航空輪胎導(dǎo)電性能測(cè)試方法研究

王超群，吳洪全

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

飛機(jī)在空中高速飛行過程中，由于大氣粒子沖擊摩擦、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣、大氣電場(chǎng)感應(yīng)、地磁場(chǎng)感應(yīng)等因素產(chǎn)生很高的靜電電壓，同時(shí)飛機(jī)起落架在飛機(jī)起落時(shí)與地面進(jìn)行劇烈摩擦產(chǎn)生大量電荷。靜電的產(chǎn)生和釋放不僅會(huì)對(duì)飛機(jī)上的無線電設(shè)備，特別是中、長(zhǎng)波導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的射頻干擾，造成無線電羅盤定向距離大大縮短，還會(huì)導(dǎo)致油箱爆燃、電擊傷人、靜電起火等嚴(yán)重危害。

飛機(jī)靜電電流通常通過放電刷釋放，使機(jī)體不會(huì)形成高能量的電能聚集。在著陸過程中，導(dǎo)電性能較好的航空輪胎可以有效使飛機(jī)起落架接觸地面瞬間把機(jī)體殘留電荷釋放掉，避免乘客下飛機(jī)時(shí)觸電。本工作從航空輪胎導(dǎo)電必要性、導(dǎo)電機(jī)理、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)效果等多方面進(jìn)行分析，為航空輪胎導(dǎo)電性能測(cè)試提出切實(shí)可行的方法。

1 現(xiàn)行航空輪胎導(dǎo)電性能測(cè)試方法概述

航空輪胎導(dǎo)電性能直接影響飛機(jī)機(jī)體殘余電荷能否釋放到安全限度以內(nèi)，因此對(duì)航空輪胎測(cè)量電阻的方法進(jìn)行規(guī)范非常必要。

1.1 導(dǎo)電性能測(cè)試方法簡(jiǎn)介

（1）國(guó)內(nèi)目前執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GJB 108B—1998《軍用航空輪胎試驗(yàn)方法》中規(guī)定的導(dǎo)靜電性能試驗(yàn)方法是利用伏安法的電學(xué)原理測(cè)量輪胎外表面直流電阻值，兩個(gè)測(cè)電端子分別位于離胎圈底部25 mm的輪胎兩側(cè)胎圈外表面，并涂上導(dǎo)電液，使用夾具夾好電極，保證接觸電極與被測(cè)輪胎有良好接觸。該方法規(guī)定了測(cè)試溫度、濕度和時(shí)間等相關(guān)測(cè)試條件。GJB 683A—1998《軍用航空輪胎規(guī)范》中規(guī)定新設(shè)計(jì)航空輪胎電阻不大于5×104Ω。

（2）按GB/T 26277—2010《輪胎電阻測(cè)量方法》中的有關(guān)規(guī)定，被測(cè)輪胎需要加載（80%±5%）的額定負(fù)荷和（80%±5%）的額定充氣壓力，且輪胎裝配輪輞在靜負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，兩個(gè)電極之間測(cè)試的是輪輞至輪胎接觸地面之間的電阻值，測(cè)試方法相對(duì)復(fù)雜。該方法明確為轎車輪胎、載重輪胎、摩托車輪胎、工業(yè)車輛和工程機(jī)械輪胎及農(nóng)業(yè)輪胎測(cè)量電阻，未提及適用于航空輪胎。

（3）國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE International）SAE ARP 6404—2011《航空輪胎電阻試驗(yàn)》按照ASTM F1971《試驗(yàn)臺(tái)上輪胎負(fù)載電阻標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》規(guī)定，航空輪胎測(cè)試的軸向位置的平均電阻應(yīng)小于107Ω。而美國(guó)MILT-5041中規(guī)定航空輪胎表面電阻小于5×104Ω。

1.2 導(dǎo)電性能測(cè)試方法存在的問題

（1）GJB 108B—1998 和GJB 683A—1998 采用兩個(gè)測(cè)電端子測(cè)量輪胎表面電阻的方法已不實(shí)用，僅可用于航空輪胎生產(chǎn)監(jiān)控，需要及時(shí)更新。

（2）GB/T 26277—2010規(guī)定一般輪胎電阻不超過1010Ω，水蒸氣、粉塵、易燃?xì)怏w等特殊環(huán)境中使用的輪胎電阻不超過106Ω，此標(biāo)準(zhǔn)明顯不適用于航空輪胎。

（3）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)資料不完善，相關(guān)數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步驗(yàn)證。SAE ARP 6404—2011與GB/T 26277—2010所描述的測(cè)試方法相似，只是對(duì)航空輪胎規(guī)定了不同的電阻限值。

2 航空輪胎導(dǎo)電機(jī)理及影響因素

2.1 導(dǎo)電機(jī)理

導(dǎo)電橡膠材料的電學(xué)性能是指在施加一定的電場(chǎng)作用下材料的介電、導(dǎo)電、電擊穿及與其他材料摩擦產(chǎn)生表面靜電等性能。航空輪胎導(dǎo)電性能在很大程度上取決于導(dǎo)電性填料炭黑的類型和用量。炭黑呈粒子狀，且價(jià)格便宜，是用于導(dǎo)電橡膠的適宜填充劑，同時(shí)可使硫化橡膠的力學(xué)強(qiáng)度、耐疲勞性能和耐老化性能顯著提升。

炭黑作為導(dǎo)電填料，目前比較認(rèn)可的有兩種導(dǎo)電機(jī)理，即隧道效應(yīng)和電場(chǎng)放射。

（1）隧道效應(yīng)。導(dǎo)電橡膠中的炭黑顆粒間互不接觸，存在隔離層，導(dǎo)電自由電子具有一定勢(shì)能的勢(shì)壘。隔離層的厚度以及隔離層勢(shì)壘能量與電子能量之差越小，電子穿過隔離層的可能性越大。當(dāng)電子穿過隔離層，導(dǎo)電顆粒間的絕緣層就變?yōu)閷?dǎo)電層。電子穿過勢(shì)壘的現(xiàn)象稱為貫穿效應(yīng)，也稱為隧道效應(yīng)。

（2）電場(chǎng)放射。由于炭黑粒子間產(chǎn)生的高壓電場(chǎng)強(qiáng)度而產(chǎn)生電量導(dǎo)致電場(chǎng)放射。

電阻分為體積電阻和表面電阻，由于體積電阻測(cè)試總是要被或多或少地包括到表面電阻的測(cè)試中，因此只能近似地測(cè)量表面電阻。

一般來說，航空輪胎導(dǎo)電過程為飛機(jī)機(jī)體的殘余電荷由機(jī)體通過起落架上裝配的輪胎輪輞傳導(dǎo)至地面，因此航空輪胎的導(dǎo)電性能取決于輪輞至接觸地面的輪胎表面的電阻特性，其測(cè)試方法是采用電阻測(cè)試儀通過加載一定的電壓測(cè)試從一個(gè)測(cè)電端子通過航空輪胎流向另一個(gè)測(cè)電端子的電流，再計(jì)算電阻，測(cè)試原理如圖1所示，R為被測(cè)物的電阻，U為測(cè)試電壓，R0為輸入電阻，U0為輸入電阻的電壓。

當(dāng)R0遠(yuǎn)小于R時(shí)，有

從式（1）可以看出，R的測(cè)量誤差取決于U，U0和R0的誤差。

2.2 導(dǎo)電性能影響因素

導(dǎo)電性能測(cè)試的主要影響因素是材料本身，還與測(cè)試時(shí)間、電壓、環(huán)境溫度和濕度、電場(chǎng)強(qiáng)度、充電時(shí)間及殘余電荷等因素相關(guān)。

2.2.1 導(dǎo)電炭黑種類和用量

試驗(yàn)驗(yàn)證，高導(dǎo)電性的炭黑具備結(jié)構(gòu)高度發(fā)達(dá)、粒子直徑小、比表面積大等基本特性。隨著導(dǎo)電炭黑用量的增大，膠料的電阻率降低，當(dāng)炭黑用量超過一定范圍，微觀導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)一旦建立，電阻率趨于穩(wěn)定[1]。炭黑導(dǎo)電性能還與膠料配方、混煉條件和硫化條件等因素相關(guān)。

2.2.2 測(cè)量時(shí)間和電壓

理論上如果向?qū)щ娤鹉z施加電壓，則會(huì)流過相當(dāng)于充電電流的介電吸收電流與泄漏電流，并通過泄漏電流計(jì)算電阻值。一般來說，介電吸收電流遠(yuǎn)大于泄漏電流，并且時(shí)間常數(shù)也會(huì)因橡膠材料性能不同而差異非常大，因此，要使介電吸收電流小于泄漏電流，需要很長(zhǎng)的時(shí)間。如果將橡膠材料作為被測(cè)物測(cè)量電阻，短時(shí)間測(cè)量時(shí)，絕緣電阻值較小，而如果是長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，則測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，絕緣電阻值越大。因此，測(cè)量電阻值要規(guī)定相應(yīng)的電化時(shí)間。

對(duì)于電阻率小于1010Ω·m的材料，通常在1 min內(nèi)達(dá)到電流穩(wěn)定狀態(tài)，因此，測(cè)量表面電阻通常都規(guī)定1 min的電化時(shí)間，即經(jīng)過該電化時(shí)間后測(cè)定電阻。

橡膠材料絕緣電阻測(cè)量時(shí)，介電吸收電流的時(shí)間常數(shù)與絕緣電阻值會(huì)因施加到被測(cè)物上的電壓不同而發(fā)生很大的變化，一般來說，測(cè)量電壓越高，絕緣電阻值越小。在較低電壓時(shí)，電阻減小趨勢(shì)明顯；在較高電壓時(shí)，電阻減小趨勢(shì)較緩。

2.2.3 溫度和濕度

在橡膠導(dǎo)電性能測(cè)試過程中，初期電阻率隨溫度升高呈明顯下降趨勢(shì)，在50～90 ℃范圍內(nèi)電阻率最低，之后隨著溫度的升高，電阻率再次出現(xiàn)上升現(xiàn)象，如圖2所示。

分析原因?yàn)樵囼?yàn)初期隨著溫度升高，炭黑粒子的動(dòng)能增加，在電場(chǎng)作用下，炭黑粒子通過聚合物基體中導(dǎo)電單元之間的勢(shì)壘，導(dǎo)電橡膠出現(xiàn)正溫度系數(shù)（PTC）效應(yīng)。達(dá)到一定溫度后，在溫度逐漸升高的情況下，炭黑粒子和橡膠大分子容易發(fā)生偏振趨向，導(dǎo)電橡膠出現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)（NTC）效應(yīng)。

對(duì)于相同溫度的環(huán)境，濕度增大，導(dǎo)電橡膠表面親水性提高，橡膠表面的潮濕程度會(huì)影響輪胎的導(dǎo)電性能。試驗(yàn)證明，隨著環(huán)境濕度的增大，導(dǎo)電橡膠電阻率呈減小趨勢(shì)。因此，導(dǎo)電性能測(cè)試必須按照環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。

2.2.4 受力狀態(tài)

試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于同一導(dǎo)電橡膠樣品，隨著壓縮量的增大，樣品的體積電阻呈增大趨勢(shì)，可以解釋為舊的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被破壞而新的網(wǎng)絡(luò)難以形成，導(dǎo)致電阻增大[2]。對(duì)于航空輪胎而言，自然狀態(tài)和充氣狀態(tài)下的導(dǎo)電性能主要取決于膠料中添加導(dǎo)電炭黑的種類和用量，可以忽略充氣狀態(tài)下橡膠伸張對(duì)導(dǎo)電性能的影響。

2.2.5 其他因素

（1）電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度比較高時(shí)，體積電阻率大大減小，因此測(cè)試電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。

（2）殘余電荷。在測(cè)試過程中可能產(chǎn)生靜電，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，在測(cè)量時(shí)，被測(cè)物的兩個(gè)測(cè)電端連在一起進(jìn)行短路徹底放電。

其他方面還包括雜散電勢(shì)的消除和防止漏電流的影響，這與測(cè)試方法相關(guān)，目前高阻計(jì)升級(jí)的浮動(dòng)電路與三軸連接器的組合使用可有效消除外部干擾，測(cè)試穩(wěn)定性大幅提升。

3 航空輪胎導(dǎo)電性能測(cè)試

3.1 測(cè)量條件

（1）自專用電阻測(cè)量?jī)x器高阻計(jì)（見圖3）投入應(yīng)用，可以直接測(cè)量航空輪胎表面電阻值。若需要測(cè)試航空輪胎部件的電阻率，需要購(gòu)置專用測(cè)試電極和轉(zhuǎn)換器。

（2）使用酒精等易揮發(fā)物質(zhì)清洗航空輪胎胎冠至胎圈部位，并在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下干燥，停放時(shí)間不短于15 min。

（3）試驗(yàn)環(huán)境要求當(dāng)溫度為（23±2）℃時(shí)相對(duì)濕度為50%±5%，或當(dāng)溫度為（27±2）℃時(shí)相對(duì)濕度為65%±5%，或通過供方和用戶允許在實(shí)驗(yàn)室通常溫度條件下相對(duì)濕度不超過70%。

（4）航空輪胎至少在試驗(yàn)環(huán)境中停放12 h，硫化與試驗(yàn)間隔時(shí)間不短于16 h。

（5）航空輪胎測(cè)試電化時(shí)間為1 min，測(cè)試電阻限值為5×104Ω。

（6）優(yōu)化試驗(yàn)方法采用導(dǎo)電液（聚乙二醇、蒸餾水、氯化鉀等定比配制）、接觸電極、夾具等，測(cè)電端子的接觸電極置于離胎圈底部25 mm的輪胎胎圈外表面，測(cè)試5—6次，取平均值。

3.2 常規(guī)測(cè)試方法

常規(guī)測(cè)試方法無需配制專用導(dǎo)電液、接觸電極等輔助器材，電阻測(cè)試如圖4所示。

金屬承載板是與輪胎接觸的平面底座，應(yīng)有足夠的厚度支撐試驗(yàn)載荷，保證不變形，還應(yīng)導(dǎo)電且不易被腐蝕，可采用黃銅或不銹鋼材料，表面不能有任何涂層或氧化生銹等污染物，因此不可用鋁材，因?yàn)殇X材極易氧化且對(duì)測(cè)試精確度有不利影響。

加載設(shè)備可以使用靜負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)，它能提供輪胎朝向底座呈放射狀的加載載荷，其精確度為±1%。

絕緣板采用聚乙烯或聚四氟乙烯板，應(yīng)有足夠的厚度支撐試驗(yàn)載荷，保證不變形。絕緣板邊部應(yīng)比金屬底座至少大50 mm。

金屬底座與加載設(shè)備之間的電阻比輪胎的測(cè)試值至少大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。壓力表要求精確度為±3 kPa。試驗(yàn)載荷為輪胎胎側(cè)標(biāo)志的單胎負(fù)荷的80%±5%；試驗(yàn)壓力為輪胎負(fù)荷能力對(duì)應(yīng)壓力的80%±5%[3]。

3.3 優(yōu)化測(cè)試方法

3.3.1 取消輪輞

電阻率是表示物質(zhì)電阻特性的物理量。某種材料制成的長(zhǎng)為1 m、橫截面積為1 mm2的導(dǎo)線在常溫（20 ℃）下的電阻就是其電阻率。

式中ρ—電阻率，Ω·m；

S—橫截面積，m2；

L—長(zhǎng)度，m。

常見金屬材料與橡膠材料的電阻率（20 ℃空氣中）如表1所示。

表1 常見金屬材料與橡膠材料的電阻率 Ω·m

從表1可以看出，金屬材料與橡膠材料的電阻率差值在10個(gè)數(shù)量級(jí)以上，從公式（2）可知同樣條件下兩種材料的電阻差值也在10個(gè)數(shù)量級(jí)以上。航空輪胎輪輞采用2AL14等航空鋁合金材質(zhì)，電阻率約為10-6Ω·m，胎面、胎側(cè)、耐磨層橡膠電阻率為103～104Ω·m，差值近10個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在航空輪胎導(dǎo)電性能測(cè)試過程中，由輪輞產(chǎn)生的電阻完全可以忽略不計(jì)，電阻測(cè)試可以不必裝配輪輞。

3.3.2 無需靜負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)，直接測(cè)量

如前所述，航空輪胎測(cè)量的是胎圈部位到胎冠（胎肩）部位的表面電阻，輪胎是否充氣，即橡膠是否伸張對(duì)航空輪胎測(cè)量電阻值影響不大；充氣與自然狀態(tài)下，胎冠接觸測(cè)電端子的部位都在航空輪胎最外側(cè)花紋溝外面，基本處于胎肩部位，兩種情況相差不大。因此無需裝配到靜負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)上，可直接測(cè)量。

綜合以上分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)電阻測(cè)試方案，如圖5所示。

對(duì)金屬承載板、絕緣板和基礎(chǔ)承載板的要求與常規(guī)測(cè)試方法相同。測(cè)電端子1和測(cè)電端子2處于同一平面，以保證兩點(diǎn)測(cè)試距離最近，并與接觸電極相連。接觸電極使用銅片制作，尺寸為25 mm×25 mm，在胎圈與輪輞接觸部位距離胎圈底部25 mm處涂刷導(dǎo)電液，并與電極銅片良好接觸，使用塑料夾子夾住，如圖5所示。

3.4 導(dǎo)電性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比

某規(guī)格航空輪胎導(dǎo)電性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：同一次測(cè)量數(shù)據(jù)，隨著測(cè)量電壓的提高，電阻值有減小趨勢(shì)，這驗(yàn)證了前面的分析結(jié)論；常規(guī)測(cè)量方法和優(yōu)化測(cè)量方法所測(cè)電阻平均值分別為3.5×104和3.52×104Ω，證明了優(yōu)化測(cè)試方法的可行性。

表2 某規(guī)格航空輪胎導(dǎo)電性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

航空輪胎導(dǎo)電性能優(yōu)化測(cè)試方法可推廣到實(shí)際生產(chǎn)中，由于航空輪胎的導(dǎo)電性能與輪胎胎面、胎側(cè)、耐磨層等膠料配方直接相關(guān)，因此相應(yīng)規(guī)格成熟輪胎產(chǎn)品的導(dǎo)電性能趨于穩(wěn)定，測(cè)試完全可以采用抽檢的方式進(jìn)行。對(duì)于導(dǎo)電性能抽檢不合格的航空輪胎，應(yīng)在根本上從原材料和配方方面解決問題，否則輪胎無法裝機(jī)使用。