金属橡胶先进材料技术的应用研究

窦志伟 李俊昇

（1.沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035；2 .中航工业综合技术研究所，北京 100028）

标准化是现代工业管理与工程技术实施的重要手段，通过共性技术的标准化研究，取得广泛的系统效益和社会效益是标准化的主要目标。当前，新技术层出不穷，与前沿技术紧密结合，超前实现标准化是工程实践对标准化工作提出的新需求。本文通过对金属橡胶技术的研究，对金属橡胶制品标准化的前景进行了展望，并提出了标准化的建议。

金属橡胶技术是一项先进的新型功能材料技术，起源于20世纪80年代初期的前苏联，俄文为М е т а л л о р е з и н а。

所谓金属橡胶是一种均质的弹性多孔物质，是用一定的工艺方法，将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序地排放在冲压或碾压模具中，然后用冷冲压方法而成型的。它的原材料是金属丝，既具有所选金属固有的特性，又具有橡胶一样的弹性，因此而得名。

金属橡胶技术是解决航空航天环境下阻尼减振、过滤、密封及热传导等疑难问题的关键技术。金属橡胶的阻尼、缓冲、减振性能良好，而且寿命长、不易老化，耐腐蚀。正确选择孔隙度，还可以使金属橡胶构件满足过滤、密封、热传导等特殊使用要求［1］。在航空、航天和国防武器装备等特种环境下表现出的优良性能是其它材料产品所无法实现的。

俄罗斯在该研究领域一直处于国际领先地位，其研究的成果现已广泛应用于俄罗斯的航空航天产品上。美、英等西方发达国家对金属橡胶技术的研究目前尚无确切资料，但从《世界空间技术》杂志上有关类似金属橡胶的由金属丝网压制制成的减振器在飞机发动机减振应用的报导中，可以看出他们无疑是拥有类似技术的［2］。据说美国早在U－2飞机上就已经使用了类似金属橡胶材料做减振。但从1986年美国“挑战者”号航天飞机因其固体火箭发动机密封不良而失事，可以看出当时美国还未完全掌握金属橡胶密封技术，之后美国国家航空与宇航局对其进行了大量研究。

我国对金属橡胶技术应用研究起步较晚，研究成果甚少，但金属橡胶技术在航空、航天飞行器上的应用已引起各部门重视。鉴于金属橡胶技术在特殊工况下的良好密封性能，在航空航天领域必将具有广阔的应用前景。

1 金属橡胶成型工艺

金属橡胶材料的制备是将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序的排放在冲压或碾压模具中，然后用冷冲压的方法成型。其内部结构是金属丝相互交错勾联形成类似橡胶高分子材料的空间网状结构。在外力作用下，金属橡胶将克服金属丝之间的干摩擦阻尼而产生变形，外力消失后，在自身弹性力的作用下恢复原状。

1.1 金属丝的选择

制造金属橡胶的原材料为各种牌号的细金属丝，其牌号依据工作环境的温度状况、腐蚀性介质的存在情况、载荷特征等因素决定。若金属橡胶的工作环境无腐蚀性，则通常采用30CrMnSiNi2A、50CrVA等牌号的金属丝，而在高温和侵蚀性介质中工作的金属橡胶构件，一般采用1Cr18Ni9Ti、GH35、GH220等奥氏体型耐热不锈钢来制造，所用金属丝的直径取决于制品的尺寸及机械强度性能要求，一般选取金属丝直径在0.05 mm～0.3 mm内。

1.2 制备螺旋卷

螺旋卷是金属橡胶材料的基本单元，螺旋卷制备的成功与否，直接关系到制成品的性能。螺旋卷是由金属丝在凸轮和圆辊碾压或在条式线轴上缠绕或是在螺旋卷成机上卷制的，成型后的螺旋卷直径一般在0.5 mm ～3 mm之间。

1.3 螺旋卷的拉伸

制备金属橡胶产品的原材料是线匝之间有一定螺距的螺旋卷。由于拉伸后的螺旋卷之间很容易相互嵌合在一起，所以为了便于保存，在成型机上制备的螺旋卷，线匝之间是紧密接触的，要制造毛坯，首先需要将螺旋卷定螺距拉伸，使螺距等于金属丝直径，这样才能保证金属橡胶产品成型时，各层螺旋卷相嵌最好，并使最后毛坯压制时金属丝之间达到最佳啮合状态，获得较高的体积稳定性。

1.4 冲压成型

将上面的螺旋卷按照一定规律，通过配料和铺砌制得金属橡胶毛坯，将毛坯放入冲模中，在10 MPa～40 MPa压力下冲压达到所要求的几何外形和性能，冲压是经多次循环加压情况下完成的。成型后的坯件还要在一定温度下进行30 min～40 min的热稳定处理。

对于金属橡胶密封件的成型，冲压前毛坯的尺寸、形状要根据成型后的密封件的尺寸、形状来确定。在加压过程中，其成型压力的大小和方向需依据密封件实际工作中所承受的载荷大小和方向来确定。螺旋卷在毛坯件中的铺设方式在很大程度上决定了制成元件的弹性性能和强度。图1中所示为螺旋卷在密封件毛坯成型模具上的缠绕方向。

图1 螺旋卷线匝在毛坯成型模具上的缠绕方向

1.5 后期处理

金属橡胶制品的后期处理主要取决于工作环境和特殊使用性能。压制过程中产生的金属屑和污物等杂质会影响金属橡胶的最终性能，一般都要进行清洗，对无特殊要求的可以用清洁剂清洗，对于弹性阻尼制件要采用超声波清洗才行。为调整制件的硬度和塑性，必要时要对制件进行热处理，如有耐腐蚀性要求，则要涂敷保护膜。

2 金属橡胶应用研究

我国对金属橡胶材料技术的研究只有10多年的历史，主要集中在基础理论的探讨、成型工艺的研究以及满足特殊要求而进行的专项攻关。金属橡胶材料应用技术主要集中在阻尼隔振技术和密封技术两个方面。

2.1 阻尼隔振技术应用研究

据统计，目前金属橡胶领域的大多数发明与应用都集中在隔振、减振结构和弹性阻尼结构方面，约占35%左右，尤其在国防工业、航空航天飞行器和航空发动机上得到大量采用。例如，在苏–27飞机发动机外部的管路系统均采用的是金属橡胶隔振卡箍，用金属橡胶材料替代原来的橡胶材料作衬垫，大大提高了卡箍的使用寿命和隔振性能［5］。

我国多数军机上的阻尼减振采用的大都是橡胶隔振器，它虽然具有加工方便、成本低等特点，但在实际工程应用中，由于受橡胶材料固有特性的局限，存在易腐蚀、易老化、阻燃性低和耐高低温能力差等不足，所以在高低温、大温差及腐蚀环境下的应用受到了限制，影响了飞机液压系统和发动机系统管路的减振效果，降低了飞机管路系统的寿命和可靠性。

金属橡胶材料属于非线性阻尼材料，靠内部金属丝之间的摩擦消耗能量。金属橡胶是以金属丝为原材料，不含有任何普通橡胶，却具有橡胶一样的弹性和更强的阻尼性能，非常适用于航空航天高低温、大温差及腐蚀性介质的特殊工况下的阻尼减振，弥补了橡胶隔振器的不足，可以满足新型航空产品研制的减振需要，是橡胶隔振器的最佳换代产品。

目前，国内在航空阻尼减振方面的研究已经取得了可喜的成果，部分产品已经应用到产品上，性能达到了国际先进水平，如图2所示，为前期开发研制的部分金属橡胶隔振器产品。

图2 部分金属橡胶隔振器产品

2.2 密封技术应用研究

航空产品的密封性直接关系到飞机的安全性、可靠性和可维护性，多数国产飞机液压、燃油等系统的密封基本都是通过橡胶密封件保证的。但由于橡胶密封件自身特性的限制，在高低温、高压、腐蚀介质等特殊使用过程中常常出现永久变形、扭曲、摩擦磨损和化学腐蚀等问题，导致密封失效故障。尤其是液压系统在低温条件下的活动密封泄漏问题，一直难以从根本上有效解决，给飞机的安全造成隐患。

由于金属橡胶材料为不锈钢丝，具有耐低温的特性，在低温工况下依然保持弹性，无老化现象，使用寿命和保质期长（≥12年）。它的结构一般由2部分组成，一是里面的金属橡胶弹性材料；二是外面的外包皮，要求具有较低的摩擦系数，外包皮材料根据使用需要选择，一般有聚四氟乙烯、铜、不锈钢或高温合金等材料。

金属橡胶制成的密封件在苛刻条件下仍然具有十分优良的性能，是传统橡胶密封件的最佳替代品。

金属橡胶材料在密封技术应用研究方面，国内还处于起步阶段，前期工作主要集中在高温环境下的金属橡胶静密封及端面密封的适应性研究。但在低温（-50℃～-60℃）环境下的活动密封性研究还是空白，在国际上也是前沿课题。原因在于难以得出一种基于不同结构、不同材料在低温环境下的低温弹性和收缩率变化的普遍适用的计算方法；没有一套比较完善的金属橡胶低温活动密封理论分析方法和试验研究体系。

我们通过与高校联合，合作开展了低温环境下金属橡胶活动密封件的应用研究工作，已经取得阶段性成果，图3为研制的具有不同结构参数和性能特点的部分金属橡胶密封件产品。

图3 部分金属橡胶密封件产品

试验研究结果表明，金属橡胶材料在温度变化时膨胀系数越小则材料越稳定，材料的密封性能也越稳定。对金属橡胶材料的温度膨胀特性研究有助于了解该材料在温度变化时对密封性能的影响，对于超低温活动密封设计具有指导意义。图4、图5分别是部分试验装置和部分试验曲线。

3 结论与建议

图4 收缩性能试验装置

图5 不同丝径平均线胀系数对比

本文重点介绍了金属橡胶材料的特点、成型工艺、以及在阻尼隔振和密封技术两方面的应用研究情况，重点阐述了金属橡胶材料在航空航天的超低温工作环境下，解决活动密封泄漏失效等疑难问题的优势，强调了开展金属橡胶材料低温活动密封应用研究的必要性。除了满足了航空航天等领域应用的特殊需要，其研究成果还可以推广应用于船舶、冶金、石油、化工、纺织等国民经济领域。

通过本文的介绍，可以看出金属橡胶材料与传统橡胶材料相比具有明显的优越性，具有广泛的应用价值，也是标准化工作应该关注的重点领域。

考虑到金属橡胶材料的独特性能特点，金属橡胶制品的标准化领域应主要在阻尼隔振与密封件两类主要产品。

根据过去几十年来标准化工作的经验，产品类型的标准化不能只着眼于产品本身，而应该本着既满足用户需要，又有利于保证制造商的商业秘密的原则，在标准化体系建立上追求配套完整性与体系开放性，在管理上追求有效性，以兼顾供需双方与管理方的不同需求。

宜采取核心标准与技术支持类标准共同构成体系的方法。

所谓核心标准，是指供需双方的界面标准，也就是传统标准化领域中的产品规范、标准试验方法、接口标准（如安装与使用的结构、典型连接结构等）和产品定义类标准（如产品的结构与尺寸系列、产品型谱等）和产品标准。

技术支持类标准，是指保证产品正确设计、制造、选用、安装、质量控制与产品监管所需的配套标准。一般可分为管理评价支持性标准（如产品鉴定与评价分级标准、产品鉴定与评价程序标准、产品鉴定与评价手册等）、产品应用支持性标准（如产品选用指南、产品安装使用指南、产品典型应用特性手册等）、产品制造与控制支持性标准（如金属橡胶材料特性手册、金属橡胶材料标准和材料质量控制标准、产品制造工艺规范和产品质量控制标准等），以及其他对于保证产品正常使用与制造必要的支持类标准。

图6显示了标准体系的推荐构成方式。

在这个体系中，核心标准以共同标准（即行业以上级标准、协会标准或联合企业标准）为佳，这样有利于产品的推广与应用。

技术支持类标准中的管理评价支持性标准、产品应用支持性标准、材料特性手册和材料标准也以共同标准为上。为了保证制造商的商业秘密不受侵害，材料质量控制标准、产品制造工艺规范和产品质量控制标准可以以企业标准或企业内控标准的形式体现， 但管理部门或第三方鉴定评价机构应采取管理措施以确认这些标准的完整性、有效性以及被正确执行，并通过适当方式在保障企业商业利益的前提下鼓励企业自愿将这些标准提升为共同标准。

图6 金属橡胶制造标准体系的推荐构成方式

[1] 敖宏瑞，姜洪源，夏宇宏等. 金属橡胶成型工艺研究及其应用[J]. 机械工艺师，2001，（08）.

[2] 姜洪源，夏宇宏，敖宏瑞，A.M.Уланов.金属橡胶构件的性能分析与实验研究[J].中国机械工程 , 2001，(11)：p1294～p1297 .

[3] Wensel R G，Metcalfe R. O–ring seal studies for space shuttle solid rocket booster joints[J]. Canadian Aeron. Space J. 1998，34(4)：p204～p212.

[4] Lach C L.Effect of temperature and O–ring gland fnish on sealing ability of Vitor V747-75. NASA TP-3391,1993.

[5] 夏宇宏，贾长海，李瑰贤等.金属橡胶节流元件内部结构特性及节流机理的实验研究[J].润滑与密封.2005，（5）：14～15.