密封件复合材料密封性能研究考核试卷及答案解析

密封件复合材料密封性能研究考核试卷及答案解析一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在密封件复合材料中，最常用于提高耐化学腐蚀性的纤维是（）A.芳纶纤维B.碳纤维C.玻璃纤维D.玄武岩纤维答案：C解析：玻璃纤维具有优异的耐化学腐蚀性能，且成本低廉，是密封复合材料中最常用的增强纤维。2.下列关于聚四氟乙烯（PTFE）基密封复合材料的表述，错误的是（）A.摩擦系数极低B.耐温上限可达260℃C.冷流性小D.对金属无粘附性答案：C解析：PTFE冷流性大，在持续载荷下易发生蠕变，需通过填充改性降低冷流。3.采用氮化硼纳米片改性橡胶密封材料，主要改善的性能是（）A.拉伸强度B.导热性C.气体阻隔性D.撕裂强度答案：C解析：氮化硼纳米片具有片层阻隔效应，可显著降低气体渗透系数。4.在ASTMF37标准中，测定垫片材料密封性能时，初始螺栓载荷通常取（）A.10MPaB.20MPaC.30MPaD.40MPa答案：C解析：ASTMF37规定初始螺栓载荷为30MPa，以保证可比性。5.对于柔性石墨/金属波齿复合垫片，泄漏率随介质压力的增加而（）A.线性减小B.线性增大C.指数增大D.先减小后增大答案：C解析：试验数据表明，泄漏率与介质压力呈指数关系，压力越高，泄漏率增长越快。6.下列哪种填料可在不显著降低回弹性能的前提下提高橡胶密封材料耐酸性（）A.炭黑B.硫酸钡C.滑石粉D.硅微粉答案：B解析：硫酸钡化学惰性好，且对橡胶回弹影响小，是耐酸密封常用填料。7.在密封件加速老化试验中，Arrhenius方程主要用于预测（）A.压缩永久变形B.泄漏率C.硬度变化D.质量损失答案：A解析：Arrhenius方程通过温度加速老化，外推常温下压缩永久变形寿命。8.金属橡胶复合密封件中，橡胶层厚度从1mm增至2mm，其最大密封压力通常（）A.增加10%B.增加30%C.降低D.基本不变答案：C解析：橡胶层增厚导致弹性模量下降，密封压力反而降低。9.采用真空热压法制备碳纤维增强PTFE密封环时，最适宜的烧结温度区间为（）A.320–340℃B.360–380℃C.400–420℃D.440–460℃答案：B解析：PTFE熔融温度为327℃，360–380℃可充分熔融又不致分解。10.在GB/T12621标准中，测定垫片泄漏率所用试验介质为（）A.氮气B.氦气C.空气D.水答案：B解析：氦气分子小、易检测，可提高泄漏率测试灵敏度。二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.影响柔性石墨复合垫片密封性能的主要微观结构参数包括（）A.石墨层间距离B.粘结剂分布均匀性C.金属芯板波齿角度D.石墨纯度E.垫片密度答案：ABDE解析：波齿角度为宏观几何参数，其余四项均与微观结构直接相关。12.下列措施可同时降低密封复合材料的气体渗透系数与高温蠕变（）A.引入片状纳米黏土B.提高交联密度C.增加增塑剂用量D.采用多轴取向薄膜E.填充空心玻璃微珠答案：ABD解析：增塑剂与空心微珠均会提高渗透并降低强度，故排除。13.在密封件服役过程中，可能导致“吹出”失效的机制有（）A.内压升高B.螺栓预紧力松弛C.材料降解D.热循环疲劳E.法兰旋转答案：ABCDE解析：五项均可导致密封面分离或强度下降，引发吹出。14.关于橡胶/金属粘接界面耐久性评价，常用试验方法包括（）A.剥离试验B.剪切疲劳C.盐雾试验D.热冲击E.电化学阻抗谱答案：ABCD解析：电化学阻抗谱主要用于涂层评价，对橡胶/金属粘接不直接适用。15.采用有限元分析密封件压缩回弹性能时，需输入的材料参数有（）A.弹性模量B.泊松比C.应力松弛曲线D.摩擦系数E.热膨胀系数答案：ABCDE解析：热膨胀系数影响热载荷下的应力重分布，亦不可忽略。三、填空题（每空2分，共20分）16.在ASTMF586标准中，垫片密封性能用“_______泄漏率”表示，单位为_______。答案：质量，mg/(s·m)17.柔性石墨的氧化起始温度在空气中约为_______℃，加入_______可将其提高至700℃以上。答案：450，磷酸盐抑制剂18.对于NBR基密封材料，当丙烯腈含量由18%增至40%时，其耐油体积溶胀率下降约_______%。答案：60（允许±5%误差）19.金属波齿复合垫片的回弹率要求不低于_______%，测试依据标准为_______。答案：15，GB/T1262220.采用氦质谱背压法测定密封件渗漏时，极限漏率可达_______Pa·m³/s量级。答案：1×10⁻¹¹21.在橡胶密封件压缩永久变形试验中，试样恢复时间为_______h，试验温度为_______℃（NBR标准配方）。答案：30，10022.聚醚醚酮（PEEK）密封环在干摩擦条件下与316L配副时，其磨损率约为_______×10⁻⁶mm³/(N·m)。答案：1.2（允许±0.2误差）23.根据VDI2290，法兰连接密封设计时，安全系数S₀对气体介质应取_______。答案：1.224.碳纤维增强PTFE密封材料的层间剪切强度主要受_______和_______两个工艺参数影响。答案：冷却速率、烧结压力25.在密封件寿命预测模型中，常用_______分布描述泄漏率随机变量。答案：对数正态四、简答题（每题8分，共24分）26.简述柔性石墨/金属波齿复合垫片在高温下泄漏率升高的微观机制。答案要点：（1）高温氧化导致石墨层间剥离，孔隙率增大；（2）金属芯板波齿高温屈服强度下降，回弹减小；（3）粘结剂分解挥发，界面出现微通道；（4）热膨胀失配引起波齿与石墨层局部脱粘；（5）氧化产物（CO/CO₂）在微孔内聚集，形成渗透通路。评分标准：答出任意4点即得满分，每点2分，逻辑清晰2分。27.对比纯PTFE与15%青铜粉填充PTFE密封环在海水工况下的性能差异，并给出机理。答案要点：（1）导热性：青铜填充后导热系数提高3倍，降低摩擦热积聚；（2）耐磨性：青铜颗粒承载海水中的硬质颗粒，减轻磨粒磨损；（3）抗蠕变：青铜抑制PTFE分子链滑移，压缩永久变形下降40%；（4）耐蚀性：青铜易海水腐蚀，需添加缓蚀剂；（5）电偶腐蚀：与钛合金法兰配对时，需绝缘隔离。评分标准：每点1.5分，条理与总结2分。28.说明采用氦质谱吸枪法现场检测大型换热器密封点泄漏的操作步骤及注意事项。答案要点：（1）系统停机泄压至安全值，清洁密封面；（2）用塑料袋罩住密封点，注入氦气至10%浓度；（3）吸枪探头以≤10mm/s速度沿焊缝移动；（4）本底氦浓度应＜1×10⁻⁶，避免大风环境；（5）发现信号＞1×10⁻⁷Pa·m³/s时，标记并复测；（6）检测完毕用氮气吹扫，防止氦残留干扰下次检测。评分标准：步骤完整6分，注意事项2分。五、计算与分析题（共41分）29.（10分）某NBR密封圈截面为圆形，线径d=5mm，安装槽深h=4mm，槽宽b=6mm，工作油温100℃，初始压缩率20%。已知NBR线膨胀系数α=2×10⁻⁴K⁻¹，求100℃时实际压缩率，并判断是否满足≥15%的设计要求。答案：初始压缩率ε₀=20%→初始压缩量Δh₀=0.2×5=1mm热膨胀后线径d′=d(1+αΔT)=5(1+2×10⁻⁴×75)=5.075mm槽深不变，新压缩量Δh′=d′−h=5.075−4=1.075mm实际压缩率ε′=Δh′/d′=1.075/5.075=21.2%结论：21.2%＞15%，满足要求。评分：计算8分，结论2分。30.（15分）柔性石墨复合垫片外径120mm，内径80mm，试验压力p=5MPa，螺栓圆直径Db=150mm，初始螺栓载荷Fb=30kN。测得氦气泄漏率L=1.2×10⁻⁴mg/(s·m)。（1）计算垫片密封比压y；（2）按GB/T12621换算为氦气体积泄漏率Qv（cm³/min）；（3）若允许泄漏率为1×10⁻³cm³/min，判断合格与否。答案：（1）垫片面积A=π/4(120²−80²)=6.28×10⁻³m²密封比压y=Fb/A=30×10³/6.28×10⁻³=4.78MPa（2）氦气密度ρ=0.178kg/m³Qv=L·π·Dmean/ρ=1.2×10⁻⁴·π·0.1/0.178=2.11×10⁻⁴mg/(s·m)换算：2.11×10⁻⁴mg/s=1.27×10⁻²cm³/min（3）1.27×10⁻²＞1×10⁻³，不合格。评分：每问5分，单位换算正确给分。31.（16分）某碳纤维增强PTFE密封环在干摩擦试验中，载荷F=200N，转速n=300r/min，时间t=2h，内径60mm，外径80mm，宽度h=10mm，试验后质量损失Δm=3.2mg，密度ρ=2.1g/cm³。（1）计算滑动距离S；（2）求体积磨损率Wv（mm³/(N·m)）；（3）若允许磨损率为1×10⁻⁶mm³/(N·m)，判断是否合格；（4）提出两条降低磨损的改进措施并说明理由。答案：（1）平均直径Dmean=70mm，线速度v=πDmean·n/60=1.1m/sS=v·t=1.1×7200=7920m（2）磨损体积ΔV=Δm/ρ=3.2×10⁻³/2.1=1.52mm³Wv=ΔV/(F·S)=1.52/(200×7920)=9.6×10⁻⁷mm³/(N·m)（3）9.6×10⁻⁷＜1×10⁻⁶，合格。（4）措施：①添加5%纳米Al₂O₃，提高硬度并降低粘着磨损；②表面激光织构化，储屑排屑，减少磨粒磨损。评分：计算12分，措施4分。六、综合设计题（20分）32.某LNG船用低温球阀（−162℃）密封副需设计一种复合材料密封环，要求：①泄漏率≤1×10⁻⁶Pa·m³/s（氦气）；②承受压力波动0–5MPa，循环10⁴次；③与316L不锈钢配对，不可发生电偶腐蚀；④密度＜2.5g/cm³，以减轻阀杆操作力矩。请给出材料体系、增强形式、成型工艺、关键性能指标及验证方案。答案示例：材料体系：PCTFE（聚三氟氯乙烯）基体+10%体积分数空心玻璃微珠（密度0.4g/cm³）+5%定向芳纶短纤（长度3mm）。增强形式：芳纶纤维沿环向取向，提高低温韧性；微珠降低密度并抑制裂纹扩展。成型工艺：冷压烧结—模压压力50MPa，烧结温度250℃，保温2h，随炉冷却至60℃以下。关键指标：密度2.1g/cm³；−196℃下冲击强度≥15kJ/m²；压缩永久变形（−162℃，24h，20%压缩）≤8%；氦气泄漏率（5MPa，室温）≤5×10