电磁屏蔽用导电橡胶在武器装备中应用的环境适应性考虑
【摘要】随着对装备电磁兼容性要求的不断提高和国产化电磁屏蔽用导电橡胶材料性能提升以及价格大幅下降，目前导电橡胶材料以及以导电橡胶材料制造的电磁密封器件已经广泛使用在通信电子装备、火控系统、光电侦察装备等电子系统中。目前，在军用装备领域中，针对导电橡胶在应用中因为各种环境因素造成的对材料关键性能的影响，还没有相应的测试标准和测试方法可以进行评估。在这种情况下，随着导电橡胶材料在装备中使用范围的不断扩大，给装备的可靠性、环境适应性带来的风险也迅速增加。因此，在武器装备中应用导电橡胶的设计中对环境适应性的考虑成为了重要的因素。
一、国内外电磁屏蔽用导电橡胶情况对比
电磁屏蔽用导电橡胶（以下简称“导电橡胶 ”）是自60年代中期开始在美国军方提议下由美国固美丽公司（Cho merics）开始研发的产品，并首先在美军装备中应用。自90年初海湾战争后，军用装备的电磁兼容性引起了军方高度的重视，国内在军用装备中也开始应用导电橡胶产品，这一时期的产品以进口产品为主。90年代中期，国内的企业、科研院所和高等院校相继展开了对导电橡胶材料的研究，2000年以后随着导电橡胶材料市场的不断发展，进入了这一材料的制造领域。随着军用装备国产化率要求和成本控制要求的提高，目前军用装备使用的导电橡胶材料与器件大部分都采用了国产产品。
目前由于导电橡胶的市场空间有限，在这一产品领域内的企业规模普遍较小，各企业在研发能力和研发投入上均显不足；另一方面，由于国内在这一产品上的研究方向是以橡胶材料为主对材料在装备中的应用特点、要求以及电磁屏蔽理论方面的理解不深，在材料性能研究方向上与军用装备实际应用及使用要求间存在偏离现象，特别在环境适应性、电磁屏蔽效能的可靠性等方面的性能要求、测试方法等关键问题的研究基本处于空白状态。因此，军用装备中电磁屏蔽用导电橡胶的应用可能会对装备系统的可靠性和环境适应性带来隐患和风险。
（一）国外导电橡胶发展情况
以目前在这一产品领域最领先的Parker公司产品为研究对象，对国外产品的发展路线和发展趋势进行分析。
注重屏蔽效能与可靠性、环境适应性的同时提高
Parker Chomerics公司于60年代中期首先开发出了以镀银铜粒子为填充材料、硅橡胶为基材的导电橡胶CHO-SEAL 1215，这一产品目前仍在市场中销售。镀银铜粒子填充的导电橡胶具有较好的抗电磁脉冲（EMP）打击能力，但耐腐蚀较差。80年代初，Chomerics推出了镀银铝粒子填充的导电橡胶CHO-SEAL 1285，镀银铝粒子填充导电橡胶以其较低的成本和重量，以及可以满足一般军用要求的电磁屏蔽性能（应用于整体屏蔽要求90～110dB的装备）等优异的综合性能迅速扩大了其在军用装备中的应用范围。差不多在这个时期，Chomerics也推出了应用于商用设备的石墨镀镍粒子填充、鍍银玻璃填充的导电橡胶。
在此后的产品发展方向上，Parker公司开始将环境适应性、可靠性作为产品的重要研究方向，于90年代初期推出了以表面钝化镀银铝粒子填充、以氟硅胶为基材的CHO-SEAL 1298产品，产品耐腐蚀性明显提高。这个时期又推出了采用石墨镀镍粒子填充EPDM具有CBRN或NBC流体环境的导电橡胶。2010年左右进一步推出了以耐腐蚀性为主要特征的镀镍铝粒子填充导电橡胶，盐雾、湿热环境应用中的可靠性是他们产品最重要的宣传点。
表1a用定性的方法对Parker的一般军用导电橡胶产品发展线路进行了分析。
注：a、表中数据来自于Parker手册
b、抗电磁脉冲打击能力较好
c、用于CBRN及NBC环境，良好的耐辐照能力
以装备应用要求为主线的标准体系
（1）不断演进的军用标准体系
从目前可以查阅到的相关资料中可看到美军最早在1992年10月7日推出第一个标准版本MILG-83528B中对弹性体电磁屏蔽衬垫的主要技术参数和测试方法做出了规定，随后于2001年1月对该标准进行大改版推出了MILDTL-83528C版，随后于2001年11月对C版进行更新，分别于2011年、2012年推出了D、E两个版本，进行小的改变。目前执行的是2015年10月更新MILDTL-83528F版本，但目前从公开渠道无法取得，因此以83528C为参考进行分析。
MIL-DTL-83528C的应用范围是对应用于抑制电磁干扰/射频干扰的弹性体衬垫做出了通用规范。
在83528C中，首先对用于军用装备导电橡胶材料可选用的填充粒子、基胶材料等材料做出了明确的规定。制定了符合导电橡胶材料应用环境的技术指标体系和该指标体系的测试方法。
在这个指标体系中，对可靠性和环境适应性的指标占据比较大的比重。总共16项指标中，可靠性与环境适应性指标为7项。这组可靠性、环境适应性指标与导电橡胶材料的特性和应用非常贴切，主要包括：
连续工作温度范围
振动电气稳定性（振动期间、振动后）
拉断后电气稳定性
低温柔性
寿命试验后体积电阻率
经受电磁脉冲后体积电阻率
流体浸泡
这样的指标体系，基本保证了导电橡胶产品在装备中的可靠应用，同时，保障了装备应用环境的适应性。
（2）制造商对材料环境适应性的指标体系
源于美军方实验室的Chomerics公司，在MIL-DTL-83528体系以外对自己所研发制造的材料还建立了额外的产品指标参数和检测指标体系。
在产品耐腐蚀性测试中，Chomerics建立了自己的测试方法CHO-TM100和CHO-TM101定量测试导电橡胶材料对金属基体的腐蚀性。
Chomerics还开发了以IEEE-STD-299为基础的屏蔽效能测试方法CHO-T09，这种方法的优点在于可以对同一试样在环境试验前和试验后的屏蔽效能进行测试对比。一般说来，Chomerics对材料进行500小时盐雾试验（5%浓度，35±1℃）、1000小时湿热试验（温度85℃，相对湿度85%）以及2000小时高温老化试验（温度125℃），并在环境试验后进行屏蔽效能的测试。
为了满足在航空航天以及其它对高分子材料放气敏感的应用领域要求，Chomerics对导电橡胶的放气数据规定了限值，可采用TML或CVCM方法测试，限值采用NASA规定的高分子材料放气的限值。
综上所述，以美国为代表的国外导电橡胶材料已经具备了完备的可靠性与环境适应性的标准体系，这个体系包括了美国军用标准与制造商的企业标准，综合的标准体系保障了导电橡胶材料在军用装备中应用的可靠性。
（二）国内导电橡胶发展与应用现状
在产品基本性能与测试内容上与国外相比存在较大差距
国内在电磁屏蔽用导电橡胶领域起步较晚，加之主要研究单位和人员以高分子材料方向研究人员为主，在电磁兼容理论、电磁学以及对这种材料的应用方面知识匮乏，所以到目前为止国内导电橡胶产品与国外同类产品在关键性能、可靠性和环境适应性上都存在较大差距。这种差距主要反映在以下几个方面：
对电磁兼容、电磁学等领域知识的严重匮乏，对产品关键性能理解度不够。国内的技术研究都是以对标CHO-SEAL 1285开始的，从Chomerics的公开资料所展现的性能指标和一般性理解中，研究人员普遍认为体积电阻率是决定导电橡胶屏蔽性能的关键指标，导致导电橡胶产品在屏蔽效能这一关键性指标方面与国外产品存在很大差距。
以GJB151B-2013中所规定的电磁兼容性试验所涉及的频率区间为参考，国内产品的屏蔽效能参数具有很大的偏离度，并且与国外同类产品相比较屏蔽效能有很大的差距。若仅以体积电阻率为关键设计指标替代进口产品时，给装备电磁兼容性带来了可能的设计缺陷。
产品可靠性、环境适应上的测试标准几乎全部不适用于导电橡胶应用特性。目前国内所有的制造商在可靠性和环境适应性的测试标准依照硫化橡胶的测试标准进行，并未对经过老化试验、盐雾试验、湿热试验、温度试验以及拉伸、振动试验后的电磁屏蔽效能进行测试。事实上，从机理性和工程实践中都证明，这一系列环境试验对填充型导电橡胶材料的电磁屏蔽性能有很大影响。这些测试的缺失，为装备可靠性和环境适应性都带来极大的风险。
由于目前军用装备对可靠性、环境适应性的要求不断提高，军工企业也需要國内导电橡胶制造商提供环境测试报告，但是在我们的实践中发现所有国内产品的环境试验报告都不涉及环境试验对电磁屏蔽性能/电气温定性方面的影响。
国内产品在装备实际应用中还没有长期应用后的性能变化趋势评估。虽然我军装备从90年代起就有了电磁屏蔽用导电橡胶的应用，但是在2010年以前，进口产品仍占据主导地位。国产产品大范围进入军用装备应用时间不长，加之在环境应力作用下产品电磁兼容性能的变化在装备部队后很难进行测试，所以到目前为止还未见到装备长期应用后对导电橡胶材料性能变化的评估。从这个角度出发，可以说国产导电橡胶产品在实际装备中应用时受环境影响诱发性能变化以及这种变化对装备整体性能的影响度尚处于无法评估的状态。
在军用装备中日益广泛的应用与标准缺失的矛盾严重
随着军用装备对电磁兼容性要求的不断提升，导电橡胶在军用装备中的应用范围呈现出日益广泛的趋势，目前在电子装备（例如：通信电台、雷达、电子对抗装备等）、光电装备（光电侦察装备、单兵导弹瞄具、双光瞄具等）、火控系统、导航系统、加固计算机以及其它装备系统中都有广泛的应用，但是到目前为止还没有关于导电橡胶材料的国家军用标准。
2018年国家市场监督管理总局和中国国家标准管理委员会联合发布了国内第一个导电橡胶的国家标准GB/T6763-2018《电磁屏蔽用硫化橡胶通用技术要求》。但是，这个标准仅仅是部分套用MIL-DTL-8528的部分模式，以起草者现有产品性能为基础，采用一般硫化橡胶的技术参数制定的，对军用装备所必需考虑的可靠性、环境适应性甚至电磁屏蔽性能这样的关键性指标都未做出有价值的规定。
装备研制单位由于缺乏可参考的导电橡胶技术标准，目前在结构设计、器件选型与采购中有的以Parker公司的设计手册为依据，有的以供应商推荐产品时的技术参数为依据进行，无法对可靠性、环境适应性做出可靠的分析与评估。甚至在器件设计的规格尺寸上仍沿用原进口产品使用的英制，在器件通用性、保障性等方面都存在问题。
这种无标准可依的状况已经导致电磁屏蔽用导电橡胶材料及以该材料制造的器件在为装备提供有效的性能实现手段的同时，也为装备的可靠性、环境适应性、维修性和保障性等方面带来了巨大的风险。
二、工程设计中应用导电橡胶材料时环境适应性的考虑
可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性已经成为对军用装备体量体系重要组成部分，可靠性、维修性和环境适应性也是保证装备全天候、全天时、全疆域应用的关键性能。电磁兼容性本身作为装备可靠性的重要组成部分，不应当成为装备整体可靠性的短板。因此，在产品标准缺失的情况下，我们通过工程实践中总结出了一系列的设计方法，避免导电橡胶材料在应用中环境因素对导电橡胶性能的影响。
从统计结果分析，我们发现导电橡胶衬垫在应用中最常见的问题有：
导电橡胶中填充粒子与壳体间的电偶腐蚀；
导电橡胶在拉伸时外部应力造成填充粒子结网破坏导致电磁屏蔽效能下降；
导电橡胶在高温环境下永久变形导致的密封性能下降；
导电橡胶在低温环境下弹性下降导致破损；
导电橡胶中的填充粒子在振动、冲击环境下可能产生的粉体脱落。
针对这种情况，我们采用了以下设计原则和方法抑制环境应力可能诱发的导电橡胶器件可靠性降低的风险：
电磁屏蔽效能以按照GJB151B-2013标准要求的整机测试为标准，材料厂商提供的参数仅作为参考值。
由于导电橡胶在不同的频率点上屏蔽效能有很大差异，所以我们在要求供应商提供性能指标时，需要提供在GJB151B-2013中规定的频率范围内的连续屏蔽效能参数。在设计时以参数的中值为基准，保留了足够的性能裕量。同时，在初样机阶段的初期就按照设计规范对整机进行测试，保证在全频段电磁屏蔽的可靠。
采用电磁密封强度由内向外逐层降低，环境密封强度由内向外逐层提高的设计原则。
从电磁兼容理论和材料特性出发，我们在电磁兼容设计中将电磁密封尽可能在部件、分机层面实现，力争最大程度降低导电橡胶器件与外部环境接触的机会，一方面避免导电橡胶中填充粒子与壳体接触部分在湿热、盐雾环境下诱发电偶腐蚀；另一方面可以有效地降低由于导电橡胶材料压缩率较低而导致的橡胶大尺寸导电橡胶器件尺寸公差造成的电磁泄露和密封性下降的风险。在最外层采用“硅橡胶-导电橡胶”复合密封器件可以有效隔离水气、盐雾进入壳体与导电橡胶间的缝隙，避免电偶腐蚀的发生。
电磁密封器件设计时，采用沟槽中心径为设计尺寸。
通常情况下的密封器件设计，应根据应用模式的不同将密封器件（例如O形圈）的直径设计为略小于或略大于沟槽尺寸，以保证安装可靠性。但是由于填充性导电橡胶的屏蔽性能是通过填充粒在材料内部的结网结构实现的，在拉伸过程中以及长时间的拉伸应力下，结网结构会受到破坏导致屏蔽效能下降。因此，在导电橡胶密封件设计时，一般采用按密封件与沟槽的中心径相同的尺寸进行设计。
一般情况下不采用空心导电橡胶密封条或空心导电橡胶密封器件。
空心结构的导电橡胶密封条能够提供更大的压缩量，但是在长时间压缩应力作用下更容易发生永久形变，造成密封失效。因此，在结构设计时一般不采用空心结构的导电橡胶密封器件。如果结构设计必须采用空心导电橡胶密封器件时，应选用有较厚的内部支撑硅橡胶层、外包覆导电橡胶的密封器件，降低密封器件永久变形的风险。
一般情况下不采用通过板材冲切或挤出条粘接的导电橡胶密封器件。
通过板材冲切成形和擠出条粘接的导电橡胶密封器件，在小批量制造时具有制造工艺简单、成本低和可以快速变更设计的优势，是在设计过程中非常好的选择。但是在批量制造时，由于冲切件的断面处填充导电粒子失去了约束，在冲击或振动情况下很容易造成粉体脱落在装备内部形成多余物，为可靠性带来风险。通过挤出条粘接的导电橡胶密封器件，在接口处极易出现粘接不牢、硬结、两端对位不齐等缺陷，带来密封失效的风险。
通过这些原则和方法的应用，可以提高导电橡胶在武器装备应用中的环境适应性，降低可靠性风险。
三、关于导电橡胶材料在武器装备应用中的思考
无论如何，建立应用于军用装备的电磁屏蔽用导电橡胶标准都是非常重要且比较紧急的事情。国产导电橡胶产品在没有任何统一的质量标准情况下进入军用装备领域已经10年有余，目前已经呈现出应用范围越来越广的趋势，伴随着应用领域的扩大，产品标准缺失的风险也在不断积累。
电磁兼容性是装备环境工程中的重要组成部分，同时又受到装备环境工程中其它因素的约束。以高分子材料为基材填充导电粒子为基本原理的导电橡胶材料在电磁兼容领域具有独特的性能和良好的应用前景。但是，如不及时建立统一的技术标准和产品认证机制进行规范，未来很可能会在装备中出现问题。从装备环境工程角度研究、建立包括电磁屏蔽用导电橡胶军用标准已经成为重要且急迫的任务。
（作者单位：李永涛、陈晓佳，武汉高德红外股份有限公司；官效岩，北京欣恒泰科技有限公司）