橡塑密封技术发展现状与趋势*

黄 兴 郭 飞 叶素娟 夏迎松 项 冲

(1.广州机械科学研究院有限公司国家橡塑密封工程技术研究中心 广东广州 510700； 2.清华大学摩擦学国家重点实验室 北京 100084；3.安徽中鼎密封件股份有限公司 安徽宁国 242300)

密封是保障机械装备安全可靠、长寿命运行的关键核心基础技术[1-4]。密封行业不大，但作为机、泵、管、阀等的核心零部件，几乎涵盖汽车、航空航天、航海、石油、化工、能源、冶金等工业领域，在整个工业发展过程中扮演着重要角色。其中，橡塑密封是橡胶塑料类密封件的统称，因其结构形式简单、尺寸紧凑，具有回弹性、自润滑、耐化学腐蚀等优点，是机械装备中用量最大的一类密封元件。

近年来，橡塑密封从理论机制研究、材料制备技术、正向设计技术到产品生产工艺等方面均获得了重大突破，我国橡塑密封行业也取得了巨大的进步。其中中低速、中低压的橡塑密封市场已相对成熟，能基本满足国内需求；航空、航天、航海重工等高端装备的关键密封严重依赖进口的局面也得到了改善[5-6]。总的来说，国内橡塑密封行业的技术水平迈上了新台阶。不过随着新工业技术的发展，机械装备日趋高质量、高性能化，橡塑密封工况也随之日渐苛刻，加上全球环保意识提升，密封部位气、液等排放标准日益提高等因素，橡塑密封技术也面临着诸多新挑战[7-8]。

新挑战催生新需求，橡塑密封行业正加速创新和变革，越来越多企业加入调整产业结构的行列，加大了研发、生产和检测实验装备投入，相关密封材料和结构不断出现新突破和进展。可以预期，随着橡塑密封技术创新变革的加速，整个行业的人员素质、技术装备、原辅材料、加工工艺、生产环境和管理水平等要素将会得到进一步提升，相关标准体系会日趋完善，原创技术会越来越多，国内橡塑密封行业原有产业总体规模较小、品种和产品线较少、质量不稳定、标准水平低、技术力量薄弱等系列问题会逐步得到改善和解决。总之，橡塑密封产业结构变革正在发生，产业格局正加速变化，需要引起国内橡塑密封从业者的高度重视。

1 橡塑密封技术发展现状及趋势

橡塑密封看似简单，但仍然是个系统工程，良好的密封设计涵盖了材料研制、结构设计、制造工艺以及检验检测等，密封性能是由这4个部分组成的整个体系决定的，任何环节出现问题，都会导致密封失效，因此接下来将对着4个方面的现状及趋势进行详细综述。

1.1 橡塑密封结构设计与仿真

1.1.1 设计方式创新

由于国内橡塑密封行业整体规模较小，技术实力薄弱，大部分密封厂家采用逆向设计手段以测仿和制造国外成熟密封产品为主，满足客户需求。近年来，随着工业强基工程政策的实施，以及高端装备对国产密封件配套需求的不断增加，我国密封行业得到了快速发展，逆向设计已不能满足高性能、高质量密封发展的要求，正向设计逐渐成为主要的设计手段，以满足主机装备的需求。清华大学机械系密封与润滑研究团队[9-12]、浙江工业大学[13]、合肥工业大学[14]、浙江大学[15]等已针对多种橡塑密封开展了正向设计方法的相关研究，取得了较好的应用效果。

随着新技术的发展，工业领域已逐渐开始引入智能设计的方法：指利用计算机模拟设计师的思维活动，在计算机上模拟或再现设计师的创造性设计过程。对于密封行业而言，智能设计是正向设计进一步发展的结果。目前，计算机辅助设计已经得到普遍应用，但主要停留在对设计结果的模拟仿真上，还无法替代设计师的创造性，离真正的智能设计还有遥远的距离。但是，智能设计作为未来的发展趋势，仍是研究的热点。

1.1.2 密封机制

密封机制是阐明密封如何阻止泄漏、开展失效分析的基础，是进行理论和数值仿真研究的依据。宏观上讲，橡塑密封界面接触应力大于介质压力就可以实现密封，并且接触应力越大密封效果越好。然而，一方面由于表面粗糙度的影响，界面间会存在微观泄漏通道，仍然会出现跑、冒、滴、漏的现象；另一方面，较大的接触应力会导致动密封界面摩擦磨损性能恶化，加速密封失效。因此，良好的密封需要解决阻止泄漏与减小摩擦的矛盾。以油封为例，在使用过程中，接触界面间已被证实存在润滑油膜从而大幅度减小了摩擦，同时油封又可实现零泄漏。对这一现象的解释从上20世纪50年代至今一直有学者在进行研究，典型的包括：1957年JAGGER提出的基于表面张力理论的密封机制，以及20世纪80年代中国学者钱德森、德国学者KAMMÜLLER与MÜLLER先后提出的基于密封唇表面粗糙峰切向变形的反向泵送机制[16]。表面张力机制已被证实具有局限，而反向泵送机制则被普遍接受，目前绝大数理论研究都是基于此开展的。本文作者经过长期的实验研究已经发现反向泵送机制也是具有很大的局限性，一是其适用范围取决于密封圈的径向力范围，二是高速PTFE基油封并不完全符合该机制的范畴等。因此，对于橡塑密封机制的研究，仍然需要国内外广大学者进行不断的探索。

1.1.3 数值仿真方法

数值仿真方法是依赖于计算机技术发展，结合有限元概念，并能够较为真实描述复杂系统的物理本质而发展起来的数字化设计手段，是研究密封性能的有效手段，可用于设计阶段预测密封性能，以及密封结构参数优化等等，减少依据实验的摸索以及经验的试错周期。

实现设计仿真的基础是密封性能定量评价体系的建立。泄漏量是评价密封好坏的最重要指标，因此，泄漏模型始终是密封结构仿真的研究重点。许多学者进行了相关研究：GABELLI和POLL[17]建立了首个数值仿真模型，利用JFO边界条件考虑了空化的影响；郭飞等人[11]建立了旋转轴唇形密封的混合润滑模型；吴长贵等[12]基于ABAQUS的往复密封仿真分析，获得更准确的接触宽度以及唇口接触压力分布；黄乐、黄兴等人[18-23]在橡塑密封产品结构设计及优化、聚氨酯磨损规律研究、数值仿真平台和寿命评估方法等方面进行了数值仿真的应用研究等；王军等人[24]、张付英等[25]基于混合润滑模型，研究了粗糙度和往复速度对动态往复密封摩擦力、泄漏量和油膜厚度等密封性能的影响规律。

目前，学者们建立的泄漏模型主要分为2种：分子流态模型和黏性流态模型。2个模型在给定工况下得到了很好的验证。但密封实际工况下，外界环境的不断变化会引起分子流态、黏性流态的互相转变，任一单个模型均不能精准计算实际密封系统的泄漏量，至今尚未形成大家普遍接受的理论模型，因此亟需建立综合考虑分子流、黏性流的统一泄漏模型。因此，橡塑密封仿真技术在真实性、准确性和可靠性上仍存在一定问题，其主要是作为工程上开展实验和设计的辅助手段。橡塑密封未来重要的研究方向是朝着更接近真实工况的方向发展，比如耦合更多的实际物理过程，考虑实际工况下橡塑密封系统的影响因素，密封全生命周期下的服役性能变化等。

1.2 橡塑密封材料

我国聚合物材料合成工业与欧美发达国家相比尚处于快速追赶阶段，缺乏橡塑密封专用品种，并且国产材料稳定性不足，影响了橡塑密封性能[26]。国内高端橡塑密封的主要原材料，目前基本依赖进口，相关材料研发工作还主要集中在对进口材料的配合和改性研究[27-29]。

随着人类对更高层次生活品质的不懈追求，科学技术一直在飞速发展。对于机械工程技术而言，其正朝着绿色、智能等方向发展；而为了满足绿色制造、节能环保以及机械装备在极端环境/苛刻工况条件下的长寿命、高可靠性和微/零泄漏要求，对聚合物密封材料的性能要求也越来越高，这对我国本就处于落后阶段的聚合物材料工业而言，将面临更加艰巨的挑战。但无论如何，了解相关材料的发展趋势和要求，是有利于促进我国相关产业发展的，主要包括以下几方面：

(1)高、低温范围

在月球表面夜晚低至-160～-180 ℃，白天高至130～160 ℃，温差高达340 ℃，由此对聚合物密封材料的耐高、低温及适应超宽温域方面提出了高要求。

(2)高速化、高压化

液压系统向80 000 r/min、105 MPa等级发展，深井压力可达到140 MPa，要求聚合物密封材料具有优异的耐压、抗挤出、低摩擦磨损性能和抗压缩永久变形能力。

(3)复杂介质环境

新型燃油、新型润滑油及各种对聚合物材料有极强侵蚀作用的添加剂在汽车发动机和液压系统中的广泛应用，以及深井钻探、冶金、化工和石油用多介质液压、气动元件等复杂的介质环境，均对聚合物密封材料的耐介质特性提出了更高要求。CHANG等[30]利用不同填料对丁腈橡胶进行填充改性，得到一系列耐冷却液性能更为优越的密封复合材料。徐玉朵等[31]利用共混改性丁腈橡胶，提高了密封件耐臭氧、耐汽油性能。以油封为例，实际工作介质环境复杂，除了对基体材料改性外，为提高油封的密封保持能力，在全橡胶材料油封的基础上又发展出金属骨架油封、夹布油封等橡塑密封件，同时安装弹簧可以提高密封力，当摩擦副端面磨损后起补偿作用，降低泄漏率[32]。

(4)高真空度

空间设备真空度已达1.33×10-7Pa，深层空间甚至可达10-10Pa数量级。高真空度要求聚合物密封材料不但具有良好的抗压缩永久变形能力，还要具有优异的抗气透性、抗气体膨胀性以及真空失重小等特点，以避免特殊或突发情况下的突然爆破失效。

(5)高清洁度

在核能应用、半导体加工和化工制药等领域，聚合物密封材料的降解和老化、助剂的挥发或抽出等都可能造成不可估量的损失，这对基体材料、硫化及配合体系的选取均有严格的要求。

(6)恒低摩擦磨损特性

液压传动与控制技术的快速发展，对控制和定位精度的要求越来越高，因此要求密封系统具有低且恒定的摩擦因数，要求在低压和低速下实现平稳运行，在极短行程和高频率下有较长的使用寿命。QI、WANG、米翔等人[33-35]研究了聚四氟乙烯(PTFE)材料复配减摩剂对于密封件摩擦磨损性能的影响。常见的减摩剂有PTFE、聚酰亚胺等聚合物微粉，以及二硫化钼、石墨等无机填料。除添加减摩剂外，表面处理工艺如表面辐照、氟化、喷涂等可以减小材料的摩擦因数，且保持良好的耐磨性[36-37]。

1.3 橡塑密封检验检测

当前橡塑密封产品正朝着“高端化、极端化、高要求、长寿命”方向发展，为了保证橡塑密封产品的质量，需要进行更加完善的检验和检测。

橡塑密封检验检测技术包括密封材料性能检测、产品外观尺寸分析测试、密封性能分析测试等。材料性能检测是评判密封材料配方优劣的重要手段，利用现代分析仪器通过测试材料成分、物理化学性能、力学性能等，对密封材料进行科学合理地综合评价。但材料性能不能直接决定密封性能，因此还必须开展产品级性能测试。产品外观尺寸分析测试是最简单的对密封圈进行初筛的手段，分为对工作面和非工作面的外观分析，以及基于国家标准或行业标准采用接触式或非接触式方法对宏观尺寸的测量。密封性能分析测试，包括产品功能性试验、模拟寿命试验、现场装机试验等，主要用于密封结构选型、设计、生产及使用厂家的抽样试验。功能性试验包括测试密封圈抱轴力、张口力、压缩应力松弛、静态扭矩等。对于密封圈的寿命测试，因现场试验难度大、费时长、费用高，目前普遍采用的方式是模拟寿命试验，在较短的时间内观察、分析和比较密封圈的质量和工作寿命情况。装机试验是对通过上述所有试验后出厂的密封件进行最后的应用考核，一般由密封件用户完成。

国内橡塑密封检测技术还主要停留在材料物性检测和产品尺寸外观检测上，密封性能测试方法手段单一，大部分靠装机和实机验证；同时检测设备也多使用20世纪末的技术，缺少自动化设备，缺乏过程控制能力。国外检测技术发展较快，Freudenbezy等公司采用KMK公司开发的第三代新型光学系统，完全取代了人工检测，可检测密封件表面最微小的缺陷。国内也有部分密封件企业引进了以油封唇口张力为主要依据的气敏检测仪，通过检测气压变化评判油封唇口密封性能，并具有较高的检测速率，每小时可检测1 200～1 800个油封。

未来橡塑密封检测技术，主要是朝着全生命周期、数据更加准确的方向发展：

(1)多工况联合测试：在实际服役过程中，橡塑密封产品处在工作介质、对磨表面及整机环境共同作用之下，还会受到摩擦热、机械振动、偏心倾斜等多种不可控因素的影响，所处的工作环境十分复杂，并且对应用于极端环境或严苛工况中的橡塑密封，这种影响的作用会被放大，造成实际服役性能与检测结果之间的显著差异。因此，对于橡塑密封多工况环境的联合测试，是未来保证产品使用性能、提高检测精度和可信度的发展方向。

(2)服役过程动态监测：在橡塑密封服役过程中，受到介质、摩擦、温度等复杂因素的共同影响，宏/微观结构、物化性能等参数都在时刻发生变化，并且某些不可预料的外来冲击也会对服役过程中的密封系统造成难以估计的影响。在这种突发冲击的作用下，橡塑密封可能会发生特殊的形变或性变，引起使用寿命的降低，产生安全隐患。因此，对于特殊工况或安全等级较高的橡塑密封，需要进行服役过程中的动态监测，保证橡塑密封产品的安全和稳定。

1.4 先进制造加工工艺

1.4.1 大型密封件制造工艺

大型水轮机组、风力发电机主轴、盾构机、模锻压机等高端装备用大型橡塑密封，代表着橡塑密封行业的最高水平，是国内外争相研究的焦点。因该类型产品的尺寸大，较传统小型件，加工特点独特，需要对其加工设备和工艺进行相应研究。以大型Y形密封圈的制造工艺为例，为解决材料均质性差和精密加工难等问题，目前国内采用的方案为：在橡胶模具上直接安装加热装置，橡胶模具既是硫化介质也是热源，这种方式大大提高了产品质量。法国圣戈班高性能塑料公司采用了焊接挤出聚醚醚酮棒材的方法制备大直径热塑性密封件[28]。

1.4.2 数字化智能制造工艺

随着新一代技术革命的加速发展，以自动化、信息化、智能化为代表的新一代信息技术的时代已然来临。新一代信息技术在橡塑密封传统行业的加速应用成为趋势，部分橡塑密封企业中已经出现数字化智能制造技术的应用。经实践表明，新兴技术可以大大提高产品的质量、可靠性和生产效率。

2 几个重点领域的橡塑密封发展

国家十二五科技攻关以来，橡塑密封产业的技术、装备等都得到了大幅提升，产品质量也有了很大提高。但随着机械装备不断向极端环境和恶劣条件的应用场所发展，如空天探索、极地科考、海洋及沙漠风电场建设、深井钻探与深海作业、核能利用等，这就要求密封件能适应压力更高、速度更快、温度更高/低、质量更轻、冲击更大的工况。因此，极端工况条件下橡塑密封产品的材料研发、制造工艺、质量控制、生产规模等成为未来的发展趋势。

2.1 航空液压系统密封

“航空装备”是高端装备创新工程之一，在《中国制造2025》和《民用航空工业中长期发展规划(2013-2020年)》等国家重要战略规划中都明确指出要大力推进航空材料和基础元器件的发展，开发先进机载设备及系统，形成自主完整的航空产业链。机载液压系统遍布大型飞机、直升机、无人机等各种航空装备的各个部分，担负着飞机操纵系统、收放系统、机轮刹车及地面转向驾驶等重要工作，是保障航空装备安全飞行和着陆的关键系统。橡塑密封是保障机载液压系统安全可靠运行的关键基础件。

随着技术的进步，机载液压系统朝着质量轻、体积小、高压化、大功率、变压力的方向发展，这就要求液压密封系统结构更紧凑、断面更小，同时对耐高压、耐高温、耐冲击、低摩擦磨损等性能要求更高。如液压密封系统所受压力已经由原来21 MPa提升为35 MPa，56 MPa及更高压力也已进入研究阶段；往复速度要求超过5 m/s，瞬时速度最高可达15 m/s；耐高低温要求满足-55～135 ℃的宽温域范畴。这些变化均给高可靠性要求的密封件带来了严峻挑战。

2.2 深海钻采平台密封

石油化工深水区域开发技术是目前我国能源产业重点发展的技术之一。海洋钻采平台密封作为海洋深水油气勘探开发的一个重要装备单元，已经引起很多国家的重视。在海洋恶劣环境下工作，海洋钻采平台不仅要受海流、海浪、浮力、海水外压、平台移动等载荷作用，同时还要受内部钻井液压力、钻杆摩擦、张紧拉力等多种因素的影响；另外，其是由多根组件安装连接而成进行工作，随平台钻井搬迁和海况变化等需经常拆卸和安装。因此海洋钻采平台密封在设计时其安全可靠性应放在第一位；并考虑到使用的方便性，密封还应具备易于维护保养、操作简单、适应性强等特点。深海工程装备对密封系统有着特殊的双向密封要求，既要防止装备中的油、气以及其他介质漏入海水中，也要防止海水倒流入装备中，尤其在深海环境下，要充分考虑压力和海水腐蚀的影响，密封温度高达177 ℃、压力103.4 MPa、硫化氢含量高达20%(体积分数)，这对橡塑密封行业来说也是一个新的挑战。

2.3 新能源电池密封

“节能与新能源汽车”是《中国制造2025》高端装备创新工程之一，其技术核心在于电池技术的发展。目前新能源汽车电池主要有磷酸铁锂电池、三元锂电池和氢燃料电池3种。

无论采用哪种新能源电池，密封件都是必不可少的，它是涉及电池寿命、安全的关键基础件。锂电池含有多种金属以及电解液等有机溶剂，电解质具有相当大的腐蚀性和化学毒性，电解液泄漏不但会造成电池爆炸燃烧，还会产生有毒的化学气体，对环境造成污染。氢燃料电池需高压(35～70 MPa)贮存系统和燃料电池堆，其安全性是氢燃料电池发展的关键。因而新能源电池密封圈对于电池的安全性至关重要。

新能源汽车电池密封需满足绝缘性、耐强腐蚀介质、耐高温(≥200 ℃)、抗冲击和振动的要求；氢燃料电池密封还需耐压、耐低温，具有良好的气体阻隔性。目前，国产动力锂电池密封可靠性不高、使用寿命不能满足日益增长的电池寿命要求；氢燃料电池密封主要被国外所垄断。但总体来说，新能源汽车电池技术日新月异，而电池密封领域的研究才刚起步，缺乏系统性研究，国外汽车密封件巨头也没有形成垄断地位，因此与新能源汽车电池同步开展电池密封关键技术研究，不仅是密封产业发展的需要，也是构建新能源汽车完整产业链的最佳时机。

2.4 半导体密封

半导体在全球科技和经济发展中具有无可替代的地位，随着物联网、5G通信、人工智能飞速发展，半导体需求越来越大。我国已经成为全球半导体主要市场，需求占比超过60%，是全球半导体增长引擎。然而我国半导体产品的自给率不足三成，半导体行业尚处在起步阶段，距离欧美日韩等发达国家有较大差距。

在半导体制程的一千多个工序当中，密封件要确保环境严苛的洁净度、高真空度，以及要耐受高温，耐各种化学品、有毒气体、等离子体的侵蚀，是半导体生产设备的核心基础部件，目前基本全部依赖进口。一旦国外对出口中国的相关产品进行限制，将会大大减缓中国半导体行业的发展，应该引起国内橡塑密封行业的足够重视。

3 总结和展望

近些年来，我国橡塑密封行业的发展取得了长足进步，在一些特殊领域达到或超过了国际先进水平，如航天飞行器密封、核电系统密封等。但是在国民经济很多量大面广领域还处于令人尴尬的落后局面，如工程机械高压往复密封、轿车动力总成系统发动机变速器油封等，国内的一些主机厂都指定要用国外品牌。这说明国产密封件与国际先进水平相比还有很大差距。但是开发科技含量比较高的产品，并非中小企业力所能及，所以整合研发资源、建立公共研发平台同时加强企业和高校间合作显得尤为重要。企业在产品开发方面有优势，而高校在基础研究和规律性研究方面有优势，通过产学研真正的合作，有望早日攻克橡塑密封技术难关，实现与国际先进水平齐头并进的实力。