飞机整体油箱密封剂修补性研究

刘朝妮，宋英红，杨贵强，丁 烁

（1中国商飞上海飞机设计研究院，上海 201210；
2中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

飞机服役过程中经常会出现油箱密封修补情况[1-2]，因此，密封剂材料的修补性是其应用性能的重要部分。对密封剂材料修补性能评价，需综合考虑材料的应用环境，全面评价材料的粘接性能和耐介质性能，以及材料自身被修补性能和对其他材料的修补性等等。在大多数材料标准中，对密封剂材料的修补性要求一般为密封剂与密封剂的粘接性能[3-5]，但仅此一项，不足以反映密封剂实际修补情况。

本文基于油箱修补工况，从密封修补功能的性能关联分析，研究了待修补涂层老化、密封剂老化对其修补性能影响，进一步分析密封剂的粘接性能和耐介质性能对修补性的影响，为密封剂修补性能表征和选材应用提供参考。

1.1 原材料

密封剂A，低密度改性聚硫密封剂，北京航空材料研究院股份有限公司；
454-4-1/CA-109/TL-52环氧底漆，诺贝尔；
3号喷气燃料，大庆石化公司炼油厂；
氯化钠，分析纯，国药集团化学试剂公司。

1.2 实验设备

M115老化试验箱，德国宾得；
Instron 3366高低温电子拉力试验机，Instron公司；
Quanta 600型环境扫描电镜（ESEM），美国FEI公司；
MicroMR-CL-I型橡胶交联密度测定仪，苏州（上海）纽迈电子科技有限公司；
邵尔A型硬度计，上海六菱仪器厂。

1.3 测试与表征

（1）密封剂与涂层粘接性能：根据油箱工况，在涂有环氧底漆的69.8mm×152mm×1.02mm标准试片上，设计涂层老化典型试验件，如图1所示。对涂层进行60℃×30d喷气燃料老化后，冷却至标准条件（23±2 ℃,50%±10% RH）取出试片，并在标准条件下放置2d后除去保护密封剂，与未老化的环氧底漆试片，按AS5127/1进行剥离强度试验件的制备和测试。

图1 涂层老化试验件Fig.1 Aging specimen of coating

（2）密封剂与密封剂粘接性能：按AS5127/1修补性试验方法，进行密封剂A与自身及其他两种同类密封剂的修补试验件制备和测试，待修补密封剂条件包括密封剂标准硫化和密封剂在3号喷气燃料60℃×3d→49℃×3d空气干燥→121℃×7d空气老化后两种。

（3）密封剂粘接性能：按AS5127/1剥离强度试验方法进行。

（4）密封剂拉伸性能：按AS5127/1拉伸强度和拉断伸长率试验方法进行。

（5）密封剂硬度：按ASTM D2240测试Shore A型硬度。

2.1 涂层喷气燃料老化对密封剂修补性能影响

对喷气燃料老化前后的涂层进行密封剂的粘接性能试验，剥离强度试验结果如图2所示。由图2可见，涂层的喷气燃料老化对聚硫密封剂在涂层上的修补性能影响不大，表现为涂层上有无密封剂保护、涂层是否进行喷气燃料老化，密封剂在涂层上的粘接剥离强度变化不大，且内聚破坏率均为100%。

图2 涂层老化对密封剂修补性能影响Fig.2 Effects of coating aging on sealant repairing performance

图3为喷气燃料老化前后涂层的扫描电镜照片，对比图3(a)、3(b)可见，喷气燃料老化前后涂层的表面形貌和粗糙程度无明显变化。

图3 涂层耐油前后扫描电镜照片Fig.3 SEM images of coating before and after jet fuel aging

因此，经试验设计和对比，涂层经喷气燃料老化后，喷气燃料对涂层无明显影响，经正常清洁程序除去表面残余喷气燃料后，不影响其表面密封剂的修补性能。反应于日常飞机油箱维修过程中，耐油后的漆层表面，可同样实现密封修补。

2.2 待修补密封剂老化对其表面修补性能影响

模拟飞机油箱密封剂老化情况，考查密封剂先后经喷气燃料、热空气老化后，密封剂A对不同密封剂修补性能的变化，结果如图4所示。

图4 待修补密封剂老化前后修补剥离强度Fig.4 Repairing peel strength of the repaired sealant before and after aging

由图4可知，同样用密封剂A进行修补，同样为100%内聚破坏率，老化前后不同密封剂待修补性表现不同。密封剂A进行自我修补时，密封剂老化前后修补剥离强度差别不大；
而密封剂A修补其他密封剂时，老化前后修补剥离强度变化明显，表现为密封剂A + 密封剂1老化后修补剥离强度变大，密封剂A + 密封剂2老化后修补剥离强度变小。

进一步对三种密封剂的力学性能和老化性能进行对比试验，结果见表1。

表1 试验密封剂的力学性能和老化性能Table 1 Mechanical and aging properties of the sealants for test

由表1可见，密封剂A、密封剂1、密封剂2在剥离强度、拉伸性能和老化性能方面有较大差别，进而影响其修补性能。密封剂1剥离强度、拉伸性能均低于密封剂A，密封剂A对其常温修补后，破坏发生在密封剂1层内，而其常温修补剥离强度略高于密封剂1的剥离强度，这主要是由于密封剂修补性试验件厚度大于剥离强度试验件造成；
密封剂2剥离强度、拉伸性能高于密封剂A，密封剂A对其常温修补后，破坏发生在密封剂A层内，其常温修补性接近密封剂A的剥离强度。而分析三种密封剂的老化特性可知，密封剂A和密封剂1老化后，拉伸强度增大，而拉断伸长率降低，通过密封剂硬度和交联密度可进一步证实密封剂交联密度变大、硬度变大。此时，待修补层硬度明显高于修补层密封剂，破坏发生在上层的密封剂A。而密封剂2老化后，拉伸强度降低，拉断伸长率增大，密封剂硬度降低，交联密度变小，导致修补层密封剂强度和硬度均高于待修补层，破坏则发生在底层待修补密封剂。

因此，待修补密封剂的老化行为对其表面修补性有较大影响，当待修补密封剂老化性能良好，未出现交联密度降低、硬度降低等降解迹象时，对其修补后，破坏一般发生在表层修补密封剂，可实现密封修补。而当密封剂出现交联密度降低、硬度降低等降解迹象时，直接修补将导致破坏仍发生在待修补层，修补不具意义。因此，在实际飞机油箱修补过程中，如发现密封剂出现明显变软或表面发粘等现象，应彻底清除后进行修补。

（1）油箱密封剂的修补性评价，需综合考虑密封剂对喷气燃料老化前后涂层和密封剂的修补情况。

（2）设计的涂层老化典型试验件和条件，代表了油箱典型的修补工况，研究结果表明，密封剂对涂层的粘接性能可表征密封剂对油箱涂层的修补性。

（3）密封剂对密封剂的修补性，受修补和待修补密封剂的粘接性能、强度和耐老化性能影响。标准硫化密封剂的修补，破坏一般发生在强度较低的密封剂层；
而老化后的密封剂，其修补后的破坏与密封剂的耐老化性能直接相关。

（4）密封剂A 低密度改性聚硫密封剂具有良好的修补性。