氟硅橡胶在碳罐控制阀中的应用

众所周知，碳罐控制阀是控制碳罐中的燃油蒸汽进入发动机气缸内参与燃烧的阀件，其主要工作原理是：ECU给出脉冲信号控制电压，使阀内部电磁线圈通电产生电磁力，控制阀克服复位弹簧的弹力，向下开动阀片，打开通气孔，使碳罐内的混合油气在进气歧管的负压下吸入发动机参与燃烧。简单来说，碳罐控制阀在ECU的控制下发生连续开/关动作。如图1所示，密封垫、阀组件在电磁感应力以及汽油压力的作用下反复发生开/关动作。

图1. 碳罐控制阀的内部结构

值得一提的是，在无控制信号或脉冲信号的状态下，橡胶密封垫的回弹力加上复位弹簧的弹力将动阀片复位，这使得碳罐控制阀拥有了部分密封效果。由于密封垫长期处于高温工作环境，长时间的使用会导致其被燃油溶胀发生老化现象，逐渐丧失吸收缓冲能量和密封的售后碳罐控制阀维修数据分析发现，密封垫老化带来的异响及异味问题在碳罐控制阀维修中的占比高达56%。一般情况下，企业采用的是氯丁橡胶作为密封材料，但随着人们对汽车零部件质量、国家环保法规要求的提高，氯丁橡胶较低的耐高/低温、耐有机溶剂、稳定性已经无法满足需要。经过长安汽车的研究发现：采用氟硅橡胶代替氯丁橡胶作为密封材料，可带来更多的性能优势。

针对碳罐控制阀的使用条件，对氯丁橡胶与氟硅橡胶的性能进行对比

◆耐有机溶剂性能

与氯丁橡胶相比，氟硅橡胶的耐油、耐溶剂、耐化学品性均表现优异；在相同介质、温度、时间下，浸渍两种橡胶材料后,氟硅橡胶仍显示出优良的性能。经过多项研究发现，氟硅橡胶是唯一一种可在-68℃～232℃下都展示出极佳的耐非极性介质的弹性体。

此外，氟硅橡胶的耐含甲醇汽油性也比较好，即使在汽油/甲醇（85vol%/15vol%）混合体系中，其硫化胶的硬度、拉伸强度、体积变化都很小，而在长达500h的浸渍试验后，其各项物理特性也几乎不会发生变化。

◆耐高温性能

氟硅橡胶的高温稳定性远优于氯丁橡胶。氯丁橡胶在150℃下只能短期使用，在90～110℃下可使用四个月。而氟硅橡胶在200℃的温度下才开始氧化老化。然而通过添加铁、钛、稀土类氧化物等少量的热稳定剂后,其在250℃高温下也具有足够的稳定性。国外研究了氟硅橡胶在150℃×2000h、175℃×5000h、200℃×4000h条件下的使用寿命，其结果仅次于甲基乙烯基硅橡胶的性能。

◆低温性能

氟硅橡胶低温性能良好，远优于氯丁橡胶。由于氟硅橡胶是以柔软的Si-O为主链构成的线型高聚物，远优于结构规整、有极性且内聚力大的氯丁橡胶分子。在低温下，氯丁橡胶的分子热运动受到极大限制，而在拉伸变形后也很难恢复原状，即产生结晶，会导致橡胶失去弹性，甚至发生脆折断裂现象。氯丁橡胶结晶的范围为-35℃～32℃，脆折温度为-35℃～40℃，而氟硅橡胶可在低于-30℃的温度下长期使用。

◆电性能

氯丁橡胶由于分子中含有氯原子，电绝缘性不好，其介电常数为6-8（1000C/s），仅适用于600V以下的低电压，常被用作低压电缆的绝缘层。氟硅橡胶的电性能与普通硅橡胶相近，但在高温、低温、湿润、油、溶剂、化学药品、臭氧等苛刻条件下的变化很小。

◆贮存稳定性

氯丁橡胶在室温下也具有从a—聚合体向u—聚合体（硫化胶状）转变的性质，因此贮存稳定性较差。经长期存放后，出现塑性下降、硬度增大、焦烧时间缩短、硫化速度加快的现象。在加工中表现为流动性差，粘结性能低劣，压出胶胚粗糙，易焦烧，严重时导致胶料报废。氟硅橡胶即使暴露5年后，仍保持有良好的性能。臭氧是弹性体老化天敌之一，但经过严苛的臭氧耐老化试验后，都未发现氟硅橡胶有龟裂或裂纹的现象。

图2. 不同条件下的参数变化

氟硅橡胶应用于碳罐控制阀的试验验证

以氟硅橡胶作为碳罐控制阀密封材料，根据碳罐控制阀开发试验要求，在120℃高温放置、-40℃低温放置、120℃高温工作、-40℃低温工作、（-40℃～120℃）温度循环、（-40℃～120℃）高低温冲击、（24h/循环×10循环）湿热循环、（单方向100次）冷水冲击、108次电流通断耐久条件下，分别测量碳罐控制阀在压强为-10kPa下的工作流量、在压强为-70kPa下的工作流量、正/反向以及壳体密封性、工作噪音性能等参数变化（试验结果如2所示）。

总结

此次以氟硅橡胶作为碳罐控制阀的密封材料，并严格按照碳罐控制阀的开发要求进行了一系列试验测试，图2的测试结果充分表明：碳罐控制阀的流量特性、密封性以及NVH性能均在规定范围内，且氟硅橡胶拥有良好的耐久性、耐有机溶剂性，可较好地满足碳罐控制阀的使用要求。

随着人们对车辆可靠性、耐久性以及低噪声要求越来越高，长安汽车下一步将继续开展优化氟硅胶料配方的研究，充分挖掘材料的潜能，进一步提升材料性能，以满足汽车零部件严苛的使用环境要求，不断帮助汽车零部件制造商提升产品的性能。