聚合材料在流體密封中扮演重要的角色。許多類型的密封基本上或完全由這類材料制成,而其他類型的密封至少其一些關鍵部件由聚合材料制成。聚合材料是本章用來說明彈性體材料(橡膠)和塑料的一個術語。這兩種材料都具有長鏈分子結構并經常與其他成分復合,形成具有適合特定要求的特殊的工程材料。這類復合材料通常都是專利,制造商一般不透露其復合和加工細節。雖然這些聚合材料通常以基體聚合物名字加以引用,很明顯,它不完全決定該材料。舉例來說,在密封中使用所配制的腈橡膠就有若干個不同型號。
本節重點研究那些具有彈性性能的聚合體材料,因為這些材料在密封中最有價值,并結合圖例說明影響聚合體密封性能的關鍵概念。PTFE(聚四氟乙烯),一種熱塑性材料,也是密封中廣泛使用的聚合材料。彈性體和橡膠這兩個術語在流體密封技術中通常互換使用,在本節中也如此。
彈性體的優點
彈性體材料因其具有以下獨特的有價值的物理特性,在流體密封中特別重要:
1)低楊氏模量昱和大斷裂伸展率(IOO%或更高)的組合這使得橡膠能夠適應密封、腔體和配合面尺寸的大的制造公差,而接觸應力保持在可接受范圍內。圖1-15示出了各種硬度(硬度與E有關,見表I-l)的密封彈性體的斷裂伸展率。
2)接近0.5的理論極限的高泊松比v這反映出橡膠的本質不可壓縮性;事實上,可壓縮性類似于液體,象這類橡膠能夠向各個方向均勻傳遞流體靜壓力。具體地講,軸向作用于橡膠密封上的流體壓力以流體靜壓力方式傳遞,產生相近大小的作用于密封界面的徑向應力。
3)結合了不可壓縮性的低剪切模量G這使得橡膠可以在不改變體積的情況下容易地改變形狀,因此,橡膠密封能夠適應其腔體的形狀。因此,傳統的矩形槽中的橡膠0形圈當一側處于流體壓力下時截面基本為矩形。
彈性體具有一些相同特征的基本物理性能,這些性能提出了重要的工程限制范圍,如下:
1)流體吸收流體在橡膠的表面溶解,然后擴散到內部。根據具體的流體和橡膠,這一過程將持續到濃度達到平衡水平時為止。吸收流體的效應是橡膠膨脹和變軟。在氣體場合下,突然減壓能夠導致爆炸性膨脹,因為氣體會從橡膠里面的溶液中逸出;可能造成嚴重的損壞。
2)隨著溫度降到臨界溫度—-玻璃態轉變溫度T,橡膠逆變成玻璃對于大多數密封彈性體,T低于室溫很多。圖1一16示出了幾種規格的hrBR和FPM彈性體的Te值的范圍。轉變雖不劇烈,但或多或少地逐步發生在以彈性為最小的溫度為中心的一個溫度帶上。在該溫度帶上,彈性體性能更象皮革而不是橡膠。在該溫度下工作的橡膠密封不會以和材料遠高于r。時一樣的流體靜壓力方式傳遞流體壓力,從而導致泄漏。該泄漏在較高溫度下消失。
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