航空发动机常用橡胶的热空气老化研究

欧阳飞，黄雪萍，吴 涛，林奇辉，何飞德

（中国航发南方工业有限公司，湖南 株洲 412002）

橡胶具有耐高温、耐油、耐老化、耐多种化学药品侵蚀的特性[1-4]，可制作成密封环、O形密封圈等零件，主要用于封气、封油、减震等。氟橡胶具有优良的特性，应用范围越来越广泛，其能在200 ℃下长期工作，在250 ℃下短时间工作，在航空航天领域应用居多[5]。但在实际使用中发现，氟橡胶密封件在一定介质中工作，遇到高温后会出现因溶胀、变形大、撕裂强度低而导致密封失效的现象[6]。随着技术的发展，新型航空发动机对氟橡胶材料在高温下的综合性能有了更高的要求，所以有必要对氟橡胶的高温性能进行全方位了解，以便为航空发动机橡胶材料的选型和零件的失效分析提供依据。

全世界航空器发生的各类故障中有40%～60%与橡胶材料有关，而其中大部分是由于橡胶材料的老化造成的。橡胶老化后性能的变化与热量、氧气、应力、介质和接触的金属材料有关，其中热量和氧气是主要原因[7-8]。因此，对橡胶材料的耐热老化性能进行研究，评估其使用寿命对降低飞机的故障率、保障飞行安全有着重要的意义[9]。现阶段航空发动机用橡胶制品的贮存寿命控制主要根据橡胶材料的种类进行区分，根据不同材料的特性给出不同的贮存寿命推荐值，但未细化到不同牌号的橡胶在不同温度、介质及受力环境下的寿命。

本工作结合橡胶密封件的实际工况，研究氟橡胶和氟醚橡胶的老化情况，分析高温下橡胶样品的压缩永久变形随时间的变化（即热空气老化寿命）[10]，利用阿伦尼乌斯方程[11]拟合压缩永久变形性能变化与时间和温度的关系，得到橡胶样品在常温下的贮存寿命，并建立寿命预测模型[12-13]，为选择合适的航空发动机用橡胶材料提供有效依据。

1 实验

1.1 原材料

氟橡胶，牌号FX-17；氟醚橡胶，牌号FM-1，中国航发北京航空材料研究院产品。

1.2 主要设备和仪器

LR016型老化试验箱，重庆银河试验仪器有限公司产品；专用夹具[14]（见图1）；测厚仪，营口市材料试验机有限公司产品。

图1 压缩永久变形试验专用夹具

1.3 测试方法

（1）根据GB/T 7759.1—2015《硫化橡胶或热塑性橡胶 压缩永久变形的测定 第1部分：在常温及高温条件下》[15]，进行橡胶样品在高温恒定形变下的压缩永久变形对比研究。

（2）按照GJB 92.2—1986《热空气老化法测定硫化橡胶贮存性能导则 第二部分：统计方法》[16]中的模型2对试验数据进行处理。

2 结果与讨论

2.1 数据模型分析

根据 GJB 92.2—1986，选取指数衰减模型

肛瘘切开术及肛瘘切除术曾被认为是治疗肛瘘的最基本术式，基本理念为彻底清除病灶[2]。美国结肠和直肠外科医师学会(American Society of Colon and Rectal Surgeons，ASCRS)制定的最新版肛瘘临床诊治指南认为，肛瘘切开术是治疗单纯性肛瘘的有效方法，推荐等级为1B，可确切治愈瘘管但可损伤肛门括约肌，故可导致大便失禁[3]。肛瘘切除术同样具有治疗的彻底性，但恢复时间较长，亦有术后大便失禁的风险。这两种术式适用于低位或单纯性肛瘘，在治疗较高位或复杂肛瘘时，需联合其他手术方式。

式中，P为性能变化指标，对抗压缩永久变形性能而言，P＝1－ε，ε为压缩永久变形率；t为老化时间，d；K为与温度有关的性能变化速度常数，d-1；A为常数；α为修正系数。

阿伦尼乌斯方程如下

式中，Z为频率因子，d-1；E为表观活化能，J·mol-1；R为气体常数，J·K-1·mol-1；T为绝对温度，K。

利用式（1）对压缩永久变形和老化时间进行回归拟合，通过式（3）得到K与T的关系，求得一定温度下K值，代入式（1）得到贮存寿命。

2.2 α取值的确定

根据安全性分析测量结果可以确定，氟橡胶FX-17和氟醚橡胶FM-1耐长期加热稳定的最高温度为250 ℃。选取4个老化温度，分别为250，200，180和160 ℃，在这4个温度下测试试样的压缩永久变形，结果如表1所示。

表1 不同老化温度下橡胶的压缩永久变形

采用逐次逼近法尝试确定α，逼近的准则是α处于0～1范围内并精确到小数点后两位时，使I（逐次逼近法过程计算常数）最小。

式中，Pij和分别为第i个老化试验温度下，第j个测试点的性能变化指标试验值和预测值。

2.3 拟合计算

2.3.1 氟橡胶FX-17

对式（1）进行变化，令X＝tα，Y＝lnP，a＝lnA，b＝－K，则Y＝a＋bX。氟橡胶FX-17的lnP与tα关系如图2所示。

图2 氟橡胶FX-17的ln P与tα 关系

进行数据处理后可得到各老化温度下的a，b，K和线性相关因数（r），如表2所示。

表2 氟橡胶FX-17在不同老化温度下的拟合参数

根据表2中的a值可推算出老化温度为250，220，180和160 ℃时式（1）中的A分别为0.942 9，0.995 7，0.920 7和0.884 1，并计算得到氟橡胶FX-17的A估计值为0.947 9。

回归分析后对lnK与1/T进行直线拟合，结果见图3。

图3 氟橡胶FX-17的ln K与1/T直线拟合结果

得到拟合公式为

当贮存温度为28 ℃时，计算得到K＝7.977×10-4。将A，K和α取值代入式（1）可得

特种备件一般要求保存过程中性能下降不大于10%。当P为0.9时，可计算得出氟橡胶FX-17能在28 ℃条件下贮存8.3年。

2.3.2 氟醚橡胶FM-1

用相同的方法对氟醚橡胶FM-1进行拟合计算，lnP与tα关系如图4所示。数据处理后，计算得到氟醚橡胶FM-1的A估计值为0.913 5。

图4 氟醚橡胶FM-1的ln P与tα 关系

对lnK与1/T进行直线拟合，见图5。

图5 氟醚橡胶FM-1的ln K与1/T直线拟合结果

得到拟合公式为

当贮存温度为28 ℃时，计算得到K＝1.198 2×10-5。

将A，K和α取值代入式（1）可得

当P为0.9时，可计算得出氟醚橡胶FM-1能在28 ℃条件下贮存20.1年。

3 结论

由两种橡胶的数据处理结果可以得出，试验结果具有较好的线性关系和相关性。氟橡胶FX-17 和氟醚橡胶FM-1 的压缩永久变形性能变化与老化时间的动力学方程分别为当试验件的P为0.9时，氟橡胶FX-17能在28 ℃下贮存8.3年，而氟醚橡胶FM-1能在28 ℃下贮存20.1年。在相同条件下，氟醚橡胶FM-1的贮存时间比氟橡胶FX-17要长，说明氟醚橡胶在长时间贮存情况下能有更好的形变保持率。

热空气老化法的深入研究和应用对装备可靠性的提高和装备的维护具有重要意义。建立橡胶材料的寿命预测模型数据库，使其能够合理预测橡胶材料的使用寿命，并指导橡胶新品的研发和应用。