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作者简介：王静（1989-），女，清华大学博士后，主要从事高分子材料的合成、加工及性能研究：子午线轮胎的配方设计开发及力学性能研究。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（52003142）*为通讯联系人
收稿日期：2022-02-16
航空轮胎是轮胎产品中一个特殊的分支，它的速度与赛车轮胎类似，单胎负荷跟大规格工程机械轮胎相差无几。1980年米其林公司试制出世界第1条航空子午线轮胎，2000年开始，航空轮胎子午化率不断提高，航空子午线轮胎由技术完善期跨入了市场扩张期。2008年1月，曙光橡胶工业研究设计院研发出我国首条航空子午线轮胎，成功通过国家标准规定的各项静态和动态试验，达到装机要求，中国航空子午线轮胎实现了零的突破。这打破了西方发达国家对这一技术长达28年的垄断，使中国成为世界上第5个有能力研发、制造和试验航空子午线轮胎的国家
[1]
。
除水上飞机和滑橇式起落架直升机之外, 航空轮胎是所有飞机不可或缺的部件。航空轮胎有三大功能: ①载重，承载飞机在地面时的全部质量，缓冲飞机起飞、降落和滑行时产生的振动和冲击；②辅助飞机在地面上的滑行；③是飞机在地面上最主要的操纵系统，向跑道传递制动力，为转向提供侧向力。负荷大、速度高、下沉量大、变形大和充气压力高是航空轮胎最常见的特点。航空轮胎必须特别抗冲击、抗刺扎和耐高温，能够满足抗外物致损、经受飞机高速起飞产生强大离心力和着陆接地瞬间巨大冲击力的要求。为了保证飞机安全起飞、降落，航空轮胎必须同时具备赛车轮胎的速度能力和巨型工程机械轮胎的负荷能力。[2]因此，航空轮胎的设计尤其是配方设计尤为重要。
1　航空子午线轮胎结构特点与胶料的关系
航空子午线轮胎胎体帘布层有多层组成，带束层
航空子午线轮胎胶料配方设计
王静
1*
，褚文强
2
(1.清华大学 车辆与运载学院，北京  100084；2. 安迅物流有限有限公司，北京  100027)
摘要：首先介绍了航空子午线轮胎产业的情况，其次总结了航空子午线轮胎的胶料配方设计，并对设计的配方进行了试验验证，做成轮胎之后满足各标准要求，最后对航空子午线轮胎的发展作了展望。
关键词：航空子午线轮胎；配方设计；试验验证中图分类号：TQ330.61
文章编号：1009-797X(2022)06-0039-05
文献标识码：B      DOI:10.13520/jki.rpte.2022.06.008
6~8层一般0°~25°角周向排列，其轮胎周长基本不变；通常带束层承受内压应力的60%~75%；因此，带束层是一个承受外力的一个刚性的整体，帘线与橡胶的黏合力在热和机械疲劳作用下应保持较高水平，胶料能承受高度的应变强度，具有生热低等特点。
子午线轮胎胎体帘线呈径向排列，胎侧径向变形大，比斜交胎大10%~30%, 而它承受的最大应力比斜交胎高出一倍，在此情况下，胎侧中部的胶料经受两向伸张，而胎圈区和胎侧端则为两向压缩，从而易使胎圈区产生曲挠裂口或使带束层端部与胎面区和胎面之间发生脱层，而且轮胎伸张应力是通过橡胶传递到带束层上，因此胎体与缓冲层之间产生相当大的剪切应力。此外，胎面与胎侧刚性相差很大，因此剪切应力最大区域发生在带束层的边端。
由于子午线轮胎钢丝圈处胎体帘布层少，胎侧柔软，容易造成胎圈刚性不足，变形大、稳定性差，因此加大胎圈的刚性是十分重要的。从高刚度的钢丝圈逐渐向柔软的胎侧过渡，防止胎圈脱层或裂口，可采用胶芯胶过渡的方法，再辅以加强层，并与轮辋接触的部位增加耐磨性优良的子口护胶等。
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2　航空子午线轮胎各部位胶料性能匹配
航空轮胎在滑行起飞的侧向力、径向力和周向力的作用，而部件之间的刚性不同，产生的形变也不同，部件变形的差异使界面间产生相对的剪切变形，如果各部件之间的性能配合不当，可能使层间发生早起损坏。由于子午线轮胎最易坏的区域是胎肩部位带束层端点和胎圈区。由于子午线轮胎胎冠横断面上产生的剪切力从胎冠中部至胎肩逐渐增大，而帘布层帘线内压应力在断面各点上都相等；子午线轮胎胎圈部位的内压应力比其他结构的轮胎高30%~40%，因此必须使每种胶料部件根据所在的位置的作用，提出相应的物理机械性能要求及相互的匹配条件，才能保证轮胎的性能。
2.1　航空胶料主要部位定伸强度匹配
以49x19.0R20轮胎为例，子午线是由尼龙、芳纶或芳纶尼龙复合帘线作为骨价材料，且胎体帘布胶有5~6层，带束层7~8层组成。因此，在胎面胶、垫胶、带束层、外层、内层、密封层300%定伸采用阶梯型匹配方式，以适用轮胎各部位的应变状况。具体指标见表1。
表1　航空子午线轮胎胶料300%定伸匹配
部件名称
设计指标/MPa
实测值/MPa
胎面胶16~1817.1垫胶10~1211.8带束层15~1715外层胶13~1514.7内层胶12~1412.6胎侧胶7~98.7填充胶12~1413.3三角胶15~1716.4耐磨胶17~1918.1气密层
8~10
8.4
说明：硫化条件：150 ℃×20 min
2.2　航空子午线轮胎胶料刚性的匹配
子午线轮胎变形时与胎面刚度、胎圈刚度密切相关，子午线轮胎的带束层、胶芯胶、胎圈胶、子口护胶要求硬度高，以加强相应部位的刚性，胶料的硬度直接反应了各部位的刚性程度，以硬度表示子午线刚性配合更为确切。
胎肩和胎圈部位是子午线轮胎构件最为集中的区域，也是承受应力应变过渡最为明显的区域。是重点解决的问题。
2.2.1　胎肩区域胶料的刚性分布
胎肩区是从刚性最大的带束层端部过渡到刚性低的胎侧，为了避免刚性的突然变化而产生的最大剪切
变形和屈挠集中点，在主要带束层的端点上部有一硬度高的垫胶或胎面，以此来确保带束层的整体刚性；而位于带束层之下的低硬度胎肩垫胶，则可吸收带束层部分的变形，防止在带束层端部产生最大应变的最大点，以保证胎侧、垫胶与带束层合理过渡。
2.2.2　胎圈区胶料刚性分布
整个胎圈是由刚性最大的钢丝圈向柔软的胎侧过渡，为了使部件刚性逐渐过渡，避免出现变形突然转移区，采用低硬度和高弹性的填充胶与高硬度胶芯胶配合方式，作为刚性过渡的部件，另外还要以胎圈加强层及子口护胶等部件增加胎圈下部的刚性，并在加强层的上端以高弹性的胶料填充，提高过渡区的耐屈挠疲劳性，整到一个由刚硬到柔软的弹性整体，以保证耐久性能，胶料硬度匹配见表2。
表2　航空子午线轮胎胶料硬度匹配
部件名称硫化条件设计指标/（邵尔A ）度
实测值/（邵尔A ）度
胎面胶150 ℃×30 min
69~7369垫胶57~6159带束层69~7372外层胶68~7271内层胶66~7068胎侧胶56~6057填充胶58~6259三角胶83~8785耐磨胶72~7674气密层
56~60
57
2.3　航空子午线轮胎胶料硫化速率的匹配
航空轮胎胎体帘布少传热快，各部件胶料温度历程与斜交胎有明显的差异，采用硫化机硫化子午胎时，从硫化胶囊方向的传热比外温要快，且温度要高，也就是胎体帘布层升温最快，因此在设计胎体帘布层胶的正硫化时间，应该与胎面胶基本相同或者再慢些。才能不造成帘布层硫化过深而降低其性能，详见表3。
轮胎帘布表3　航空子午线轮胎胶料正硫化时间的匹配表
部件名称设计指标实测值胎面胶12~1412.65垫胶10~1210.12带束层12~1413.26外层胶16~1818内层胶16~1818.5胎侧胶13~1713.3填充胶8~108.82三角胶8~109.09耐磨胶6~8  6.65气密层
12~14
12.2
3　航胎主要部件配方设计
3.1　胎面胶
胎面是轮胎与地面接触的部分，也是带束层、胎
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体的保护层。需经受特别苛刻的使用条件，在轮胎高速度、高冲击、高负荷下，要求胎面胶具有优异的耐磨耗性能，动态生热也要低，以及具有较高的强伸性能和耐撕裂性能。为飞行安全，胎面配方还要求具有一定的导静电性能。
在进行胎面胶配方设计时，采用正交试验方法，对生胶体系、炭黑补强体系、硫化体系等进行变量分析，通过一系列试验和综合物理机械性能分析，决定生胶采用综合性能好的全烟片胶生产，以提高胶料的强伸性能和耐撕裂性能。石墨烯作为新材料之王，应用在轮胎胎面配方中可大幅度提高胶料的耐磨性能和导静电性能，并进一步降低了轮胎生热，提高轮胎的使用寿命。在补强体系中选用强力高，伸长率大，耐磨耗性能好的超耐磨和中超耐磨炭黑并用。配方中使用脂肪酸锌盐类材料和聚萜烯树脂和抗硫化返原剂等替代油类助剂和其它助剂，在利于胎面胶生产、分散和压出的前提下提高胶料交联密度，提高耐磨抗撕裂性能，并减少小分子物质析出。氧化锌和硬脂酸搭配提高硫化活性促进分散。使用化学防老剂中综合性能好的防老剂4020、耐热氧老化防老剂RD 与物理防老剂微晶蜡搭配，增加防老体系的协同效应，提高胶料的耐热氧老化和臭氧老化性能。硫化体系使用不溶性硫黄替代普通硫黄，减少硫化胶动态生热和降低喷霜风险。
3.2　胎侧胶
航空轮胎由于使用负荷大、承受较大的冲击，使用下沉量大（轮胎下沉量在20%以上）。因此，航空轮胎胎侧是侧向变形最大的部位，导致其要承受较大的伸张应力，产生大应变下的疲劳。所以，胎侧配方设计要求具有良好的耐老化性能、耐疲劳性能及抗屈挠性能。另外胎侧还直接与大气接触，要求胶料耐天侯老化性能好。加工过程中还要求胎侧胶具有较好的流动性和工艺黏性。
胎侧配方设计中，我们采用烟片胶与高顺式聚丁二烯橡胶并用的方案，提高胎侧胶料的耐屈挠，抗龟裂性能。炭黑采用新工艺高结构炉黑和通用炉黑并用，在保证胶料定伸性能和柔顺性的同时，提高胶料的耐撕裂性能和耐屈挠性能。配方中加入增黏树脂提高胶料的自黏性，同时提高胎侧胶与外层帘布胶的黏合强度，减少脱层。使用物理防老剂中性能好的双峰防护蜡和化学防老剂4020/RD 搭配使用，加强防老剂之间的协同效应，以有效防护热氧老化、动态疲劳老化和
紫外线老化。硫化体系选用环保型促进剂NS 和工艺性能优异的不溶性硫黄，采用半有效硫化体系使胶料具有较高的耐热性和耐氧性。
3.3　带束层胶配方
航空子午线轮胎带束层较斜交胎的缓冲层承受更大的剪切力，因此胶料应有较高的拉伸强度、耐疲劳性
、耐热性以及与芳纶或芳纶/尼龙复合帘线的黏合强度，尤其是黏合性能是评价好坏的主要指标。为了得到最好的橡胶与芳纶或芳纶/尼龙复合材料的黏合性能，各大轮胎公司以及原材料厂家都进行了广泛的试验研究，总体上采用天然胶和间甲白黏合体系是获得较好黏合体系的有效手段。间甲白增黏体系基本上是由间苯二酚、亚甲基给予体和白炭黑所组成。在硫化过程中，间苯二酚与亚甲基给予体产生树脂化反应，同时橡胶分子也进行树脂化交联，这样增黏剂起到协调硫化和参与交联的作用，以增进橡胶与芳纶或芳纶尼龙复合帘线RFL 渗渍乳胶层的黏合，研制配方胶与芳纶复合帘线黏合力H 抽出达135 V/根，老化后达170 V/根：橡胶与芳纶黏合力H 抽出达149 V/根，老化后达182 V/根，带束层胶料与芳纶帘线黏合力H 抽出高于胶料与芳纶／尼龙复合帘线，达到很好的黏合效果。
3.4　肩垫胶配方
为了将胎体帘布层与带束层端点隔离，并使带束层的弧度和胎面基本保持平行，减少芳纶或芳纶复合帘线承受的弯曲变形，起到转移和吸收动态下胎肩最大的应力，因而在胎肩部带束层下设计有一定形状的垫胶，肩部垫胶处于胎冠到胎侧的过渡区，它使胎肩平缓地过渡到胎侧区，避免厚度突然变化引起肩部胶料的疲劳损坏。肩垫胶的特征主要为高弹性、低生热以及较低定神强度。配方中以天然胶为主，配入40~50 份炭黑；硫化体系采用正常硫化体系。
3.5　胎体胶
胎体胶要求与骨架材料有良好的黏着性能，较低的生热、耐疲劳，变形小。配方设计中采用全烟片胶配方，配方弹性高，生热低，工艺性能好。补强体系采用低结构高耐磨炭黑和新工艺炭黑并用，使胶料具有较低的生热和高的强伸性能。为保证胎体层间的黏合强度，应用部分增黏树脂和抗撕裂树脂。胶料与纤维帘线的黏合采用间甲体系，使胶料有较高的黏合强度和黏合保持率。硫化体系采用高硫低促体系，以提高胶料和骨架材料的黏合力。
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3.6　填充胶
航空胎填充胶要求一般性能要求易于接头、定伸模量适中、硫化速度快等特点。配方中选择烟片胶作为主体材料，搭配低生热炭黑，硫化体系设计中兼顾胶料的回弹性和低生热，采用普通硫化体系。防老剂使用化学防老剂和物理防老剂搭配。
3.7　内衬层胶
航空胎气密层胶的性能要求是气密性好、硫化速度与其它胶料匹配，半成品自黏性能良好。生胶体系选用综合性能好的烟片胶，补强体系选用可以提供较高的拉伸强度和撕裂强度，而滚动损失较小的高补强型炉法炭黑。使用氧化锌和硬脂酸作为活性剂。加入部分增黏树脂提高胶料的黏性，防止脱层。防老体系选用化学防老剂和物理防老剂配用。硫化体系使用常规的硫化体系使硫化速度匹配。
3.8　钢丝圈胶
钢丝幅胶性能要求有与胎围钢丝良好的黏合性、覆胶性能好，较高的梗度，较高的定伸模量，强度和伸长率较低。配方生胶采用烟片胶和高顺式聚丁二烯橡股并用其目的是使钢丝表面附胶均匀，不易破断，填充高份数炭黑，且以表面积小的通用炭黑为主，使胶料柔软。
硫黄用量高，硫黄用量高还起增硬的作用。但需注意硫黄用量高可能导致胶料喷霜。
3.9　硬胶芯胶
硬胶芯胶性能要求半成品黏性好、硫化速度快、胶料硬度高，提高子口部位的挺性。这种胶料应具有较高的硬度，要获得高硬度的胶料，从以下三个方面进行①适当增加炭黑用量；②不溶性硫黄量份数较多；③补强树脂＋HMT 有增硬和增韧作用。
3.10　子口耐磨胶
轮胎要求使用速度高、载荷大、寿命长，子口护胶位于轮胎胎圈与轮辋接触的部位，需具备优异的性能来满足要求，为防止在轮胎转动过程中轮胎与轮辋有相对滑移，胎圈部位与轮辋箍的很紧，子口护胶与轮辋紧密接触，受力很大，需要子口护胶具备优异的耐磨性能，防止胎圈被轮辋磨损。同时，航空轮胎胎圈部位刚性很大，需要子口护胶具备较高的硬度与其匹配，飞机在刹车过程中轮辋温度会很高，还需要子口护胶具有优异的耐热性能。在配方设计中，选用烟片胶和高顺式聚丁二烯橡胶并用，填充大量新工艺高耐磨炉黑，提高胶料的硬度和耐磨性能。配方中增加
部分增黏树脂，提高胶料间的黏合力。使用双－马来酰亚胺类抗硫化返原剂减少硫化胶的过硫后带来的性能损失。硫化体系采用次磺酰胺类促进剂与不溶性硫黄并用半有效硫化体系。
4　子午线航空轮胎各部位胶料的物理机械性能
依据以上设计思路制备的各部位胶料，可满足轮胎的各标准要求。各部位胶料的物理机械性能见表4。
5　结论
面对国际航空轮胎发展趋势的新格局与我国航空业发展需求，国内航空轮胎业应增强自主研发能力，掌握关键技术，打破国外垄断
[3]
。
5.1　加强研发队伍建设，加大研发资金投入
航空轮胎业是技术和资金密集型产业，因此必须拥有一支高技术素质的研发队伍，尽快组建国家级航空轮胎研发中心，避免高水平人才流失。加大研发经费投入，为提高企业核心竞争力提供必要的经济支撑。
5.2　加强基础设计理论研究
以航空轮胎为研究对象，开展基础设计理论研究，建立数学、力学和热学模型，利用计算机技术和有限元仿真分析方法，分析轮胎结构和材料的力学性能，研究胎体和轮胎接地面的应力应变和温度场分布，提出先进适用的航空轮胎基础设计理论，用以指导航空轮胎设计。
5.3　加强新材料、新配方的研究和应用
国内应加强新型骨架材料的研究以及在航空轮胎上的应用。锦纶帘线具有强度高、密度小、弹性好、吸湿率低和抗冲击强度高等优点，非常适宜用作轮胎的骨架材料。航空轮胎的骨架材料已普遍采用高强力和改性锦纶帘线。由于芳纶具有高模量、高强度、高热稳定性和质量小等一系列优异性能，近年来国外已采用芳纶以及芳纶/锦纶复合帘线作为航空轮胎胎体骨架材料和带束层骨架材料，国内应加紧芳纶以及
芳纶/锦纶复合帘线在航空轮胎的应用。 加紧开展新型橡胶配合剂应用研究，如新型炭黑和白炭黑等橡胶补强材料以及各种新型助剂等，研发高性能航空轮胎胶料配方。
5.4　加强与飞机制造商合作
航空轮胎是飞机起落架上必不可少的部件，需要与起落架系统匹配良好，满足飞机一系列使用性能要
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求。因此，航空轮胎企业应加强与飞机制造商的技术协调与合作，在飞机研发的同时，按照飞机的性能要求研发与之相配套的航空轮胎。参考文献：
[1]
王松威，关伟平，等.全球航空轮胎业现状与发展趋势，轮胎
工业，2009,11,643-648.
[2] 邓海燕，关伟平.全球航空轮胎产业现状与发展及其对工装设备的要求，橡塑技术与装备，2012，38(2):10-16.
[3]
林奕龙.航空轮胎行业发展现状及未来需求预测[J].中国橡胶, 2019(3):14-19.
表4　各部位胶料的物理机械性能
胶料名称项目
胎面胶带束层胶
胎侧胶
肩垫胶
胎体胶
填充胶过渡层胶三角胶芯子口耐磨胶未硫化胶硫化特性检测（MDR2000硫变仪）150 ℃×30 min M H /dNm 17.97 21.45 14.21 22.79 18.31 19.1816.4327.5228.66M L /dNm    1.89    3.75    2.76    2.78    2.
55    2.47  2.8  3.16  5.34T 90/min
8.90 12.78 10.94 8.50 14.09 9.24
13.38.968.75硫化胶物理机械性能检测150 ℃×20 min
比重
1.126    1.119    1.087    1.113    1.113    1.099  1.108  1.162  1.161邵氏硬度，度6
2.7 67.2 55.0 65.6 6
3.5 62.459.172.375.2100%定伸应力/MPa    3.07    3.07    1.69    3.30    2.46    2.81  2.16  5.22  5.22300%定伸应力/MPa
12.48 13.85 7.45 14.74 11.60 13.2310.3219.66/拉伸强度/MPa 20.19 25.27 22.75 23.09 26.09 23.726.0920.1719.56扯断伸长率/%447.47 485.29 615.26 435.68 540.14 468.05561.66309.05237.73撕裂强度/(kN .m -1）
44.57 99.95 62.63 58.24 72.56 54.7377.4740.8934.91回弹性/%70.9 55.2 60.0 63.6 63.9 67.6
65.462.350.9老化后物性检测100 ℃×48 h
邵氏硬度，度67.3 75.6 60.9 71.5 70.2 67.566.37882100%定伸应力/MPa    4.45  5.7  2.56    4.98    4.82    4.02    4.07 7.24 7.84 300%定伸应力/MPa
13.7119.8311.31 /18.65 17.61 17.46 //拉伸强度/MPa 16.220.3616.85 19.30 19.30 18.30 20.16 12.55 11.11 扯断伸长率/%298.41293.88404.04 309.48 309.48 310.02 345.52 162.11 130.10 扯断永久变形7.6915.387.69 11.54 11.54 11.54 15.38    3.85    3.85 撕裂强度/(kN .m -1）
35.83 48.55 37.01 35.34 37.82 35.78 44.12 26.58 26.92 回弹性/%
72.6
55.6 60.5 62.2 61.7 67.2
64.5
61.2
50.2
Compound formulation design of aviation radial tire
Wang Jing 1 *, Chu Wenqiang 2
(1.School of Vehicle and Mobility, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2.Anxun Logistics Co. LTD., Beijing 100027, China )
Abstract: This paper firstly introduces the situation of the aviation radial tire industry, and then summarizes the design of the rubber compound for the aviation radial tire, and tests the designed formula. After testing, the completed tires meet the requirements of various standards. Finally, the development of aviation radial tires was prospected.
Key words: aviation radial tire; formula design; experimental verification
(R-03)
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