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高性能复合材料的研究及在液压与气动密封中的应用

李振环1朱斌

2

（1.合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031；

2.福建省闽旋科技股份有限公司，福建 泉州 362000）

摘要：介绍了高性能复合材料的研究内涵及部分复合材料的物理机械性能，指出

了高性能复合材料密封制品机械加工方法，通过在旋转接头、泵、阀门、压力容

器、压缩机、试验装置等机械产品液压与气动密封中的应用，反映出应用性能可

靠，使用寿命长等优良效果。

关键词：高性能复合材料；研究内涵；性能；加工技术；应用；效果

Research of high performance composite materials and theapplication in hydraulic and pneumatic seal

Li Zhenhuan1 Zhu Bin2

(1.Hefei General Machinery Research Institute, Hefei 230031,China;

2.FuJian Minxuan Technology Co.,Ltd.Quanzhou 362000,China)

Abstract：The research connotation of high-performance composite materials and

physical mechanical properties of partly composite materials are introduced.The

machinery processing methods of seal products with high-performance composite

materials are pointed out.Through the application in rotary joint,pump,valve,pressure

vessel,compressor,test device and other hydraulic and pneumatic sealing machinery,it

shows reliable application performance,long service life and other excellent effects.

Key words: high performance composite materials, research connotation,

performance, processing technology, application, effect.

前言

现代科学技术的进步，致使国内外多种特性功能的高分子材料层出不穷，由

于纳米技术的升级、纳米填料的更新换代和品种增多[1]、表面处理技术的创新发

展[2]，生产工艺的现代化、制造设备的自动化、连续化、智能化、高效率生产等

诸多因素给力、给高分子复合材料赢得了快速发展的机遇。目前市场上呈现的高

分子材料有：PEEKK、PEEK、PI、PTFE、POB、PPL、PPO、PPS和 HNBR、

ACM、FKM、FFKM等工程塑料和橡胶品种众多[3-8]，这些新型高分子材料给高

分子复合材料的制造奠定了原料基础。高分子复合材料或多元高分子复合材料的

技术发展，给解决现代机械设备发展中的密封、防腐蚀、自润滑、摩擦磨损、高

低温使用工况和长寿命等问题带来了良机[9-13]。高分子复合材料或多元高分子复

合材料的制造，是指用一种或者两种及更多种高分子材料为基础原料，通过发挥

2

高分子材料的固有特性和相容性及填料的选择、表面处理技术的应用、最佳用量

匹配和辅助原料的确定、加工工艺等因素，确定配方利用特种设备制造的复合材

料。它可根据用户对产品的性能结构特点、生产数量、产品价格及使用寿命等诸

多因素的要求，更为科学合理地设计高分子复合材料的配方及生产工艺，尽而生

产出物美价廉的产品，使其更符合实际生产需要，达到提高材料利用率、降低生

产成本，使用性能可靠的目的。面对高分子复合材料突出的众多特点和使用配置

灵活、广泛应用蓬勃发展等优势，我院与闽旋科技股份有限公司联合开展了用高

新技术研究复合材料性能及在液压与气动系统密封领域中的应用。

1 高性能复合材料的研究

研究高性能复合材料的内涵，包括使用性能优良的基础高分子材料、纳米填

料品种、表面处理技术、原材料配合理论及各组份含量，混合、制造设备与加工

工艺、复合材料物理机械性能测试等等诸多方面。在现代科技理论的指导下，研

究高性能复合材料并与实际应用相结合，既要保证复合材料高质量，又要满足绿

色制造、节能、降耗等要求，我们以党的十八大深入贯彻落实科学发展观的宗旨，

实施以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的科技创新模式，进行了以下研

究工作。

高性能复合材料的研究是指高分子复合材料和多元高分子复合材料研究的

内涵，根据众多行业液压与气动系统用密封制品的共性特点，重点开展了耐高、

低温、耐磨损、耐腐蚀、低摩擦系数、长寿命等高性能复合材料的研究[15-21]，与

此同时还开展了密封制品加工技术研究。经过多年的研究和应用，现已形成了用

PEEKK、PEEK、PI、PTFE、POB、PPL、PPS等多种复合材料或者多元高分子

交替匹配构成的复合材料组合体系，它们的性能特点分别有耐高、低温型、高强

度型、低摩擦磨损型、高抗冲击型、耐疲劳型、耐腐蚀型、耐超低温型、长寿命

型、耐老化型、特殊润滑型、高价位型、低价位型、中价位型及综合性能优良型

的多元高分子复合材料。

其中有用 PI、PEEK、PEEKK、PTFE、POB等高分子材料填加不同的填料，

如：碳纤维粉、玻璃纤维粉、氮化硅粉、金属粉、陶瓷粉、石墨粉、二硫化钼粉、

纤维、碳纳米管、膨化石墨等制造的高性能复合材料。

多元高分子复合材料是指用两种或多种特种工程塑料为基础原料，在机械设

备和一定的工艺条件下，迫使多种高分子材料紧密接触增加其相容性，通过物理

化学作用，可改性为兼备多种材料特性的复合材料。经过不同填料的添加和特殊

的生产工艺制成的高性能新型复合材料，使其更符合实际生产需要，提高了材料

利用率，降低了生产成本、使用性能可靠的目的。

2 高性能多元高分子复合材料的性能

3

现将部分高性能多元高分子复合材料的性能介绍如下：

典型复合材料的性能见表 1、2。

表 1 通用型复合材料的性能

表 2 中价位复合材料的性能

2.1 以 PI为主体的多元高分子复合材料的性能

该类高分子复合材料是以全芳香族聚酰亚胺树脂[16]为主，与其他少量相容性

树脂共混和填加特殊的填充材料，运用高新加工成型技术和设备制造出来的。它

有不同的等级和优良的复合材料物理机械性能及系列产品标准，具有耐超高、低

温、耐磨损、耐电器绝缘、耐等离子体、耐放射线、耐化学介质、耐润滑脂、油、

溶剂、耐高真空、低压缩变形及优良的机械加工性能。其性能指标和可调整技术

范围见表 3。

性能 单位 测试结果

密度 g/cm3

1.34

拉伸强度 MPa 72

伸长率 % 3.1

弯曲强度 MPa 96

弯曲模量 GPa 3.4

压缩强度 MPa 116

摩擦系数 0.22

硬度 肖氏 78

性能 单位 测试结果

密度 g/cm3

1.43

拉伸强度 MPa 88

伸长率 % 5

弯曲强度 MPa 128

弯曲模量 GPa 4.8

压缩强度 MPa 132

摩擦系数 0.16

硬度 肖氏 66

4

表 3 性能指标可调整范围

性能 单位 可调整的技术

指标范围

拉伸强度 MPa 40～88断裂伸长率 % 1.2～8弯曲强度 MPa 60～110弯曲弹性模量 GPa 2.1～3.6压缩强度 MPa 50～1181%应变 MPa 20～36

压缩弹性模量 GPa 1.2～2.8剪切强度 MPa 60～90冲击强度 J/m 20～40摩擦系数 0.10～0.28线膨胀系数

（-60～300℃）1×10-5cm/℃ 3～6

介电常数

102～106Hz 3～15

比重 g/cm3 1.36～1.8硬度 肖氏 30～80

使用温度范围 ℃ -120～300（350℃短期）

2.2 以 PEEK或 PEEKK为主体的多元高分子复合材料的性能

该类高分子复合材料[17]是以全芳香族聚芳醚酮类树脂为主，与其他少量相容

性树脂共混和填加特殊的填充材料，其中包括用表面处理技术处理过的纳米填

料，运用高新加工成型技术和设备制造出来的。该材料机械性能优良，是韧性和

刚性兼备并取得平衡的特种材料，耐疲劳性可与合金材料相媲美。此外，还具有

优异的滑动特性，适用于做低摩擦系数和高耐磨损的动、静密封制品及配件。可

耐除浓硫酸及一些强氧化性的介质以外的任何化学试剂的腐蚀。吸水率很低，具

有优异的电绝缘性、耐辐射性和耐天候老化性能，适用于做耐温范围-40～350℃

范围内的密封制品。其性能指标和可调整技术范围见表 4。

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表 4 性能指标可调整范围

性能 单位 可调整的技术

指标范围

密度 g/cm3 1.32～1.51拉伸强度 MPa 60～150断裂伸长率 % 2～8弯曲强度 MPa 80～160弯曲模量 GPa 2.6～12压缩强度 MPa 118～146压缩弹性模量 MPa ≥1200摩擦系数 0.13～0.30硬度 肖氏 35～80体积电阻 Ω.cm ≥1016成型收缩率 % 0.1～2.0线膨胀系数 1/℃ 1.1～4.8×10-5

2.3 以 PTFE为主体的多元高分子复合材料的性能

该类高分子复合材料是以聚四氟乙烯[18]为主，与其他少量相容性树脂共混和

填加特殊的填充材料，运用高新加工成型技术和设备制造出来的。该复合材料具

有优异的耐高低温性能，最高工作温度可达 280℃，低温下具有良好的机械韧性，

即使温度下降到-196℃，理论上也可保持 5%的伸长率。具有优异的耐腐蚀性能，

对大多数化学药品和溶剂表现出惰性，能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂，是优

秀的固体润滑材料。其性能指标和可调整技术范围见表 5。

表 5 性能指标可调整范围

性能 单位 可调整的技术

指标范围

拉伸强度 MPa 15～45拉伸弹性模量 GPa 1～2.5断裂伸长率 % 10～300压缩强度 MPa 30～65弯曲强度 MPa 22～45线热膨胀系数

（23～100℃） m/(m.K) 4.5～10×10-5

硬度 30～60

6

摩擦系数

干摩擦

水摩擦

油摩擦

///

0.11～0.280.016～0.041

0.1～0.2磨耗量 % 0.05～0.1

使用温度范围 ℃ -160～280

3 高性能复合材料制品机械加工技术

3.1 机械加工技术

复合材料或多元高分子复合材料制品由于具有优良的综合物理机械性能，因

而利用常规的机械加工刀具只能加工部分产品，对于高强度、耐磨损、耐高温、

高精度要求的制品加工是比较困难的，必须使用碳化物或金刚石刀具，才能获得

高效率、长寿命的效果。因此在进行车削加工时，切削速度、进刀速度要比加工

普通制品的速度低，铣削、钻孔等也应如此。最好的方法是在加工前对制品毛坯

退火，在机械加工或精加工过程中，切削点形成的局部升热，可能导致材料出现

局部应力集中，为了消除内应力对加工好的制品的工作性能的影响，要对大批量

零件在机械加工和精加工后，最好再进行二次退火处理，退火温度和时间根据产

品的结构和尺寸而确定。

3.2 水射流切割加工技术

水作为廉价的资源已成为人类生活中不可缺少的组成部分，水资源的巧妙利

用是现代科学技术研究的重要内容之一。我们经过多年的努力，已在水设备应用

领域研究中取得了清洗、除锈、切割、特殊喷射等多项技术成果。利用这个独特

的优势，进行了水射流切割高性能复合材料或者多元高分子复合材料制品加工技

术的研究。

试验用WJ250型切割机组，该机组由主机、超高压泵计算机控制及系列切

割平台三大部分组成。该机组除切割外还可用于钻孔、磨削、抛光、镂刻等加工

工艺。

试验时先将要切割的工件尺寸输入到计算机内，经识别认可及模拟实验运行

无误后，再将要切割的工件固定在切割台上，然后打开主机，把水加压至 100～

128MPa的超高压力，经水喷出，再加入特定磨料，水与磨料的混合液通过 0.8mm

直径的磨料喷嘴以超音速作用于工件上，完成对工件的切割。

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试验证明，水射切割机组具有以下特点：①对材料无选择性，无热力效应产

生；②切割质量好；③可从任意点开始切割成任意复杂的图形；④无环境污染；

⑤操作简单，控制全面准确、系统运行稳定。所以水射流切割加工技术是加工高

性能复合材料或者多元高分子复合材料制品较好的选型设备。

3.3 精加工技术

为了满足某些特殊制品的精度要求，还要制造专门设备和器具对多元复合材

料制品进行精加工。这样虽然加工和制品费用增加了，但保证了制品的使用要求。

4 高性能复合材料在液压与气动系统密封中的应用

在液压与气动系统密封领域中，常用的高性能复合材料或者多元高分子复合

材料密封制品结构形式有 O形、碟形、瓣形、圆弧形、U形、V形、唇形、波

形、凸形、凹形、山形、组合形（橡胶金属与其组合或橡胶与其组合）、矩形、

楔形等等，多种多样的密封制品是根据产品的使用工况和管路连接的形式决定

的，其目的是通过密封制品结构形式和尺寸的调整，来适应其使用工况和对摩擦

系数、应力应变、密封追随性、润滑、密封等密封相关技术参数和寿命的要求。

现将应用情况与部分应用产品照片简述如下：

4.1在旋转接头密封中的应用情况

旋转接头是将流体介质由固定管路输送到旋转或摆转一定角度的管道、设备

中去的流体动密封装置。产品在造纸、钢铁、瓦楞、纺织、印染、橡塑、化工、

汽车等行业广泛应用。在旋转接头的设计和应用中，摩擦副材料是极其重要的部

分[20]。闽旋公司新的研究成果说明，在某些工况条件下，用高性能多元高分子复

合材料制造的碟型密封环在旋转接头的应用中得到了满意的使用效果[21]。

4.2泵行业应用情况

新型复合材料导轴承，用于舰船立式水泵上，由于舰船泵的运行工况条件十

分恶劣，偏摆大，造成对轴承的径向力大，再加上我国东海海域泥沙含量大，以

往使用衬胶及其他复合材料轴承出现维修频繁、使用寿命短等问题，采用新型复

合材料轴承后，耐磨损能力大大加强，使用寿命延长。采用该复合材料制造的隔

板、口环、密封圈等产品，在潜水泵中取得了广泛的应用，已全面替代了原有的

铜质产品，有效延长了主机的使用寿命，降低了配件成本。

磁力泵中使用的滑动轴承，温度：-45～65℃；介质：65#防冻液；压力：0.5MPa；

转速：11000rpm，在这种工况下，对材料要求较高，用多元高分子复合材料很好

地满足了该类工况要求。

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新型轴套组件是采用多元高分子复合材料和金属压制而成，比以往橡胶-金

属硫化件耐磨性和耐温性更好，而且具备优异的耐腐蚀性，已成功应用于潜水泵

中。

4.3阀门行业应用情况

专为高压气动喷射阀阀杆研制的新型配方，产品工况：压力 25MPa；介质：

常温工业水；阀杆运动频率：2次/min，目前正在应用考核中。

高温卸灰球阀中采用的复合材料阀座，使用工况恶劣，温度 250℃以上，压

力 1MPa，煤灰介质，替代金属阀座后，取得了较好的试验效果。

4.4压力容器行业应用情况

专为高压反应釜设计的特种垫片，要求无毒环保、耐高压、高强度和强韧性，

工作压力 35MPa，每天开启 4次。目前该产品使用效果很好，使用寿命已达 1

年以上。

4.5 压缩机行业应用情况

配套在全无油自润滑压缩机上的阀片（芯），材料性能良好，耐磨损，使用

寿命长，使用性能安全可靠，改变了以往使用聚四氟乙烯复合材料耐冲压性能差、

易变形的弱点以及尼龙材料不耐磨损、使用寿命短的缺点。随后又相继开发出了

用于压缩机的多瓣密封环，完成了宝钢的进口氢气压缩机的三瓣密封环的国产化

替代工作，该压缩机的工况条件恶劣，（压力：60MPa；温度：260℃，含有催化

剂硬质颗粒等杂质），经现场运行考核，完全达到了进口产品的运行寿命和密封

性能。专为多级往复式压缩机研制的复合材料的制品配方使用效果良好。高压段

工况：温度 220℃，排气压力 25MPa。多级离心鼓风机工作介质为混合气体，有

一定的腐蚀性，进口温度 80℃，进口压力 0.093MPa，排气压力要求达到 0.12MPa，

排气量 5700kg/h，排气温度要求低于 150℃，之前使用的铝合金梳齿密封环不能

满足其要求，采用多元高分子复合材料制造后，该机组目前已稳定运行 6个月，

密封效果良好，排气效率稳定，现仍在继续运行。

4.6 多元高分子复合材料橡胶金属组合密封制品

在 35MPa液压疲劳试验装置中，采用了复合材料、橡胶及金属组成的组合

密封，得到了满意的试验效果。试验装置主要技术参数：高压缸最高排出压力：

35MPa；高压段压力循环幅度：0～35MPa；高压缸柱塞直径：18mm；低压缸直

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径：75mm；柱塞最大行程：146mm；高压缸柱塞最大行程容积：37cm3；高低

压缸柱塞面积之比：1∶14；压力循环速度：10次/分。

下图为部分应用产品照片：

图 1 碟型密封环 图 2 导轴承 图 3 隔板、密封环

图 4 磁力泵用滑动轴承 图 5 复合材料与金属组合件 图 6 阀片（芯）

图 7 耐高温、高强度导向环、活塞环 图 8 剖分式气封环、气封环内圈

图9 高压阀阀杆用密封圈 图10 球阀阀座 图11 高压反应釜用特种垫片

10

图 12 其他产品（如隔膜、O形圈、分瓣环、L形密封圈等）

5. 结束语随着流体力学、热力学、传热学、材料学、摩擦学、固体力学等学科基本理

论的进步，密封理论将朝着解决极端条件下传热、变形、磨损和微尺寸下的流动

特性等方向发展。《中国机械工程技术路线图》中指出，泵、阀、压缩机等高端

机械产品的生产工艺参数进行专用设计、个性设计和制造，研发使用于新工艺的

高系数、高性能密封材料及密封件，使密封装置在极端条件和最佳设计工况下安

全、稳定、长时间运行。按照这个要求，我们的前程是任重而道远，因此必须从

全球的视野、吸取和消化国内外先进的技术资源，对重大装备用密封件的材料、

结构、加工工艺等关键性技术，组织行业技术联合创新发展[22]。

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作者简介：1.朱斌，高级工程师，福建省闽旋科技股份有限公司董事长，主

要从事旋转接头及相关机械密封的研发制造。

2.李振环，教授级高工，现从事高性能高分子复合材料的开发及应用的指导

工作。