密封件復(fù)合材料密封性能研究考核試卷及答案解析一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個正確答案，請將正確選項(xiàng)字母填入括號內(nèi)）1.在密封件復(fù)合材料中，最常用于提高耐化學(xué)腐蝕性的纖維是（）A.芳綸纖維B.碳纖維C.玻璃纖維D.玄武巖纖維答案：C解析：玻璃纖維具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能，且成本低廉，是密封復(fù)合材料中最常用的增強(qiáng)纖維。2.下列關(guān)于聚四氟乙烯（PTFE）基密封復(fù)合材料的表述，錯誤的是（）A.摩擦系數(shù)極低B.耐溫上限可達(dá)260℃C.冷流性小D.對金屬無粘附性答案：C解析：PTFE冷流性大，在持續(xù)載荷下易發(fā)生蠕變，需通過填充改性降低冷流。3.采用氮化硼納米片改性橡膠密封材料，主要改善的性能是（）A.拉伸強(qiáng)度B.導(dǎo)熱性C.氣體阻隔性D.撕裂強(qiáng)度答案：C解析：氮化硼納米片具有片層阻隔效應(yīng)，可顯著降低氣體滲透系數(shù)。4.在ASTMF37標(biāo)準(zhǔn)中，測定墊片材料密封性能時，初始螺栓載荷通常?。ǎ〢.10MPaB.20MPaC.30MPaD.40MPa答案：C解析：ASTMF37規(guī)定初始螺栓載荷為30MPa，以保證可比性。5.對于柔性石墨/金屬波齒復(fù)合墊片，泄漏率隨介質(zhì)壓力的增加而（）A.線性減小B.線性增大C.指數(shù)增大D.先減小后增大答案：C解析：試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，泄漏率與介質(zhì)壓力呈指數(shù)關(guān)系，壓力越高，泄漏率增長越快。6.下列哪種填料可在不顯著降低回彈性能的前提下提高橡膠密封材料耐酸性（）A.炭黑B.硫酸鋇C.滑石粉D.硅微粉答案：B解析：硫酸鋇化學(xué)惰性好，且對橡膠回彈影響小，是耐酸密封常用填料。7.在密封件加速老化試驗(yàn)中，Arrhenius方程主要用于預(yù)測（）A.壓縮永久變形B.泄漏率C.硬度變化D.質(zhì)量損失答案：A解析：Arrhenius方程通過溫度加速老化，外推常溫下壓縮永久變形壽命。8.金屬橡膠復(fù)合密封件中，橡膠層厚度從1mm增至2mm，其最大密封壓力通常（）A.增加10%B.增加30%C.降低D.基本不變答案：C解析：橡膠層增厚導(dǎo)致彈性模量下降，密封壓力反而降低。9.采用真空熱壓法制備碳纖維增強(qiáng)PTFE密封環(huán)時，最適宜的燒結(jié)溫度區(qū)間為（）A.320–340℃B.360–380℃C.400–420℃D.440–460℃答案：B解析：PTFE熔融溫度為327℃，360–380℃可充分熔融又不致分解。10.在GB/T12621標(biāo)準(zhǔn)中，測定墊片泄漏率所用試驗(yàn)介質(zhì)為（）A.氮?dú)釨.氦氣C.空氣D.水答案：B解析：氦氣分子小、易檢測，可提高泄漏率測試靈敏度。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個或兩個以上正確答案，多選、少選、錯選均不得分）11.影響柔性石墨復(fù)合墊片密封性能的主要微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)包括（）A.石墨層間距離B.粘結(jié)劑分布均勻性C.金屬芯板波齒角度D.石墨純度E.墊片密度答案：ABDE解析：波齒角度為宏觀幾何參數(shù)，其余四項(xiàng)均與微觀結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。12.下列措施可同時降低密封復(fù)合材料的氣體滲透系數(shù)與高溫蠕變（）A.引入片狀納米黏土B.提高交聯(lián)密度C.增加增塑劑用量D.采用多軸取向薄膜E.填充空心玻璃微珠答案：ABD解析：增塑劑與空心微珠均會提高滲透并降低強(qiáng)度，故排除。13.在密封件服役過程中，可能導(dǎo)致“吹出”失效的機(jī)制有（）A.內(nèi)壓升高B.螺栓預(yù)緊力松弛C.材料降解D.熱循環(huán)疲勞E.法蘭旋轉(zhuǎn)答案：ABCDE解析：五項(xiàng)均可導(dǎo)致密封面分離或強(qiáng)度下降，引發(fā)吹出。14.關(guān)于橡膠/金屬粘接界面耐久性評價，常用試驗(yàn)方法包括（）A.剝離試驗(yàn)B.剪切疲勞C.鹽霧試驗(yàn)D.熱沖擊E.電化學(xué)阻抗譜答案：ABCD解析：電化學(xué)阻抗譜主要用于涂層評價，對橡膠/金屬粘接不直接適用。15.采用有限元分析密封件壓縮回彈性能時，需輸入的材料參數(shù)有（）A.彈性模量B.泊松比C.應(yīng)力松弛曲線D.摩擦系數(shù)E.熱膨脹系數(shù)答案：ABCDE解析：熱膨脹系數(shù)影響熱載荷下的應(yīng)力重分布，亦不可忽略。三、填空題（每空2分，共20分）16.在ASTMF586標(biāo)準(zhǔn)中，墊片密封性能用“_______泄漏率”表示，單位為_______。答案：質(zhì)量，mg/(s·m)17.柔性石墨的氧化起始溫度在空氣中約為_______℃，加入_______可將其提高至700℃以上。答案：450，磷酸鹽抑制劑18.對于NBR基密封材料，當(dāng)丙烯腈含量由18%增至40%時，其耐油體積溶脹率下降約_______%。答案：60（允許±5%誤差）19.金屬波齒復(fù)合墊片的回彈率要求不低于_______%，測試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為_______。答案：15，GB/T1262220.采用氦質(zhì)譜背壓法測定密封件滲漏時，極限漏率可達(dá)_______Pa·m3/s量級。答案：1×10?1121.在橡膠密封件壓縮永久變形試驗(yàn)中，試樣恢復(fù)時間為_______h，試驗(yàn)溫度為_______℃（NBR標(biāo)準(zhǔn)配方）。答案：30，10022.聚醚醚酮（PEEK）密封環(huán)在干摩擦條件下與316L配副時，其磨損率約為_______×10??mm3/(N·m)。答案：1.2（允許±0.2誤差）23.根據(jù)VDI2290，法蘭連接密封設(shè)計(jì)時，安全系數(shù)S?對氣體介質(zhì)應(yīng)取_______。答案：1.224.碳纖維增強(qiáng)PTFE密封材料的層間剪切強(qiáng)度主要受_______和_______兩個工藝參數(shù)影響。答案：冷卻速率、燒結(jié)壓力25.在密封件壽命預(yù)測模型中，常用_______分布描述泄漏率隨機(jī)變量。答案：對數(shù)正態(tài)四、簡答題（每題8分，共24分）26.簡述柔性石墨/金屬波齒復(fù)合墊片在高溫下泄漏率升高的微觀機(jī)制。答案要點(diǎn)：（1）高溫氧化導(dǎo)致石墨層間剝離，孔隙率增大；（2）金屬芯板波齒高溫屈服強(qiáng)度下降，回彈減??；（3）粘結(jié)劑分解揮發(fā)，界面出現(xiàn)微通道；（4）熱膨脹失配引起波齒與石墨層局部脫粘；（5）氧化產(chǎn)物（CO/CO?）在微孔內(nèi)聚集，形成滲透通路。評分標(biāo)準(zhǔn)：答出任意4點(diǎn)即得滿分，每點(diǎn)2分，邏輯清晰2分。27.對比純PTFE與15%青銅粉填充PTFE密封環(huán)在海水工況下的性能差異，并給出機(jī)理。答案要點(diǎn)：（1）導(dǎo)熱性：青銅填充后導(dǎo)熱系數(shù)提高3倍，降低摩擦熱積聚；（2）耐磨性：青銅顆粒承載海水中的硬質(zhì)顆粒，減輕磨粒磨損；（3）抗蠕變：青銅抑制PTFE分子鏈滑移，壓縮永久變形下降40%；（4）耐蝕性：青銅易海水腐蝕，需添加緩蝕劑；（5）電偶腐蝕：與鈦合金法蘭配對時，需絕緣隔離。評分標(biāo)準(zhǔn)：每點(diǎn)1.5分，條理與總結(jié)2分。28.說明采用氦質(zhì)譜吸槍法現(xiàn)場檢測大型換熱器密封點(diǎn)泄漏的操作步驟及注意事項(xiàng)。答案要點(diǎn)：（1）系統(tǒng)停機(jī)泄壓至安全值，清潔密封面；（2）用塑料袋罩住密封點(diǎn)，注入氦氣至10%濃度；（3）吸槍探頭以≤10mm/s速度沿焊縫移動；（4）本底氦濃度應(yīng)＜1×10??，避免大風(fēng)環(huán)境；（5）發(fā)現(xiàn)信號＞1×10??Pa·m3/s時，標(biāo)記并復(fù)測；（6）檢測完畢用氮?dú)獯祾?，防止氦殘留干擾下次檢測。評分標(biāo)準(zhǔn)：步驟完整6分，注意事項(xiàng)2分。五、計(jì)算與分析題（共41分）29.（10分）某NBR密封圈截面為圓形，線徑d=5mm，安裝槽深h=4mm，槽寬b=6mm，工作油溫100℃，初始壓縮率20%。已知NBR線膨脹系數(shù)α=2×10??K?1，求100℃時實(shí)際壓縮率，并判斷是否滿足≥15%的設(shè)計(jì)要求。答案：初始壓縮率ε?=20%→初始壓縮量Δh?=0.2×5=1mm熱膨脹后線徑d′=d(1+αΔT)=5(1+2×10??×75)=5.075mm槽深不變，新壓縮量Δh′=d′?h=5.075?4=1.075mm實(shí)際壓縮率ε′=Δh′/d′=1.075/5.075=21.2%結(jié)論：21.2%＞15%，滿足要求。評分：計(jì)算8分，結(jié)論2分。30.（15分）柔性石墨復(fù)合墊片外徑120mm，內(nèi)徑80mm，試驗(yàn)壓力p=5MPa，螺栓圓直徑Db=150mm，初始螺栓載荷Fb=30kN。測得氦氣泄漏率L=1.2×10??mg/(s·m)。（1）計(jì)算墊片密封比壓y；（2）按GB/T12621換算為氦氣體積泄漏率Qv（cm3/min）；（3）若允許泄漏率為1×10?3cm3/min，判斷合格與否。答案：（1）墊片面積A=π/4(1202?802)=6.28×10?3m2密封比壓y=Fb/A=30×103/6.28×10?3=4.78MPa（2）氦氣密度ρ=0.178kg/m3Qv=L·π·Dmean/ρ=1.2×10??·π·0.1/0.178=2.11×10??mg/(s·m)換算：2.11×10??mg/s=1.27×10?2cm3/min（3）1.27×10?2＞1×10?3，不合格。評分：每問5分，單位換算正確給分。31.（16分）某碳纖維增強(qiáng)PTFE密封環(huán)在干摩擦試驗(yàn)中，載荷F=200N，轉(zhuǎn)速n=300r/min，時間t=2h，內(nèi)徑60mm，外徑80mm，寬度h=10mm，試驗(yàn)后質(zhì)量損失Δm=3.2mg，密度ρ=2.1g/cm3。（1）計(jì)算滑動距離S；（2）求體積磨損率Wv（mm3/(N·m)）；（3）若允許磨損率為1×10??mm3/(N·m)，判斷是否合格；（4）提出兩條降低磨損的改進(jìn)措施并說明理由。答案：（1）平均直徑Dmean=70mm，線速度v=πDmean·n/60=1.1m/sS=v·t=1.1×7200=7920m（2）磨損體積ΔV=Δm/ρ=3.2×10?3/2.1=1.52mm3Wv=ΔV/(F·S)=1.52/(200×7920)=9.6×10??mm3/(N·m)（3）9.6×10??＜1×10??，合格。（4）措施：①添加5%納米Al?O?，提高硬度并降低粘著磨損；②表面激光織構(gòu)化，儲屑排屑，減少磨粒磨損。評分：計(jì)算12分，措施4分。六、綜合設(shè)計(jì)題（20分）32.某LNG船用低溫球閥（?162℃）密封副需設(shè)計(jì)一種復(fù)合材料密封環(huán)，要求：①泄漏率≤1×10??Pa·m3/s（氦氣）；②承受壓力波動0–5MPa，循環(huán)10?次；③與316L不銹鋼配對，不可發(fā)生電偶腐蝕；④密度＜2.5g/cm3，以減輕閥桿操作力矩。請給出材料體系、增強(qiáng)形式、成型工藝、關(guān)鍵性能指標(biāo)及驗(yàn)證方案。答案示例：材料體系：PCTFE（聚三氟氯乙烯）基體+10%體積分?jǐn)?shù)空心玻璃微珠（密度0.4g/cm3）+5%定向芳綸短纖（長度3mm）。增強(qiáng)形式：芳綸纖維沿環(huán)向取向，提高低溫韌性；微珠降低密度并抑制裂紋擴(kuò)展。成型工藝：冷壓燒結(jié)—模壓壓力50MPa，燒結(jié)溫度250℃，保溫2h，隨爐冷卻至60℃以下。關(guān)鍵指標(biāo)：密度2.1g/cm3；?196℃下沖擊強(qiáng)度≥15kJ/m2；壓縮永久變形（?162℃，24h，20%壓縮）≤8%；氦氣泄漏率（5MPa，室溫）≤5×10