橡膠材料的發(fā)展及其在飛機上的應用

北京理工大學珠海學院2020屆本科生畢業(yè)設計（論文）1北京理工大學珠海學院2020屆本科生畢業(yè)設計（論文）II橡膠材料的發(fā)展及其在飛機上的應用橡膠材料的發(fā)展及其在飛機上的應用摘要橡膠材料的利用價值在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟時代被人們視為一種原始的“奇異物質(zhì)”加以使用。從天然橡膠被古瑪雅人無意識的發(fā)現(xiàn)并使用，到第一次世界大戰(zhàn)德國實行天然橡膠禁運后，通過工業(yè)生產(chǎn)獲得合成橡膠后，橡膠材料才慢慢映入人們的眼簾。從哥倫布及其探險隊把天然橡膠從南美帶到東半球以后，對于橡膠材料的研究才勾起人們的興趣，這時橡膠材料的發(fā)展才算正式的開始。橡膠材料的發(fā)展起初是隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而快速發(fā)展，而如今，隨著科學的不斷進步，橡膠材料的發(fā)展更為迅速，對于橡膠材料性能的要求也更為苛刻。目前，橡膠材料的優(yōu)異性能使其在許多領域得到了廣泛的運用，據(jù)估計，世界橡膠制品的品種規(guī)模的總數(shù)有10萬多種，這在其他產(chǎn)業(yè)是十分罕見的。本文通過對于橡膠材料在航空應用進行初步的研究和分析，通過飛機輪胎、飛機發(fā)動機上的耐高溫耐油性的零件和緊固件的密封作業(yè)等橡膠材料的應用來加以說明現(xiàn)代航空橡膠材料的特點和不足，并對于橡膠材料在飛機上的應用的不足提出自己的看法以及意見。希望能夠?qū)τ诮窈蟮南鹉z材料的發(fā)展以及其在飛機上的應用留下部分參考。本文為橡膠材料在飛機上的應用的有關問題提供參考。關鍵詞：橡膠材料航空應用耐高溫耐油性密封作業(yè)

DevelopmentofrubbermaterialanditsapplicationinaircraftABSTRACTTheutilizationvalueofrubbermaterialisregardedasakindofprimitive"Specialsubstance"tobeusedinagriculturaleconomytimes.FromtheunconsciousdiscoveryanduseofnaturalrubberbytheancientMaya,totheFirstWorldWarwhenGermanyimposedanaturalrubberembargo,throughindustrialproductionofsyntheticrubber,rubbermaterialsslowlycameintoview.InterestinrubbermaterialshasbeengrowingsinceColumbusandhisexpeditionbroughtnaturalrubberfromSouthAmericatotheEasternHemisphere.Onlythendidthedevelopmentofrubbermaterialsbegininearnest.Butnow,withthecontinuousprogressofscience,thedevelopmentofrubbermaterialsismorerapid,theperformanceofrubbermaterialsismoredemanding.Atpresent,theexcellentpropertiesofrubbermaterialsmakeitwidelyusedinmanyfields.Itisestimatedthattherearemorethan100,000kindsofrubberproductsintheworld,whichisveryrareinotherindustries.Inthispaper,throughthepreliminaryresearchandAnalysisontheapplicationofrubbermaterialsinaviation,throughtheapplicationofrubbermaterialssuchasthesealingoperationofhightemperatureandoilresistantpartsandfastenersonaircraftenginesandtheapplicationofaircrafttires,thecharacteristicsandshortcomingsofmodernaviationrubbermaterialsareexplained,andputsforwarditsownviews.Itishopedthatsomereferenceswillbeleftforthefuturedevelopmentofrubbermaterialsandtheirapplicationinaircraft.Thispaperprovidesreferencesfortheapplicationofrubbermaterialsinaircraft.Keywords:RubbermaterialAviationapplicationsHightemperatureandoilresistanceSealingoperation

目錄摘要 IABSTRACT II1引言 12橡膠材料的發(fā)展 22.1橡膠的發(fā)展過程 22.2橡膠材料的發(fā)展 42.2.1基礎研究 42.2.2應用研究 42.2.3技術開發(fā)研究 52.2.4產(chǎn)品制造 52.3總結(jié) 53橡膠材料在飛機上的應用 53.1輪胎作為橡膠材料在飛機上的應用 73.2橡膠密封材料在飛機上的應用 93.3發(fā)動機中橡膠材料在飛機上的應用 104結(jié)論以及展望 12參考文獻 13謝辭 141引言近年來，我國經(jīng)濟逐漸全面融入全球化市場，其中橡膠工業(yè)是直接面向經(jīng)濟，并在經(jīng)濟發(fā)展中起到關鍵作用，與此同時，我國航空事業(yè)的不斷發(fā)展進步，在機場建設已經(jīng)逐漸接近尾聲之時，為了更加完善我國航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基礎，則需要更多的人力與技術來支持發(fā)展航空產(chǎn)品的研制與開發(fā)，那么這就需要使用大量的橡膠材料。既然需要龐大的橡膠材料作為支撐，那么這時沒有一點很好地有關橡膠材料的知識是不行的，所以，我們先從了解橡膠材料開始。如果我們想要充分的了解橡膠材料那么必須先了解橡膠材料的發(fā)展，可以使我們對于橡膠材料進行初步的知識掌握，比如說橡膠材料的種類、橡膠材料的化學反應、橡膠材料的結(jié)構與性能、橡膠材料設計基礎以及橡膠材料的加工過程。只有通過方方面面的了解了橡膠材料的發(fā)展過程，才能對其有個初步的認識，能夠掌握這個橡膠材料的部分知識。當我們初步掌握了有關于橡膠材料的這些知識，才能對于橡膠材料在飛機上的應用加以一個合理的、簡單的分析，并再從中找尋或研發(fā)出一種利用率更高、更加環(huán)保、壽命更持久、污染更小的新型橡膠材料去代替飛機上原有的材料進行使用。當然，我們研究的這些材料不僅僅要在普通工作環(huán)境中能夠保持它的工作原理，還要研究其在飛機處于極其惡劣的條件下的工作機理和壽命狀況，只有研究能夠面面俱到才能獲得更好地結(jié)論，來減少飛機所不應出現(xiàn)的事故。從長遠的角度出發(fā)，了解橡膠材料的發(fā)展可以為了其在飛機上的應用打下一定的基礎，再通過對橡膠材料在飛機上的應用進行分析，則可以對未來新型航空橡膠材料的誕生做了一定的鋪墊。

2橡膠材料的發(fā)展2.1橡膠的發(fā)展過程橡膠最早的使用是在中南美洲的古瑪雅文明時期，據(jù)2010年美國國家地理雜志報道了麻省理工學院研究員的最新發(fā)現(xiàn)，在古瑪雅文明時期橡膠就被當時的原始土著開發(fā)出來，并得到了簡單的使用。當時的人們就已經(jīng)開始使用天然橡膠來豐富自己的娛樂活動，即使他們不知道這是什么東西。他們無意識的將從橡樹中采集下來的天然橡膠樹脂與牽牛花藤蔓所產(chǎn)生的汁液相互混合，制造出固態(tài)化的高彈性橡膠。當時的人們通過不斷地探索得知，牽?；ǖ奶俾袚碛幸环N物質(zhì)可以使橡膠固化，并能夠增加橡膠的韌性。這表明瑪雅古代文明所使用的橡膠制品比1839年C.Goodyear偶爾發(fā)明的“硫化橡膠”還要早上1000年，這就是最早的橡膠的使用。麻省理工學院的研究人員通過實驗得出按照1：1的比例混合牽?；ㄒ后w和乳液制成的橡膠彈性最大，而按照3：1的比例混合乳液和牽?；ㄒ后w制成的橡膠耐久性最好。并按照不同的比例將天然橡膠與牽牛花藤蔓的汁液相互混合制造出了傳說中古代中美洲的“足球”（如下圖2-1所示）。依據(jù)瑪雅文明歷史資料記載，瑪雅人十分信任宗教，當時的“足球”游戲宗教是為了祈福辟邪而舉辦的，而“足球”游戲的最終的結(jié)束方式是以人祭的形式，按照宗教中的相關禮儀將游戲失敗的一方全部斬首。雖然這項研究成果并非是什么美好的故事，但是足以說明橡膠在當時就與人類社會物質(zhì)文明相互接觸，并得到了部分發(fā)展。在16世紀的西班牙征服者的描述中，南美印第安人也曾有過對于天然橡膠的應用。比如說，他們將橡樹上收集下來的樹脂-天然橡膠涂到腳上，等自然干燥以后形成一雙靴子、或者將天然橡膠涂在帽子上，使其防止漏水等等。對于天然橡膠而言，其優(yōu)劣性顯而易見。因為天然橡膠是從橡樹上采集的樹膠，由于天然橡膠是多年生長的樹木，產(chǎn)量會隨著時間集結(jié)的變化而變動，不能夠在短時間內(nèi)調(diào)整供應，而且市場變化周期較長，這作為天然橡膠的缺點不可忽視，相對而言其優(yōu)點廣為人知，那就是具有極佳的綜合性能。因此作為主要的原料和戰(zhàn)略物資的天然橡膠歷來對于世界經(jīng)濟和重大事件有著較為強烈的反應。從二十世紀開始，許多西方國家開始發(fā)展重工業(yè)，他們對于天然橡膠的需求量不斷地增加，不斷地促使天然橡膠加個逐漸上升，為了減少對于經(jīng)濟支出和天然橡膠的消耗，德國、英國等國家的科研人員開始加緊研究合成橡膠的工業(yè)化制作方法。第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)的時候，許多國家對德國實施了天然橡膠禁運政策，這時候德國的通過不計次數(shù)的實驗，終于在1917年采取乙炔路線，由丙酮合成2,3-二甲基丁二烯，再由金屬鈉引發(fā)聚合反應生成甲基橡膠，這時候工業(yè)化的合成橡膠才正式誕生。兩次世界大戰(zhàn)之后，隨著時間的不斷流逝，期間政治、經(jīng)濟事件和科學技術發(fā)展的綜合影響，不斷刺激著合成橡膠的發(fā)展并不斷推動著橡膠產(chǎn)業(yè)進步。從1962年后，合成橡膠的產(chǎn)量超過天然橡膠，橡膠材料的發(fā)展正式開始。圖2-1古瑪雅文明時期的橡膠“足球”

2.2橡膠材料的發(fā)展科學技術是第一生產(chǎn)力，橡膠材料的發(fā)展也離不開科學技術的支持，而橡膠材料又是見解影響到國家的經(jīng)濟，而國家的經(jīng)濟又不斷推動著橡膠材料下基礎科學與技術科學所結(jié)合出的綜合性科學的發(fā)展，這樣的發(fā)展不斷地促進著橡膠材料的發(fā)展，而在這樣的發(fā)展下衍生出了四大環(huán)節(jié)：基礎研究、應用研究、技術開發(fā)和產(chǎn)品制造，這四大環(huán)境緊密的結(jié)合在一起，不斷地提高著橡膠材料的發(fā)展，并提高著科技含量。2.2.1基礎研究基礎研究是橡膠材料技術發(fā)展的基礎和先驅(qū)，是從多個不同的角度來進行研究橡膠材料的結(jié)構呵性質(zhì)以及現(xiàn)象和行為的，希望從橡膠材料的內(nèi)部結(jié)構中尋找其新的規(guī)律、新的原理、新的方法以及收集橡膠材料的基本數(shù)據(jù)。從而為研發(fā)出新的橡膠材料提供新的材料和技術。主要包含了研究具有光學、聲學、電學、生物學等學科的橡膠材料的功能；研究具有高強度、適應極端溫度以及極端條件的橡膠材料；研究橡膠的性能；探究橡膠材料在加熱過程中受力場、電磁場和熱場等作用發(fā)生的化學反應規(guī)律；研究不同環(huán)境下橡膠材料結(jié)構動態(tài)變化以及物理性質(zhì)的關系等。使人們能夠?qū)ο鹉z材料的認識從宏觀到微觀，從定性到定量，從而達到可以設計的目的，做到能夠按照人們的需求去設計、制定出需要特定性能的材料，用來滿足社會的不同需要。2.2.2應用研究應用研究主要是探究橡膠材料的使用性能，即橡膠材料在使用過程中的性能。研究范圍非常廣泛，涉及到各個不同的領域。例如：結(jié)構分析、形變能力與強度、加工和使用過程中的物理和化學變化、新的成形理論和技術以及失效評價、材料內(nèi)部的結(jié)構變化、熱力學和動力學原理。重視橡膠材料在各種物理場和化學作用下的結(jié)構變化，橡膠材料內(nèi)部結(jié)構在不同的力學的作用下的變化，已達到預測、控制、優(yōu)化橡膠材料的使用性能，確保橡膠材料的質(zhì)量。加強功能橡膠以及高性能橡膠材料的開發(fā)與應用，使得精細橡膠材料的發(fā)展取得令人矚目的進步。2.2.3技術開發(fā)研究技術開發(fā)研究包括技術引進消化和技術創(chuàng)新兩個方面。對于技術引進進化消化吸收是橡膠材料技術改造的主要措施。但更重要的是技術創(chuàng)新，在時代的不斷變化中優(yōu)勝劣汰是長久不變的實施，技術創(chuàng)新是橡膠材料得以發(fā)展的生命線。橡膠材料要想得以發(fā)展，那就要以材料的質(zhì)量為中心，實施新的改造技術研究，在基礎研究與應用研究的基礎之上，不斷地研究開發(fā)新的橡膠材料工藝、新的橡膠材料產(chǎn)品和新的橡膠材料制造設備；提高橡膠材料生產(chǎn)精度和檢測技術；通過計算機輔助設計和計算機輔助制造技術來不斷優(yōu)化橡膠材料的性質(zhì)與機理。在當代，科學技術日益增長，人們可以通過橡膠材料設計日趨科學化和計算機輔助化，利用輔助軟件可以進行新型橡膠材料的設計與仿真實驗，預測新橡膠材料的使用性能和應用效果。2.2.4產(chǎn)品制造產(chǎn)品制造是指如何通過智力資源、生產(chǎn)信息和高技術制造出高性能的橡膠材料，如何通過管理來解決指揮決策、資金、技術、風險等問題，達到短時間內(nèi)能夠開發(fā)出有需求的橡膠材料，提供最優(yōu)質(zhì)的質(zhì)量、最低的成本，以實現(xiàn)提高生產(chǎn)率為目的。通過計算機集成制造系統(tǒng)，以人為本，以計算機為媒體，將傳統(tǒng)的制造技術和現(xiàn)代信息技術、管理技術、自動化技術和系統(tǒng)工程技術等有機結(jié)合。使得橡膠材料的基礎發(fā)展得到良好的優(yōu)化。2.3總結(jié)橡膠材料的發(fā)展中，技術與制造存在內(nèi)在的淵源，生產(chǎn)實踐中的難題，發(fā)展所需要的關鍵技術往往涉及到專業(yè)的學術問題。所以，必須從生產(chǎn)實踐中滲入專業(yè)的學術知識來保證橡膠材料的實用性。在發(fā)展新的橡膠材料、使用新的技術和新的生產(chǎn)過程中，基礎研究、應用研究、技術開發(fā)和產(chǎn)品制造這四個環(huán)節(jié)不可分割的交織在一起，他們之間的界限變得越來越模糊，但是只有這樣才能優(yōu)化橡膠材料的發(fā)展過程，提高橡膠材料的發(fā)展水平，把橡膠材料的發(fā)展推向新的高度。3橡膠材料在飛機上的應用橡膠材料在飛機上被廣泛用于各個部位的組成，可以起到密封、減震、傳輸、支撐、防火、隔熱等作用。橡膠材料是保障飛機上各個系統(tǒng)的正常工作的運用和支撐各個系統(tǒng)的組成的關鍵性材料。一架軍用戰(zhàn)斗機大概需要1.2至1.5萬件橡膠制品，400千克至500千克的密封劑，而一架民用客機則大概需要3噸的橡膠制品和至少1.5噸的密封劑。這足以說明橡膠材料位于飛機上的地位是十分重要的。（如圖3-1所示，橡膠材料在飛機上的應用）圖3-1橡膠材料在飛機上的應用而橡膠材料又可以按照不同的成型工藝和不同的處理方式分為高溫硫化橡膠和室溫硫化橡膠兩種不同的種類分類。（如圖3-2，高溫硫化橡膠的分類、圖3-3，室溫硫化橡膠的分類）圖3-2高溫硫化橡膠的分類圖3-3室溫硫化橡膠的分類只有先知道了這些分類，才能很好并有效的知道飛機上橡膠材料的應用，以及對于這些橡膠材料在其工作環(huán)境下所存在的種種不利因素能夠得到很好地分析，以及如何改善橡膠材料在飛機某些特定惡劣條件下的所存在的工作壽命。3.1輪胎作為橡膠材料在飛機上的應用輪胎作為第二次工業(yè)革命的重要產(chǎn)物汽車的重要組成部分，在飛機上也承擔著舉足輕重的位置，他也是飛機裸露在外并且工作環(huán)境極其惡劣的飛機上的橡膠材料，它不僅僅要承擔飛機全身的質(zhì)量，還要承擔飛機起降滑行時所產(chǎn)生的所有力，比如飛機在起降滑行中的高沖擊載荷、輪胎的高內(nèi)壓力、高離心力、輪胎表面的高摩擦力和劇烈的溫度變化，以及減少與降低飛機在起飛滑降過程中產(chǎn)生的震動和沖擊，為飛機地面?zhèn)绒D(zhuǎn)操作提供側(cè)向力等等。所以，輪胎作為最常見的橡膠材料在飛機上的應用，不得不具有強度高、剛度適宜、產(chǎn)熱量低、能夠抵抗側(cè)滑、承載力強、抗扎、有劇烈的溫度變化耐性、耐高壓、耐磨損、質(zhì)量輕、安全性高等特點，而且航空輪胎作為橡膠材料在飛機上的應用還要能夠抗住在惡劣環(huán)境下的工作時間，并延長自身的工作壽命，才能很好地發(fā)揮出自身的價值且不會影響到飛機的正常工作。而輪胎在高強度的工作壓力之下，極其容易產(chǎn)生故障。例如：飛機從高溫環(huán)境轉(zhuǎn)到低溫環(huán)境時輪胎出現(xiàn)的欠壓狀況、當?shù)丨h(huán)境變高或飛機著陸接觸地面和超重工作時輪胎的過壓、輪胎在重著陸過程中的磨損、在飛機降落過程中輪胎與輪轂之間摩擦以及剎車盤將熱量傳遞到輪胎是引起的輪胎熱損傷、輪胎外部與飛機跑道情況以及跑道外來物污染，給予輪胎帶來的外損傷等等。（如圖3-4所示為飛機輪胎壓力與壽命情況。）由于時代的不斷進步，橡膠材料也不斷的發(fā)展,對于飛機輪胎的要求也不斷的提升，為了保證飛機輪胎運行的安全和避免飛機輪胎在起飛滑落時出現(xiàn)安全事故，開發(fā)出許多新的輪胎來保障飛機的航行安全，例如：漏氣保用輪胎、專用防滑輪胎、防生輪胎等，通過不同的工藝手段來保證飛機輪胎的安全。圖3-4飛機輪胎壓力與壽命情況3.2橡膠密封材料在飛機上的應用作為重點發(fā)展的關鍵材料技術之一，橡膠密封材料在近幾年的發(fā)展中被視為佼佼者，在第二次世界大戰(zhàn)之前，密封橡膠材料的使用率十分低，大多得使用材料依舊是天然橡膠，對于飛機來說這種材料的使用對于自身性能提升不是特別明顯。第二次世界大戰(zhàn)之后的幾十年內(nèi)，人們的生活水平日益上漲，需求也不斷增加，飛機對性能的要求也不斷的增加，大量使用氯丁橡膠、丁鈉橡膠等合成橡膠來促進飛機性能的進一步提升。首先是橡膠密封圈在飛機上的應用，橡膠密封圈絕大多數(shù)是存在緊固件之中，來保障緊固件在工作過程中不容易發(fā)生松動而導致事故的出現(xiàn)。工作原理是在螺絲釘擰入物體或螺栓擰入工件內(nèi)螺紋中，在預緊力作用下通過產(chǎn)生的摩擦了打到緊固的作用。但是絕大多數(shù)的橡膠密封圈所處的工作環(huán)境是十分惡劣的，需要有良好的橡膠材料成型工藝來彌補在這些惡劣環(huán)境下的使用壽命，并通過不斷地檢查維護來保障飛機的正常工作。其次是密封劑的使在飛機上的應用，首先我們現(xiàn)在飛機上所使用密封劑有很多種，但空氣系統(tǒng)的密封主要都是有機硅密封劑，而有機硅密封劑大概分為以下幾類（如圖3-5，有機硅密封劑的分類），以用作不同的場所和特殊的使用要求進行使用。而其他密封劑，如氟硅密封劑適用于進行油料或空氣介質(zhì)中對鋁合金、不銹鋼材等金屬材料的粘接等。圖3-5有機硅密封劑的分類然后是緊固劑在飛機上的應用，緊固劑的使用和橡膠密封圈的使用效果十分接近，機理是用緊固劑去填充螺紋間的縫隙并固化，可防止螺絲釘或螺栓的松動，但是，對于緊固劑的使用有時候局限性會很多，例如，在發(fā)動機附近時，工作環(huán)境極其惡劣的情況之下，這時候緊固劑的使用可能會有一定的影響。最后是功能橡膠材料在飛機上的應用，為了新的飛機的發(fā)展需求，在橡膠材料技術不斷發(fā)轉(zhuǎn)的過程中，有著打量具有特殊功能的橡膠材料制品被用在飛機上，其中就包括橡膠減震器、橡膠襯墊卡箍（如圖3-6所示，橡膠襯墊卡箍）。橡膠減震器主要用于電氣系統(tǒng)、儀器儀表，以及發(fā)動機的減震，能夠有效地降低震動對零件設備儀器的損害并延長其使用壽命。橡膠襯墊卡箍主要用于飛機機體以及發(fā)動機的電線、管路的固定和減震。圖3-6橡膠襯墊卡箍如今，大量的橡膠密封材料的出現(xiàn)足以滿足當代飛機的需求，既能夠保證飛機的正常運行，又能夠提高飛機在運行過程之中的靈敏度和可靠性。但是，仍然有一部分橡膠密封材料存在著一定的問題和缺陷，但是，時間不斷的向前奔跑，科技不斷的進步，橡膠材料的不斷發(fā)展和進步，終究有一天這些缺陷就能夠迎刃而解了。3.3發(fā)動機中橡膠材料在飛機上的應用發(fā)動機中橡膠材料的主要作用是對于航空發(fā)動機風扇增壓級、外部管路、短艙等部位進行減震密封作用，其工作條件遠高于橡膠密封材料在飛機上的應用，目前能夠滿足航空發(fā)動機要求的橡膠材料包括氟橡膠、硅橡膠、氟硅橡膠等，近年來全氟醚橡膠以優(yōu)異的性能逐步進入并用于航空發(fā)動機中。航空發(fā)動機所使用的橡膠材料主要根據(jù)其作用的位置的工作條件為依據(jù)，入針對耐油性為要求，航空發(fā)動機的滑油系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)可以采用耐高溫耐油性能游戲的氟橡膠、氟硅橡膠、氟醚橡膠；針對發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)軸使用，通?？梢钥紤]摩擦系數(shù)較低的氟橡膠或氟醚橡膠，用于制作空氣、液壓油、滑油系統(tǒng)的高速旋轉(zhuǎn)軸或滑動密封皮碗；對于空氣系統(tǒng)及耐高溫部位，通?？梢钥紤]使用具有較高耐溫性能的硅橡膠材料。隨著航空發(fā)動機性能的不斷提升，發(fā)動機所需要的橡膠材料的工作溫度和工作狀況也變得越來越苛刻，為了保證航空發(fā)動機在飛機正常行駛過程中的安全性和可靠性，對于發(fā)動機短艙部分可能接觸火焰的部位，還應滿足阻燃、防火、隔熱等性能要求。國外常采用具有阻燃防火隔熱功能的硅橡膠型材進行使用。北京航空材料研究院研制的HM317、HM320防火密封劑,3.2mm厚橡膠板在1100℃火焰下燒蝕15min也不會燒穿,且能夠有效阻隔火焰的溫度,產(chǎn)品達到了國內(nèi)領先、國際先進技術水平。橡膠板在火焰下燒蝕試驗照片及燒蝕時火場溫度與橡膠板溫度對比曲線。（如圖3-7橡膠板在火焰下燒蝕情況和燒蝕時火場溫度及膠板背面溫度對比