橡胶材料的发展及其在飞机上的应用

橡胶材料的发展及其在飞机上的应用
摘要
橡胶材料的利用价值在农业经济时代被人们视为一种原始的“奇异物质”加以使用。

从天然橡胶被古玛雅人无意识的发现并使用，到第一次世界大战德国实行天然橡胶禁运后，通过工业生产获得合成橡胶后，橡胶材料才慢慢映入人们的眼帘。

从哥伦布及其探险队把天然橡胶从南美带到东半球以后，对于橡胶材料的研究才勾起人们的兴趣，这时橡胶材料的发展才算正式的开始。

橡胶材料的发展起初是随着汽车工业的发展而快速发展，而如今，随着科学的不断进步，橡胶材料的发展更为迅速，对于橡胶材料性能的要求也更为苛刻。

目前，橡胶材料的优异性能使其在许多领域得到了广泛的运用，据估计，世界橡胶制品的品种规模的总数有10万多种，这在其他产业是十分罕见的。

本文通过对于橡胶材料在航空应用进行初步的研究和分析，通过飞机轮胎、飞机发动机上的耐高温耐油性的零件和紧固件的密封作业等橡胶材料的应用来加以说明现代航空橡胶材料的特点和不足，并对于橡胶材料在飞机上的应用的不足提出自己的看法以及意见。

希望能够对于今后的橡胶材料的发展以及其在飞机上的应用留下部分参考。

本文为橡胶材料在飞机上的应用的有关问题提供参考。

关键词：橡胶材料航空应用耐高温耐油性密封作业
Development of rubber material and its application in aircraft
ABSTRACT
The utilization value of rubber material is regarded as a kind of primitive "Special substance" to be used in agricultural economy times. From the unconscious discovery and use of natural rubber by the ancient Maya, to the First World War when Germany imposed a natural rubber embargo, through industrial production of synthetic rubber, rubber materials slowly came into view. Interest in rubber materials has been growing since Columbus and his expedition brought natural rubber from South America to the Eastern Hemisphere. Only then did the development of rubber materials begin in earnest. But now, with the continuous progress of science, the development of rubber materials is more rapid, the performance of rubber materials is more demanding. At present, the excellent properties of rubber materials make it widely used in many fields. It is estimated that there are more than 100,000 kinds of rubber products in the world,
which is very rare in other industries. In this paper, through the preliminary research and Analysis on the application of rubber materials in aviation, through the application of rubber materials such as the sealing operation of high temperature and oil resistant parts and fasteners on aircraft engines and the application of aircraft tires, the characteristics and shortcomings of modern aviation rubber materials are explained,and puts forward its own views. It is hoped that some references will be left for the future development of rubber materials and their application in aircraft. This paper provides references for the application of rubber materials in aircraft.
Key words:Rubber material Aviation applications High temperature and oil resistance Sealing operation
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (I)
1 引言 (1)
2 橡胶材料的发展 (1)
2.1 橡胶的发展过程 (1)
2.2 橡胶材料的发展 (3)
2.2.1 基础研究 (3)
2.2.2 应用研究 (4)
2.2.3 技术开发研究 (4)
2.2.4 产品制造 (4)
2.3 总结 (5)
3 橡胶材料在飞机上的应用 (5)
3.1 轮胎作为橡胶材料在飞机上的应用 (8)
3.2 橡胶密封材料在飞机上的应用 (9)
3.3 发动机中橡胶材料在飞机上的应用 (10)
4 结论以及展望 (12)
参考文献 (12)
谢辞....................................... 错误!未定义书签。

1 引言
近年来，我国经济逐渐全面融入全球化市场，其中橡胶工业是直接面向经济，并在经济发展中起到关键作用，与此同时，我国航空事业的不断发展进步，在机场建设已经逐渐接近尾声之时，为了更加完善我国航空产业的发展基础，则需要更多的人力与技术来支持发展航空产品的研制与开发，那么这就需要使用大量的橡胶材料。

既然需要庞大的橡胶材料作为支撑，那么这时没有一点很好地有关橡胶材料的知识是不行的，所以，我们先从了解橡胶材料开始。

如果我们想要充分的了解橡胶材料那么必须先了解橡胶材料的发展，可以使我们对于橡胶材料进行初步的知识掌握，比如说橡胶材料的种类、橡胶材料的化学反应、橡胶材料的结构与性能、橡胶材料设计基础以及橡胶材料的加工过程。

只有通过方方面面的了解了橡胶材料的发展过程，才能对其有个初步的认识，能够掌握这个橡胶材料的部分知识。

当我们初步掌握了有关于橡胶材料的这些知识，才能对于橡胶材料在飞机上的应用加以一个合理的、简单的分析，并再从中找寻或研发出一种利用率更高、更加环保、寿命更持久、污染更小的新型橡胶材料去代替飞机上原有的材料进行使用。

当然，我们研究的这些材料不仅仅要在普通工作环境中能够保持它的工作原理，还要研究其在飞机处于极其恶劣的条件下的工作机理和寿命状况，只有研究能够面面俱到才能获得更好地结论，来减少飞机所不应出现的事故。

从长远的角度出发，了解橡胶材料的发展可以为了其在飞机上的应用打下一定的基础，再通过对橡胶材料在飞机上的应用进行分析，则可以对未来新型航空橡胶材料的诞生做了一定的铺垫。

2 橡胶材料的发展
2.1橡胶的发展过程
橡胶最早的使用是在中南美洲的古玛雅文明时期，据2010年美国国家地理杂志报道了麻省理工学院研究员的最新发现，在古玛雅文明时期橡胶就被当时的原始土著开发出来，并得到了简单的使用。

当时的人们就已经开始使用天然橡胶来丰富自己的娱乐活动，即使他们不知道这是什么东西。

他们无意识的将从橡树中采集下来的天然橡胶树脂与牵牛花藤蔓所产生的汁液相互混合，制造出固态化的高弹性橡胶。

当时的人们通过不断地探索得知，牵牛花的藤蔓中拥有一种物质可以使橡胶固化，并能够增加橡胶的韧性。

这表明玛雅古代文明所使用的橡胶制品比1839年C.Goodyear偶尔发明的“硫化橡胶”还要早上1000年，这就是最早的
橡胶的使用。

麻省理工学院的研究人员通过实验得出按照1：1的比例混合牵牛花液体和乳液制成的橡胶弹性最大，而按照3：1的比例混合乳液和牵牛花液体制成的橡胶耐久性最好。

并按照不同的比例将天然橡胶与牵牛花藤蔓的汁液相互混合制造出了传说中古代中美洲的“足球”（如下图2-1所示）。

依据玛雅文明历史资料记载，玛雅人十分信任宗教，当时的“足球”游戏宗教是为了祈福辟邪而举办的，而“足球”游戏的最终的结束方式是以人祭的形式，按照宗教中的相关礼仪将游戏失败的一方全部斩首。

虽然这项研究成果并非是什么美好的故事，但是足以说明橡胶在当时就与人类社会物质文明相互接触，并得到了部分发展。

在16世纪的西班牙征服者的描述中，南美印第安人也曾有过对于天然橡胶的应用。

比如说，他们将橡树上收集下来的树脂-天然橡胶涂到脚上，等自然干燥以后形成一双靴子、或者将天然橡胶涂在帽子上，使其防止漏水等等。

对于天然橡胶而言，其优劣性显而易见。

因为天然橡胶是从橡树上采集的树胶，由于天然橡胶是多年生长的树木，产量会随着时间集结的变化而变动，不能够在短时间内调整供应，而且市场变化周期较长，这作为天然橡胶的缺点不可忽视，相对而言其优点广为人知，那就是具有极佳的综合性能。

因此作为主要的原料和战略物资的天然橡胶历来对于世界经济和重大事件有着较为强烈的反应。

从二十世纪开始，许多西方国家开始发展重工业，他们对于天然橡胶的需求量不断地增加，不断地促使天然橡胶加个逐渐上升，为了减少对于经济支出和天然橡胶的消耗，德国、英国等国家的科研人员开始加紧研究合成橡胶的工业化制作方法。

第一次世界大战爆发的时候，许多国家对德国实施了天然橡胶禁运政策，这时候德国的通过不计次数的实验，终于在1917年采取乙炔路线，由丙酮合成2,3-二甲基丁二烯，再由金属钠引发聚合反应生成甲基橡胶，这时候工业化的合成橡胶才正式诞生。

两次世界大战之后，随着时间的不断流逝，期间政治、经济事件和科学技术发展的综合影响，不断刺激着合成橡胶的发展并不断推动着橡胶产业进步。

从1962年后，合成橡胶的产量超过天然橡胶，橡胶材料的发展正式开始。

图2-1 古玛雅文明时期的橡胶“足球”
2.2橡胶材料的发展
科学技术是第一生产力，橡胶材料的发展也离不开科学技术的支持，而橡胶材料又是见解影响到国家的经济，而国家的经济又不断推动着橡胶材料下基础科学与技术科学所结合出的综合性科学的发展，这样的发展不断地促进着橡胶材料的发展，而在这样的发展下衍生出了四大环节：基础研究、应用研究、技术开发和产品制造，这四大环境紧密的结合在一起，不断地提高着橡胶材料的发展，并提高着科技含量。

2.2.1基础研究
基础研究是橡胶材料技术发展的基础和先驱，是从多个不同的角度来进行研究橡胶材料的结构呵性质以及现象和行为的，希望从橡胶材料的内部结构中寻找其新的规律、新的原理、新的方法以及收集橡胶材料的基本数据。

从而为研发出新的橡胶材料提供新的材料和技术。

主要包含了研究具有光学、声学、电学、生物学等学科的橡胶材料的功能；研究具有高强度、适应极端温度以及极端条件的橡胶材料；研究橡胶的性能；探究橡胶材料在
加热过程中受力场、电磁场和热场等作用发生的化学反应规律；研究不同环境下橡胶材料结构动态变化以及物理性质的关系等。

使人们能够对橡胶材料的认识从宏观到微观，从定性到定量，从而达到可以设计的目的，做到能够按照人们的需求去设计、制定出需要特定性能的材料，用来满足社会的不同需要。

2.2.2应用研究
应用研究主要是探究橡胶材料的使用性能，即橡胶材料在使用过程中的性能。

研究范围非常广泛，涉及到各个不同的领域。

例如：结构分析、形变能力与强度、加工和使用过程中的物理和化学变化、新的成形理论和技术以及失效评价、材料内部的结构变化、热力学和动力学原理。

重视橡胶材料在各种物理场和化学作用下的结构变化，橡胶材料内部结构在不同的力学的作用下的变化，已达到预测、控制、优化橡胶材料的使用性能，确保橡胶材料的质量。

加强功能橡胶以及高性能橡胶材料的开发与应用，使得精细橡胶材料的发展取得令人瞩目的进步。

2.2.3技术开发研究
技术开发研究包括技术引进消化和技术创新两个方面。

对于技术引进进化消化吸收是橡胶材料技术改造的主要措施。

但更重要的是技术创新，在时代的不断变化中优胜劣汰是长久不变的实施，技术创新是橡胶材料得以发展的生命线。

橡胶材料要想得以发展，那就要以材料的质量为中心，实施新的改造技术研究，在基础研究与应用研究的基础之上，不断地研究开发新的橡胶材料工艺、新的橡胶材料产品和新的橡胶材料制造设备；提高橡胶材料生产精度和检测技术；通过计算机辅助设计和计算机辅助制造技术来不断优化橡胶材料的性质与机理。

在当代，科学技术日益增长，人们可以通过橡胶材料设计日趋科学化和计算机辅助化，利用辅助软件可以进行新型橡胶材料的设计与仿真实验，预测新橡胶材料的使用性能和应用效果。

2.2.4产品制造
产品制造是指如何通过智力资源、生产信息和高技术制造出高性能的橡胶材料，如何通过管理来解决指挥决策、资金、技术、风险等问题，达到短时间内能够开发出有需求的橡胶材料，提供最优质的质量、最低的成本，以实现提高生产率为目的。

通过计算机集成制造系统，以人为本，以计算机为媒体，将传统的制造技术和现代信
息技术、管理技术、自动化技术和系统工程技术等有机结合。

使得橡胶材料的基础发展得到良好的优化。

2.3总结
橡胶材料的发展中，技术与制造存在内在的渊源，生产实践中的难题，发展所需要的关键技术往往涉及到专业的学术问题。

所以，必须从生产实践中渗入专业的学术知识来保证橡胶材料的实用性。

在发展新的橡胶材料、使用新的技术和新的生产过程中，基础研究、应用研究、技术开发和产品制造这四个环节不可分割的交织在一起，他们之间的界限变得越来越模糊，但是只有这样才能优化橡胶材料的发展过程，提高橡胶材料的发展水平，把橡胶材料的发展推向新的高度。

3 橡胶材料在飞机上的应用
橡胶材料在飞机上被广泛用于各个部位的组成，可以起到密封、减震、传输、支撑、防火、隔热等作用。

橡胶材料是保障飞机上各个系统的正常工作的运用和支撑各个系统的组成的关键性材料。

一架军用战斗机大概需要1.2至1.5万件橡胶制品，400千克至500千克的密封剂，而一架民用客机则大概需要3吨的橡胶制品和至少1.5吨的密封剂。

这足以说明橡胶材料位于飞机上的地位是十分重要的。

（如图3-1所示，橡胶材料在飞机上的应用）
图3-1 橡胶材料在飞机上的应用
而橡胶材料又可以按照不同的成型工艺和不同的处理方式分为高温硫化橡胶和室温硫化橡胶两种不同的种类分类。

（如图3-2，高温硫化橡胶的分类、图3-3，室温硫化橡胶的分类）
图3-2 高温硫化橡胶的分类
图3-3 室温硫化橡胶的分类
只有先知道了这些分类，才能很好并有效的知道飞机上橡胶材料的应用，以及对于这些橡胶材料在其工作环境下所存在的种种不利因素能够得到很好地分析，以及如何改善橡胶材料在飞机某些特定恶劣条件下的所存在的工作寿命。

3.1轮胎作为橡胶材料在飞机上的应用
轮胎作为第二次工业革命的重要产物汽车的重要组成部分，在飞机上也承担着举足轻重的位置，他也是飞机裸露在外并且工作环境极其恶劣的飞机上的橡胶材料，它不仅仅要承担飞机全身的质量，还要承担飞机起降滑行时所产生的所有力，比如飞机在起降滑行中的高冲击载荷、轮胎的高内压力、高离心力、轮胎表面的高摩擦力和剧烈的温度变化，以及减少与降低飞机在起飞滑降过程中产生的震动和冲击，为飞机地面侧转操作提供侧向力等等。

所以，轮胎作为最常见的橡胶材料在飞机上的应用，不得不具有强度高、刚度适宜、产热量低、能够抵抗侧滑、承载力强、抗扎、有剧烈的温度变化耐性、耐高压、耐磨损、质量轻、安全性高等特点，而且航空轮胎作为橡胶材料在飞机上的应用还要能够抗住在恶劣环境下的工作时间，并延长自身的工作寿命，才能很好地发挥出自身的价值且不会影响到飞机的正常工作。

而轮胎在高强度的工作压力之下，极其容易产生故障。

例如：飞机从高温环境转到低温环境时轮胎出现的欠压状况、当地环境变高或飞机着陆接触地面和超重工作时轮胎的过压、轮胎在重着陆过程中的磨损、在飞机降落过程中轮胎与轮毂之间摩擦以及刹车盘将热量传递到轮胎是引起的轮胎热损伤、轮胎外部与飞机跑道情况以及跑道外来物污染，给予轮胎带来的外损伤等等。

（如图3-4所示为飞机轮胎压力与寿命情况。

）
由于时代的不断进步，橡胶材料也不断的发展,对于飞机轮胎的要求也不断的提升，为了保证飞机轮胎运行的安全和避免飞机轮胎在起飞滑落时出现安全事故，开发出许多新的轮胎来保障飞机的航行安全，例如：漏气保用轮胎、专用防滑轮胎、防生轮胎等，通过不同的工艺手段来保证飞机轮胎的安全。

图3-4 飞机轮胎压力与寿命情况
3.2橡胶密封材料在飞机上的应用
作为重点发展的关键材料技术之一，橡胶密封材料在近几年的发展中被视为佼佼者，在第二次世界大战之前，密封橡胶材料的使用率十分低，大多得使用材料依旧是天然橡胶，对于飞机来说这种材料的使用对于自身性能提升不是特别明显。

第二次世界大战之后的几十年内，人们的生活水平日益上涨，需求也不断增加，飞机对性能的要求也不断的增加，大量使用氯丁橡胶、丁钠橡胶等合成橡胶来促进飞机性能的进一步提升。

首先是橡胶密封圈在飞机上的应用，橡胶密封圈绝大多数是存在紧固件之中，来保障紧固件在工作过程中不容易发生松动而导致事故的出现。

工作原理是在螺丝钉拧入物体或螺栓拧入工件内螺纹中，在预紧力作用下通过产生的摩擦了打到紧固的作用。

但是绝大多数的橡胶密封圈所处的工作环境是十分恶劣的，需要有良好的橡胶材料成型工艺来弥补在这些恶劣环境下的使用寿命，并通过不断地检查维护来保障飞机的正常工作。

其次是密封剂的使在飞机上的应用，首先我们现在飞机上所使用密封剂有很多种，但空气系统的密封主要都是有机硅密封剂，而有机硅密封剂大概分为以下几类（如图3-5，有机硅密封剂的分类），以用作不同的场所和特殊的使用要求进行使用。

而其他密封剂，如氟硅密封剂适用于进行油料或空气介质中对铝合金、不锈钢材等金属材料的粘接等。

图3-5 有机硅密封剂的分类
然后是紧固剂在飞机上的应用，紧固剂的使用和橡胶密封圈的使用效果十分接近，机理是用紧固剂去填充螺纹间的缝隙并固化，可防止螺丝钉或螺栓的松动，但是，对于紧固剂的使用有时候局限性会很多，例如，在发动机附近时，工作环境极其恶劣的情况之下，这时候紧固剂的使用可能会有一定的影响。

最后是功能橡胶材料在飞机上的应用，为了新的飞机的发展需求，在橡胶材料技术不断发转的过程中，有着打量具有特殊功能的橡胶材料制品被用在飞机上，其中就包括橡胶减震器、橡胶衬垫卡箍（如图3-6所示，橡胶衬垫卡箍）。

橡胶减震器主要用于电气系统、仪器仪表，以及发动机的减震，能够有效地降低震动对零件设备仪器的损害并延长其使用寿命。

橡胶衬垫卡箍主要用于飞机机体以及发动机的电线、管路的固定和减震。

图3-6 橡胶衬垫卡箍
如今，大量的橡胶密封材料的出现足以满足当代飞机的需求，既能够保证飞机的正常运行，又能够提高飞机在运行过程之中的灵敏度和可靠性。

但是，仍然有一部分橡胶密封材料存在着一定的问题和缺陷，但是，时间不断的向前奔跑，科技不断的进步，橡胶材料的不断发展和进步，终究有一天这些缺陷就能够迎刃而解了。

3.3发动机中橡胶材料在飞机上的应用
发动机中橡胶材料的主要作用是对于航空发动机风扇增压级、外部管路、短舱等部位进行减震密封作用，其工作条件远高于橡胶密封材料在飞机上的应用，目前能够满足航空发动机要求的橡胶材料包括氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶等，近年来全氟醚橡胶以优异的性能逐步进入并用于航空发动机中。

航空发动机所使用的橡胶材料主要根据其作用的位置的工作条件为依据，入针对耐油性为要求，航空发动机的滑油系统和燃油系统可以采用耐高温耐油性能游戏的氟橡胶、氟硅橡胶、氟醚橡胶；针对发动机高速旋转轴使用，通常可以考虑摩擦系数较低的氟橡胶或氟醚橡胶，用于制作空气、液压油、滑油系统的高速旋转轴或滑动密封皮碗；对于空气系统及耐高温部位，通常可以考虑使用具有较高耐温性能的硅橡胶材料。

随着航空发动机性能的不断提升，发动机所需要的橡胶材料的工作温度和工作状况也变得越来越苛刻，为了保证航空发动机在飞机正常行驶过程中的安全性和可靠性，对于发
动机短舱部分可能接触火焰的部位，还应满足阻燃、防火、隔热等性能要求。

国外常采用具有阻燃防火隔热功能的硅橡胶型材进行使用。

北京航空材料研究院研制的HM317、HM320防火密封剂, 3.2mm厚橡胶板在1100℃火焰下烧蚀15min也不会烧穿, 且能够有效阻隔火焰的温度, 产品达到了国内领先、国际先进技术水平。

橡胶板在火焰下烧蚀试验照片及烧蚀时火场温度与橡胶板温度对比曲线。

（如图3-7橡胶板在火焰下烧蚀情况和烧蚀时火场温度及胶板背面温度对比）
3-7 橡胶板在火焰下烧蚀情况和烧蚀时火场温度及胶板背面温度对比
为了达到飞机着陆时快速减速的目的, 民用航空发动机短舱都装备有反推装置。

在着陆过程中, 反推装置打开, 利用其反推叶栅、导流板使发动机排气气流发生反转, 起到减速作用。

为保证航空发动机反推装置可靠、安全地工作, 反推装置一般都会采用较多的橡胶密封件, 此类橡胶件多采用织物增强橡胶复合材料结构, 具有耐磨、高强度、长寿命、耐高温等综合特点。

4 结论以及展望
本文围绕橡胶材料的发展出发，探究了橡胶的历史，简要的叙述了从最早期的人们使用天然橡胶到工业橡胶的由来，并提出了橡胶材料发展过程中不可缺少的四环紧密的步骤，简要的介绍了在橡胶材料发展过程中那不可缺少的四环要素的内容和意义。

然后，分别介绍了飞机上所使用的橡胶材料，并对此进行了展开，并加以研究和分析来简单叙说了橡胶材料位于飞机上各个部位的优异性，和在使用过程中种种工作条件给予这些橡胶材料带来的危害。

最后，希望橡胶材料能够顺应时代的发展，变得性能更加有益，并能够减少原材料的使用和对环境的危害，并且能够更好地保障飞机的正常工作。

参考文献
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