可密封更高温度变速箱油的氟硅橡胶

管理法规要求和关键市场驱动因素打造了更聪明、更安全、更安静、更节能、可稳步减少对环境影响的车辆技术设计趋势。在车辆动力增强当中，对于增加燃油经济性以及提高车辆性能和质量方面，在变速器设计和变速箱油（ATF）技术上已取得了重大进展。

氟硅弹性体，比如来自道康宁的硅橡胶品牌氟硅橡胶，在更早一代传动系统中的密封应用已有多年。选择它们的主要因素是由于其对ATF的抵抗耐力，能够在广泛的温度范围内，尤其是在非常低的温度下保持密封性能。氟硅橡胶材料家族具有-68℃左右的玻璃化转变温度，可有助于在极端寒冷环境中保持密封效果，且优于许多具有更高玻璃化转变温度的有机弹性体。

然而，结合ATF的进展和日益增加的工作温度使得传统氟硅材料在这些新的环境中遇到性能和耐久性问题。这些问题通常在车辆使用寿命期出现在材料的充分密封能力和长期退化方面，这可通过保持长期暴露于ATF后测量其力学性能来衡量。结果是，含氟弹性体材料，如氟碳橡胶（FKM），已被发现正越来越多地应用于新一代ATFs密封和在较高温度下的变速器运行。即便如此，就低至-40℃的低温密封性能而言，FKMs仍然存在性能限制，而且在许多密封应用中遇到更低弹性模量需求时也有局限。

作为目前提供氟硅技术解决方案的最新进展，在这些新的环境中，已能够满足维持长期的力学性能且保持有效的密封性要求。本文详细验证测试道康宁主导开发的新一代氟硅橡胶（FSR），这种新一代氟硅橡胶可对先进的变速器设计中当前使用的ATFs实现有效密封。对于典型的高达150℃的流体工作温度，最新的FSR弹性体可以保持其拉伸强度与断裂伸长率等关键性能，且比起具低温性能和模量较低的氟橡胶密封材料有着更大的优势。

变速器设计和ATF技术的变化

常规的三速或四速自动变速器已被多速步进变速器、双离合自动变速器（DCT）和无级变速器（CVT）所替换。为减少振动，新的液力变矩器离合器技术，更稳定的摩擦材料和较低的液体粘度，以及其它改进已被引入。虽然多年来大多数自动变速箱油已经逐步改变，但更新的变速器产品设计需要大幅度升级的配方。如今典型的OEM工厂，在更高温度下运行的变速器设计中要求满足的ATFs，被设计成旨在提供摩擦耐久性、粘度稳定性、充气和泡沫控制以及抗氧化性等性能的改进。

道康宁FSR开发过程涉及制订氟硅橡胶复合物配方，以为这些广泛应用自动变速箱油提供一个有效的密封解决方案：

● 福特汽车中大多数车辆采用Mercon LV ATF

● 道奇、吉普和克莱斯勒车辆使用ATF+4 ATF

● 通用汽车公司车辆使用Dexron VI ATF

● 大众和奥迪车辆使用Pentosin ATF 1

（Mercon是福特汽车公司的注册的商标，ATF+4是FCA美国有限责任公司的商标；Pentosin是德国潘东兴润滑油公司的商品名称。）

氟硅橡胶技术创新

道康宁是氟硅工程弹性体全球公认的领先者，拥有广泛市场范围的氟硅产品、定制化合物和液体氟硅橡胶等产品。然而，随着汽车设计和系统技术的进步，氟硅橡胶的性能必须持续提高，以跟上当今极富挑战性的机动车新需要。

氟硅橡胶按配方制造，其氟硅聚合物包含不断重复的（-Si-O-）基团这种聚合物主链。与二甲基硅氧烷（有机硅）相比，一个独一无二的差异是氟组份连接到基础聚合物主链中。氟硅聚合物取代一个甲基侧基，在每个硅分子上以三氟丙基侧基团替换（图1）。

由此产生的聚合物在加入高度耐受非极性溶剂和腐蚀性液体时仍能保留二甲基硅油在非常热或极冷的温度下的耐久特性。乙烯基侧基团可以使聚合物交联。在聚合物链上硅酮橡胶含有氟、乙烯基、甲基取代基团，按照ASTM 标准 D1418-10a的橡胶和橡胶胶乳命名法标准惯例，氟硅橡胶通常简称为FVMQ。

在其FSR技术发展过程中，为满足当前变速器密封需要，道康宁利用其历史知识和深入的专业技术，确定以氟硅基体作为必要的聚合物，以实现对于更新、更具腐蚀性的ATFs拥有更强的耐受性。选择合适的基体技术并结合必要的添加剂和改性剂，以帮助开启所需的解决方案。

氟硅橡胶(FSR)与氟橡胶(FKM)

虽然氟橡胶长期以来在较高温性能方面比氟硅橡胶更具优势，随着道康宁不停稳步的新发展，其差距正在缩小。在一个最近的例子中，道康宁的新FSR复合技术为涡轮增压器软管衬里提交的氟硅橡胶能够承受温度高达250℃，同时仍保持优良的抗撕强度并紧紧粘附在甲基乙烯基硅橡胶（VMQ）软管罩上。此复合技术还可为诸如发动机密封、垫片、膈膜阀的应用提供高温稳定性、耐压缩形变和高回弹力。

为当今先进的变速器设计和ATF液体技术开发更加有效的密封解决方案，相对氟橡胶材料氟硅橡胶可以增加以下几个显著的优点：

● 更好的低温性能，在低至-68℃温度时仍保持弹性。这将有利于在极端寒冷条件下较低粘度ATFs中防止可能的渗漏。

● 加工更容易和硫化速度更快，可提高密封件生产力并能增加潜在的成本节约。

● 较低硬度和弹性模量的较软材料可提高密封效果和耐久性。

● 较低的密度有利于改进重量节省和减少材料的使用。

改变的制造案例

目前预装填ATFs的OEM工厂专为先进的变速器设计配方定制，以使密封弹性体能够承受更高的工作温度。前一代变速箱油，如Dexron ATF都设计为适用于有限自动变速器换档和较低的运行温度中。这种液体的开发期并没有考虑需要承受125℃以上的温度。相比之下，当前粘度更稳定的ATFs如Dexron Ⅵ被指定用于在125℃及以上的较高温度下运行的多速变速器。

当接触到不同的ATF化学成份和已提高的工作温度时，正在研发出来的这些较新的ATFs适用于先进的变速器设计性能优化上，而传统的氟橡胶密封技术则要求重新制订以便能提供更佳的性能保持。在这个时候，氟硅化合物在较低温度下传统液体的密封只能算得上合格。

作为第一步，道康宁科学家团队对照了Dexron Ⅲ和Dexron Ⅵ的效果，制定FVMQ（氟硅橡胶，FSR）弹性体的数代产品（Gen 1第一代，Gen 2第二代）。这确立了开始开发新的氟硅橡胶选项的基准，以便应对升级的ATF配方和更高的变速器操作温度。

FSR在125℃暴露六个星期（1008小时）的初始检测结果表明Gen 2优于Gen 1，虽然拉伸强度和断裂伸长率的变化仍然显著。接触Dexron Ⅵ对FSR样品的负面影响更严重。随后的测试表明，FSR暴露在150℃的Dexron Ⅵ ATF中只是两个星期（336小时）就已被确认有更高的损失，暴露四个星期（672 小时）后其性能退化随之增加。老一代FSRs在用于当前适应较高操作温度下的变速器设计的ATFs新配方提供长期密封能力方面很有局限（表1）。

表1、在Dexron III和Dexron VI ATFs中Gen 1与Gen 2 FSRs的基本性能数据

这些研究结果证实有必要开发新一代FSR，以期保持其关键性能在可接受的程度，能长期暴露在更高的变速器温度的新配ATFs中（表1）。

● Dexron Ⅲ比不上Dexron Ⅵ

● 无论液体的温度高低，Gen 2 FSR表现普遍强于Gen 1 FSR。

● 老化暴露在150℃的Dexron Ⅵ中，造成拉伸强度和断裂伸长率不可接受的损失，而且硬度和弹性模量过度增长。

评价不同的FVMQ橡胶基体技术

筛选过程跨越一两个星期，项目团队对不同的FVMQ橡胶基体技术执行基准测试，在150℃ Dexron Ⅵ ATF暴露后了解其对性能的影响，所有选择的基体仅仅暴露两个星期（336小时）后显示出性能显著降低。然而，了解一些基体的表现和暴露于ATF对材料性能会有什么影响，可更好地理解如何设计和开发最优化橡胶基体以实现更耐受ATF。通过不同氟硅橡胶基体的暴露试验，使用表2中的数据可实现一些初步观察：

● 基体1、2和3倾向于变硬，而基体4和5变软。

● 基体3和5显示其拉伸强度损失最低。

● 基体4和5的断裂伸长率和100%弹性模量均变化最小。

当在高操作温度下暴露于当前的ATFs时，开始采用合适的FVMQ基体是满足指定的性能保持和密封性能要求的关键。从不同的FSR基体的筛查，道康宁团队得以确定合适的基体技术去着手开发一种可行的Gen 3氟硅橡胶解决方案。

优化选择FSR化合物

通过橡胶基体改性和适当的组合，潜在的ATF耐受力可获得改善，限定的两个星期暴露试验证明不足以确定预计复合性能和密封使用寿命方面的差别。进行了六个星期（1008小时）的暴露试验，得以实现确定复合性能的任何主要差异。

表2、评估不同类型FVMQ橡胶基体的比较数据

由道康宁团队采用的实验设计（DoE）方法用以确定可以显著影响暴露在新一代自动变速箱油的氟硅橡胶的力学性能保持的配方设计因素。这涉及执行17-run、中心组合、三因素响应面模型设计。在ATF暴露两周和六周后评价化合物性能保持。各种DoE测试运行显示突出性能范围在DoE设计空间内完成。数据突出显示的性能和保持性能可能基于如何正确地选择添加剂、改性剂、氟硅橡胶基体。因此，有必要适当选择好所有这三个变量，以实现最佳的保持性能（表3）。

表3、FVMQ化合物优化选择试验比较数据

● 操作17-run，最好、最坏及好坏两者之间的两个被选定作为比较。

● 仅曝露两星期后，化合物之间的差异很小；真正的差异出现在曝露六星期以后（1008小时）。

比较数据显示了哪一个混合技术做得最好并能辅助FVMQ化合物优化，以帮助实现与150℃的ATFs长期接触仍具可接受的性能保持。

Gen 3性能与之前的FSR选项对比

基于道康宁的DoE测试中看到的结果，按配方制造的Gen 3氟硅橡胶复合物暴露在当今世界上最广泛使用的ATFs（Mercon LV、ATF + 4、Dexron Ⅵ和Pentosin ATF1）时，可提供长期性能保持。为了说明所取得的重大成果，将优化的Gen 3 FSR配方的性能与之前的Gen 2和Gen 1氟硅橡胶化合物性能相比较。对在相同的150℃的ATFs中暴露试验结果进行比较，清楚显示，新开发的FSR选项在所有ATFs和所有暴露时间中，其性能保持好很多。参见表4，一些结论包括：

表4、Gen 1、Gen 2与Gen 2 FSRs暴露于150℃的对比试验数据

● 不管暴露试验持续时间长短，Gen 3 FSR维持好性能保持。两个星期（336小时）后，随暴露时间的增加其初始损失并不明显加快。

● Gen 1 FSR在接触ATF仅两星期（336小时）后，拉伸强度和断裂伸长率显示出不可接受的损失，而接触四个星期（672小时）后这些损失还在逐步扩大。

● 在150℃的ATF暴露试验中，Gen 2 FSR通常表现优于Gen 1 FSR，即使在仅两个星期（336小时）后其模量增加和断裂伸长率降低相对差些。然而，暴露四个星期（672小时）后，与Gen 1 FSR相比，Gen 2 FSR材料的拉伸强度和断裂伸长率都表现出较低的损失。

● Gen 2和Gen 1 FSR数据是在只暴露四个星期获取的，即使是暴露在较小腐蚀性的液体情况下，显示出保持性能处于或超过通常认可的暴露六星期所要求的极限。

在各种ATFs中验证Gen 3 FSR性能

Gen 3 FSR配方制定是为能够承受长期暴露在150℃的液体而进一步优化了的，其性能保持已通过六个星期（1008个小时）的测试验证；这种延长的测试对于Gen 1和Gen 2材料来说是不可能的，因为它们会严重退化。如表5所示，在当今先进的变速器设计所使用的目前最常见的ATFs中，新的FSR材料显示出优秀的性能保持。这表明具良好的潜力满足变速器密封所需的OEM材料规格和性能要求；同时，把拉伸强度和断裂伸长率的损失均不超过50%作为目标。表5说明了以下内容：

表5、在150℃各种ATFs中Gen 3 FSR的长期性能测试

● 新Gen 3 FSR配方提供低的计示硬度、良好的机械强度、高的伸长率以及低的100%定伸应力。

● 无论具体类型的ATF，对于最低限度的软化，模量增加或体积膨胀，其拉伸强度和断裂伸长率都维持在可接受的水平。

● 就对性能保持的影响来说，与ATF+4和Mercon LV相比，诸如Pentosin、Dexron Ⅵ这些种类的液体作用更大，优化了的Gen 3氟硅配方适合于与所有这些变速箱油长期接触。

Gen 3 FSR密封件压缩应力松驰测试

压缩应力松弛（CSR）可了解材料在较长的一段时间和接触不同液体仍保持足够的密封力的能力。CSR测试可以衡量弹性体在恒定的压缩应力下的应力衰减，这个衰减可以提供材料使用寿命的迹象。道康宁团队对在125℃和150℃的Dexron VI中，以及在150℃的Mercon LV中升级的Gen 3 FSR材料进行CSR测试。在指定温度下的两种液体经历六个星期（1008小时）测试，测试数据表现出合理的剩余密封力（RSF）。正如所预期，曝露在125℃的液体将比暴露在较高温度150℃液体的影响更低（表6）。

表6、压缩应力松弛（CSR）数据（采用SAE J2979标准测试）

对ATF泡沫控制的影响

对将暴露于自动变速箱油的材料进行设计时，必须评估新配方材料对ATF的发泡特性产生的潜在影响。过多的液体泡沫可对变速器的润滑产生负面影响，增加组件摩擦，导致过早的变速器传动故障。标准配制的ATFs会含有消泡添加剂，而且在橡胶化合物中该添加剂不应阻碍变速箱油的泡沫控制。

随后的暴露试验是在四种目前通用的ATFs中测试新Gen 3 FSR材料，Gen 3 FSR对ATF泡沫控制特性的潜在影响被研究。我们按ASTM D892规程，在温度24℃的液体中进行了测试。通过接触Gen 3氟硅橡胶材料，对未老化Dexron VI ATF的泡沫控制能力与已老化的Dexron VI的泡沫控制能力进行比较。如图2所示，老化的ATF达到指定的泡沫控制要求，在吹5分钟后泡沫高度低于50毫米，且在停吹后10分钟内泡沫高度为0毫米。

图2、Gen 3 FSR 对Dexron VI ATF泡沫控制特性的影响（ASTM D892s标准）

迎接挑战未来之路

道康宁以其深厚的行业经验、材料的创造力和解决问题的创新力，已成功开发出新一代氟硅弹性体，迎接更大范围的机动车应用所带来的不断上升的操作温度的挑战。包括之前所介绍用于满足涡轮增压器软管套头、发动机密封件和垫片、隔膜和弹性阀的应用需求的，应对更高温度的新配方。

现在，作为升级其含氟弹性体能力的最新例子，道康宁已开发、测试、优化氟硅橡胶化合物，提供有效、长期密封的完整方案，实现在当前和新兴的变速器设计中具备卓越的性能保持。这一新技术特别用于开发可抵御温度达150℃的腐蚀性合成变速箱油，满足FKM橡胶的耐高温能力，同时还可提供更好的低温性能、低弹性模量和较低硬度的新产品。

正在进行的工作的目的是优化氟硅橡胶的抗液性、耐高温性和高性价比加工的最佳组合。在道康宁，氟硅橡胶（FVMQ）开发仍在持续。