的介电性能
　　硅橡胶主链中具有类似于石英的Si－O结构，在柔性绝缘材料中，硅橡胶的电绝缘性是优异的。如HG6－677－74中的6143、6144硅橡胶体积电阻不低于1014Ω/cm3，击穿电压强度分别达到20kV/mm和15kV/mm以上。并且其各项电性能指标温度变化的波动极小(见图2)。

图2硅橡胶介电强度随温度的变化曲线
5.优异的耐臭氧和耐大气老化性能
　　硅橡胶中的聚合键呈螺旋状结构，每圈中有6～7个硅氧单元的有序排列，使分子相当稳定，在臭氧侵蚀和各种天候暴露中都具有优良的耐老化性能。即使是在阳光强烈照射的条件下，其物理机械性能也没有明显变化。
6.对酸碱及高温水蒸汽耐受性能
　　由于Si－O键的离子性特征，硅橡胶的聚硅氧烷分子在酸或碱的作用下会加速重排，在高温下甚至会导致分子的“雪崩式”迅速降解，生成大量低分子环状聚硅氧烷。同时硅橡胶在高温水溶液环境中也会发生水解反应，该反应能被酸性或碱性催化剂加速，也可被高温加速，故硅橡胶不耐酸碱，不能用于酸性或碱性场合的密封、减震等。同时也由于Si－O－Si键在高温情况下能被水水解成Si－O－H键，故硅橡胶也不能用于水蒸汽管路的连接及密封。
7.氟硅橡胶
　　硅橡胶中的新品种氟硅橡胶由于在分子侧基上引入极性氟原子，其硫化后的胶料制品能表现出优异的耐油性能及耐化学药品性能。如三氟丙烯甲基乙烯基硅橡胶不仅耐湿性好，还具有突出的耐油、耐溶剂、耐化学药品性能，在航空汽油中体积溶胀10％，在甲苯中20％，在浓硝酸中5％。这就克服了硅橡胶不耐酸碱和油类及化学药品的弱点，为硅橡胶的发展应用提供了广阔的前景。
　　在我国生产的众多硅橡胶品种中，最近几年新研制成功的硅橡胶G148和氟硅橡胶G－51具有突出的优异性能，目前已用在某型飞机中。下面着重介绍这两种新材料，并将其性能与以往的同类材料进行对比。
硅橡胶G148的应用
1.更高的物理机械性能
　　某型机系统制冷组件中的密封圈和夹紧卡箍，选用西北橡胶工业制品研究所研制的G148硅橡胶。该橡胶是由硅生胶填加二氧化硅补强剂、结构控制剂和过氧化物硫化剂经混炼而成，具有高强、耐温范围宽(长期工作温度－55～＋250℃，短期工作温度可高达300℃)的特点。与以往飞机耐高温密封制品所使用的6143、6144硅橡胶相比，具有更高的拉伸强度、断裂伸长率以及更窄的硬度变化范围(见表1)。从表1可知，G148胶料的常温拉伸强度指标比6143和6144分别高2MPa和1MPa，这就能使飞机系统制冷组件安装所用的密封件，不仅能承受密封静压力，而且还具有一定卡紧力。表1中G148的硬度变化只有10度，而6143和6144都是20度，这就能使G148产品生产工艺及成品质量都很稳定，保障了零件的使用性能。这一点对产品部件的密封效果尤为明显。
表1各胶料常温性能指标对比
测试条件
机械性能61436144G148
拉伸强度，MPa不低于2.93.94.9
断裂伸长率，％不低于200200250
邵氏硬度，度40～6040～6045～55

2.更优异的耐热老化性能
　　某型飞机的系统环境是220℃以上的热空气环境，短期温度可高达270℃(10min)，这就要求密封件、夹紧卡箍等能在此温度下长时间地有效工作。G148在经历250℃×72h的热老化后，其断裂伸长率、硬度值和脆性温度均不低于常温的对应指标值，仅拉强度下降12％(表2)，与此相比，6144硅橡胶在相同条件下试验后的下降指标为13％，而6144硅橡胶经过几十年来在250℃的高温环境中使用，证明是没有问题的。因此可以确定，G148硅橡胶制件完全能在上述环境中长期有效工作。
表2G148硅橡胶高温实测数据表
测试项目常温指标样品实测数据
测试条件常温250℃×72h
拉伸强度，MPa≥4.95.74.3
断裂伸长率，％≥250490450
邵氏硬度，度45～554343
脆性温度，℃≤－60合格合格

　　由于G148硅橡胶突出的耐高温性能，在飞机中还被用来阻隔应急动力燃料的高温燃料剩余物，使之不能在机身各框中传递。很好地防止了高温剩余物对飞机机体的侵蚀。
　　由于G148硅橡胶的优异性能，其应用范围还可扩展到臭氧、电场环境中，也可以供发动机O形圈、垫片、安装堵头和插座等使用。
氟硅橡胶G－51的应用
　　在先进的现代飞机中，各项技术指标要求极高，因此对原材料的要求也非常严格。某型飞机上的燃油、滑油、液压油及空气泵系统的密封件材料采用了西北橡胶工业制品研究所新研制的G－51氟硅橡胶。该材料与以前机种选用的试G401、试G409和G441氟硅橡胶相比，具有更优的物理机械性能及更好的耐油性能。
1.更高的物理机械性能
　　从表3可知，G－51氟硅橡胶的常温拉伸强度指标分别比试G401和试G409高出1.1MPa和1.5MPa，扯断伸率分别高出150％和120％。这种具有更高强度和更大伸长率的材料，保证了飞机各含油系统中的密封胶圈、胶绳和胶垫能承受更大的动态和静态密封压力，能在更广的范围内发生弹性变形而不致出现断裂，从而使密封效果更完全更彻底。同时由于G－51氟硅橡胶的硬度变化范围只有10度，而试G401和试G409氟硅橡胶变化范围分别是20度，这就能使G－51的产品生产工艺及成品质量都很稳定，充分保障了产品的使用性能，这一点对密封效果尤为突出。
表3氟硅橡胶常温力学性能指标对比
橡胶牌号
机械性能试G401试G409G－51
拉伸强度，MPa不低于5.885.497.0
扯断伸长率，MPa不低于150180300
邵氏硬度，度40～6050～7060±5

2.更优异的耐油性能
　　从表4可以看出，当G441和G－51分别于常温下浸泡在燃油中，G－51对燃油的耐受性是G441的10倍。当浸泡在高温燃油中时，G－51氟硅橡胶的体积变化比试G401要小8％，这说明G－51氟硅橡胶在高温油中其性能比试G401氟硅橡胶更加稳定，密封时间更持久。因此G－51氟硅橡胶无论从力学性能看还是从常温、高温耐油性能看，都比以往机种所选用的胶料更加优异。
表4氟硅橡胶耐油指标对比
耐油性能
橡胶牌号燃油，常温×24h，体积变化％，不大于燃油，常温×240h，体积变化％，不大于燃油，200℃×24h，体积变化％，不大于燃油，130℃×70h＋80℃×240h，体积变化％，不大于
G44110　　　
G－51　10　20
试G401　　28　

　　随着氟硅橡胶品种的增加和产品的更新换代，其应用范围将会不断扩大。氟硅橡胶可用于制作在－60～＋200℃温度范围的空气、燃油蒸气、滑油环境中的密封件、薄膜和活门件(例如：飞机倒飞油箱空气减压器内的膜片和O形圈、飞机机身油箱和副油箱加油通气活门件)，也可用于制作温度范围在－55～＋200℃液压油中的密封件和套管(例如：飞机高温电缆保护套管)等等。
结论
从以上分析中得出以下结论：
　　(1)硅橡胶材料耐温范围比其他橡胶材料的耐温范围都广；
　　(2)其物理机械性能数值受温度变化的波动极小；
　　(3)具有优异的耐老化性能(耐臭氧、耐热、耐大气)；
　　(4)对酸、碱、高温水蒸汽不稳定；
　　(5)氟硅橡胶既兼顾硅橡胶优点，又具自身耐油、耐化学药品、耐溶剂特性；
　　(6)G－51氟硅橡胶与以往的所用材料相比，具有更高的强度及更优的耐油性能。
作者单位：成都飞机工业公司
