航空轮胎骨架材料及其发展

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航空轮胎骨架材料及其发展
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    航空轮胎是轮胎大家族中一个非常特殊的分支。本文概述航空轮胎的使用特点和要求，重点介绍航空轮胎骨架材料及其发展。

8 s: y6 F5 s2 r0 q5 H1 b    1  航空轮胎的使用特点和要求
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- Z! a# B6 V4 M" P8 |, m    航空轮胎最常见的使用特点是负荷大、速度高、下沉量大、变形大、充气压力高，必须特别抗冲击、抗刺扎和耐高温，能够满足抗外物致损的要求，能够经受住高速起飞产生的强大离心力和着陆接地瞬间的巨大冲击力。在某些情况下，譬如舰载飞机，航空轮胎在着舰瞬间极可能进入全压缩状态，即胎侧已经与轮辋圈座接触，但此时轮胎不允许有丝毫损坏，必须正常工作，继续完成着舰滑行。此外，航空轮胎必须要求质量小，这对航空器非常重要，意味着航空器的有效载荷能力增大。

# m! P0 K" |. X) Z. C    2  航空轮胎骨架材料的作用和要求
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    航空轮胎与其它轮胎一样由橡胶和骨架材料组成，其中骨架材料所起的作用十分重要。骨架材料是航空轮胎的主要受力材料，承受充气压力和航空器负荷以及运转时产生的各种应力，经受高速起飞产生的强大离心力和着陆接地瞬间的巨大冲击力，抵抗外物的刺扎和机械损伤，保持轮胎的尺寸和形状。随着航空器的发展，航空轮胎的负荷、速度和充气压力不断提高，使用条件越来越苛刻，对骨架材料的性能提出了越来越高的要求。

* m3 c' b4 J' ~8 Q' K$ r: p& l0 K, q    任何骨架材料的性能不可能尽善尽美，可能在某些方面具有优越性能，但在其它方面有其不足之处。航空轮胎设计者必须根据航空轮胎的使用要求和不同部件的作用，选用适合要求的骨架材料。
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% p% d8 ^. `7 C  s& ^# n    现代航空轮胎的工作负荷和内压以及速度越来越高，例如波音747-400B飞机主轮胎的单胎工作负荷高达25670 kg，工作负荷下的内压高达1470kPa，额定速度高达378km·h-1；某些新型战机或舰载飞机轮胎的工作内压高达2000 kPa以上；高原型航空轮胎的最大起飞速度高达450km·h-1。航空轮胎的径向变形大，最大下沉量达到轮胎工作断面高的36%。为了满足航空轮胎高载、高压、高速以及大变形和轻量化的要求，骨架材料应具有高强度、低密度、吸湿率低、抗冲击、高热稳定性、耐疲劳以及适宜的定负荷伸长率和拉断伸长率等，同时必须与橡胶具有优良的粘合性能。
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    3  航空轮胎骨架材料的发展
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    最早的航空轮胎采用棉帘线作为骨架材料，但由于棉帘线强力低，以棉帘线为骨架材料的航空轮胎层数多、胎体厚、质量大。此外，棉帘线耐疲劳性能差，因此随着化学纤维帘线的出现，棉帘线随之被淘汰。此后，人造丝曾一度在包括航空轮胎在内的轮胎帘线中占据主要地位。人造丝的主要优点之一是尺寸稳定性好，但因其强度和耐疲劳等性能不佳，在20世纪50年代中期开始逐渐被综合性能更好的锦纶替代。
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% U: E6 ~! J2 u9 b( o$ y    锦纶具有强度高、相对密度小、弹性好、吸湿率低、抗冲击强度高等优点，锦纶耐屈挠性能比人造丝高10倍，耐疲劳性能优于其它纤维。用于橡胶制品的帘线的疲劳寿命由长到短依次为锦纶66、聚酯(DSP)、芳纶/聚酯混杂、芳纶。因此锦纶帘线非常适宜于用做航空轮胎的骨架材料，目前已被航空轮胎普遍采用。常用的锦纶帘线有锦纶6和锦纶66两种，锦纶66帘线的耐热性能优于锦纶6帘线，有取代锦纶6帘线用于航空轮胎的趋势。锦纶帘线也有一些缺点，如热稳定性不好、干热收缩率较高、易发生蠕变现象、轮胎使用后期膨胀较大等。以锦纶帘线为骨架材料的轮胎在静负荷作用下接地面会出现平点，导致轮胎不平衡；锦纶帘线由于极性强，不易与橡胶粘合，必须进行浸胶处理；为了防止锦纶帘线热收缩，硫化后的轮胎必须在内压作用下进行冷却。
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+ L' L0 U8 M, H) o3 M; j    近年来，针对锦纶的缺点，国内外对其进行了一系列改性，推出了改性锦纶。中国神马集团有限责任公司研发出改性锦纶66帘线，主要通过对原丝和浸渍等工序、工艺、配方和设备方面的改进，在保持帘线高强力条件下，使帘线的干热收缩率小于3%(普通锦纶66帘线的干热收缩率为5%)，解决了以锦纶帘线为骨架材料的轮胎尺寸稳定性差和平点问题。荷兰DSM公司研发成功了尺寸稳定性好的锦纶46帘线(商品名为Sta-nyl)，它是由乙二酸与丁二胺聚合而成，其在120℃下的模量比锦纶66高25%，160℃下的收缩率比锦纶66低3%；在较高的温度下具有稳定的物理性能；在负荷作用下蠕变小，尺寸稳定性和耐热老化性能高于锦纶6和锦纶66，并且平点倾向性也低于锦纶6和锦纶66，与橡胶的粘合性能好。这些改性锦纶更适合于航空轮胎。
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    钢丝帘线与其它帘线比较，单根强力极高。钢丝帘线的耐热性能很好，通常在轮胎的使用温度范围内强力几乎不降低，且尺寸稳定性好，抗外物刺扎性能好。但由于钢丝的破断伸长率小，只有2.5%左右，因此并不适合做大变形工作条件的航空轮胎胎体帘线。此外，钢丝的密度大，也不适应航空轮胎轻量化的要求。但由于钢丝帘线具有高模量和优异的抗刺扎性能，国外有的航空子午线轮胎采用了排列成波状形的钢丝帘线做冠带层，排列成波状形的钢丝帘线在负荷和内压作用下可沿周向伸张。
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    航空轮胎一向以保守著称，子午化率低，新技术、新材料应用慢，但在最近数年间情况有了一些变化。第1代超音速客机——协和飞机失事成为促进航空轮胎子午化、芳纶化的一个契机。2000年7月25日法国航空公司的一架协和超音速客机在巴黎郊外坠毁，事故调查结论是机场跑道上的金属碎片扎破轮胎，轮胎爆破产生的橡胶块击穿飞机油箱，从而酿成机毁人亡的惨祸。虽然责任不在轮胎，但当时有人提出轮胎制造商能否提供抗外物致损性能更好的轮胎。2000年年底，法国米其林公司接受法航委托，开发为协和飞机复出准备的NZG(Near Zero Growth)轮胎。NZG轮胎具有如下特点：采用芳纶纤维作为骨架材料，辅以改进骨架层结构，使轮胎膨胀率只有3%，故称“近零胀大”，而且质量比同规格斜交轮胎减小20%；轮胎爆破后形成的碎块体积较小，平均质量不到0.45 kg；轮胎抗外物致损性能非常好。现在，虽然协和超音速客机因商业原因已经停运，但曾为其服务的NZG技术却继续发挥作用，带动航空轮胎走向子午化、芳纶化。
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    芳纶具有高模量、高强度、尺寸稳定性优异、耐热性能好、质量小等一系列优异性能，但与钢丝类似也存在拉断伸长率小的问题(芳纶的拉断伸长率为4%左右)，且芳纶的耐疲劳性能欠佳，纯芳纶帘线并不十分适用于大变形工作条件的航空轮胎胎体，一般仅适用于航空子午线轮胎带束层。
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    近年来，国内外已开始研发芳纶/锦纶复合帘线(或称芳纶/锦纶混杂帘线)，即将芳纶和锦纶按不同的捻数和捻向、不同的旦数和根数搭配捻合在一起组成芳纶/锦纶复合帘线。日本帝人公司已开发出芳纶/锦纶复合帘线，北京橡胶工业研究设计院、昊华南方桂林曙光橡胶工业研究设计院和山东海龙博莱特化纤有限责任公司也开展了合作研究，开发用于航空子午线轮胎的芳纶/锦纶复合帘线。表1列出了国外(A公司)和国内(B公司)两家公司研发的芳纶/锦纶复合帘线的性能测试结果。
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    表1  芳纶/锦纶复合帘线的性能测试结果
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项目
A公司
  [9 c+ J; l( j5 L. ~$ A B公司

: N7 x  g" b* p; S  Q" J9 Q3 O* P帘线结构
$ A$ Q, A- N3 V; c# Y 1680dtex/2芳纶+1400dtex锦纶66
) {" g/ d8 H) d4 _# V3 ^ 1670dtex/2芳纶+1400dtex锦纶66

- A( m- G3 C/ W+ p7 v1 V- e帘线直径/mm
0.84
0.96

捻度1)/mm(捻·cm-1)
25.5
31.0
# W% j5 r+ G  }$ _5 m! b+ q
( O/ q+ P# M8 Q4 R$ J. T' \" ]断裂强力/N
579.6
552.6

7 \" {" t8 p3 b0 K  X100 N定负荷伸长率/%
" E" |! \3 ]" G: h$ C 3.4
1 Q- p$ {7 ]3 j) G9 F% g1 p( ?$ h6 E 5.9

% y& K  g# J$ Y: H0 F断裂伸长率/%
8.6
: _. Q/ N7 }5 m3 t' t. } 13.5

断裂强力不匀率/%
5 m8 B: ~6 I2 M1 X, a' h 1.55
2.2

断裂伸长率不匀率/%
0.21
; R& m5 ^1 H: J! x9 D: }8 O  j 1.80

粘合强度/(kN·m-1)
! f, E" f0 b1 Q3 _/ D. b/ v* z 16.13
. |; _7 z1 L+ ?, m! c) P4 ] 18.27

+ }0 _+ b! R% C
    注：1)复捻；2)H抽出法。
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    芳纶纤维和锦纶纤维组成复合帘线，通过两种纤维的协同作用既能发挥芳纶纤维高模量、高强度、高热稳定性、质量小的优点，又可发挥锦纶纤维弹性好、吸湿率低、抗冲击强度高、耐疲劳性能好的优点。芳纶/锦纶复合帘线的优势在于可以根据轮胎设计者的意愿，对芳纶和锦纶的规格和根数、捻数和捻向进行组合，以满足轮胎不同部件的要求，是一种很有前途的航空轮胎胎体和带束层用骨架材料。
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    4  结语

    随着航空器的发展，航空轮胎的负荷、速度和充气压力不断提高，使用条件越来越苛刻，对骨架材料的性能提出了越来越高的要求。为了满足航空轮胎高载、高压、高速以及大变形和轻量化的要求，骨架材料应具有高强度、低密度、低吸湿率、抗冲击、高热稳定性、耐疲劳以及适宜的定负荷伸长率和拉断伸长率等性能，此外，还必须与橡胶具有优良的粘合性能。目前航空轮胎的骨架材料普遍采用锦纶66帘线，但随着高模量、高强度、高热稳定性、质量小、弹性好、吸湿率低、抗冲击强度高、耐疲劳性能好等优点的芳纶/锦纶复合帘线异军突起，锦纶66帘线一枝独秀的局面将会发生变化，芳纶/锦纶复合帘线将很快得到推广应用，成为航空轮胎主要的骨架材料之一。

李奇峰

楼主能否对问吧的问题做一些解答呢