您现在的位置: 首页 > 材料洞察 > 航空轮胎

航空轮胎用主要材料简介

发布时间:2021-11-10

航空轮胎是飞机起落架系统中一个关键组成部分,使用时就装配于机轮上,并充入一定的压缩气体,在飞机停放、起飞、着陆时起支撑、承载及缓冲的作用,是轮胎家族的一个特殊分支。航空轮胎主要是由橡胶、骨架材料和各种添加剂通过复杂的化学反应交联而成的一个整体,其材料使用方面一向以“保守”著称,材料的更新换代速度非常缓慢,有别于常规汽车轮胎。本文将重点介绍航空轮胎使用的橡胶材料、骨架材料以及补强材料这三类材料。

航空轮胎 图片来源:pixabay

橡胶材料

航空轮胎使用的橡胶以天然橡胶为主,同时使用少量的丁苯橡胶和顺丁橡胶。虽然汽车轮胎也大量使用天然橡胶,但是汽车轮胎用天然橡胶以10号、20号标准胶为主,外观呈棕褐色,力学性能较低,灰分、杂质含量略高;而目前航空轮胎使用的天然橡胶为“1号烟片胶”,其力学性能优异,挥发灰分含量小。总体来说,天然橡胶的质量稳定性很好。

长期以来,天然橡胶烟片胶产地主要集中在印尼、泰国以及马来西亚等地,国内主要使用上文提到的出产于印尼的“1号烟片胶”进行航空轮胎生产。印尼处于南纬10°和北纬10°之间,全年气候湿润,是天然橡胶的最佳种植地区,该地区种植的天然橡胶割胶期长,质量稳定可靠。

而我国虽地大物博,但是即便是中国的最南端海南地区也是处于北纬18°左右,建国后在海南地区能够种植出天然橡胶就已经打破了国际权威认可“北纬17°以北是种植天然橡胶禁区”的言论。但是由于国产天然橡胶的生长环境、气候、地理纬度等存在先天固有无法改变的自然差异,导致国产天然橡胶的割胶期较短,最佳割胶期为每年的5月到10月之间,11月到次年4月期间采集的天然橡胶胶乳质量略差,这种气候上无法改变的因素导致国产天然橡胶的质量及稳定性较差,性能波动时有发生,因此对于航空轮胎这种高性能要求的产品来说,一直都没有使用国产天然橡胶。

目前世界航空轮胎生产三巨头企业:米其林、固特异和普利司通,均在东南亚的天然胶产地有固定的胶园用以加工橡胶,其质量稳定可靠,加工的天然橡胶可以直接供应给轮胎企业,不受外界因素影响。目前,航空轮胎用天然橡胶也成为一个“卡脖子”工程,众多科研院所、企事业单位都开始对其展开科研技术攻关

天然橡胶 图片来源:pixabay

骨架材料

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,并需要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,还需要抵抗外物的刺扎和机械损伤,进而保持轮胎的尺寸和形状。

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,同时将其作为骨架材料,会导致航空轮胎的层数多、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尼龙替代。

尼龙具有强度高、相对密度小、弹性好、吸湿率低、抗冲击强度高等优点,尼龙耐屈挠性能比人造丝高10倍,耐疲劳性能也优于其它纤维。尼龙66帘线的耐热性能优于尼龙6帘线,目前被普遍用于航空轮胎制造。尼龙66帘线的常用规格为1400dtex/2、1400dtex/3和1870dtex/2等,这几种帘线在国内主要集中由河南平顶山神马实业股份有限公司和杭州帝凯工业布有限公司生产,国外的生产厂家有日本帝人纤维株式会社、日本住友化学以及美国杜邦等。然而在航空器快速发展的时代,飞机速度越来越快,承载需求越来越高,而留给航空轮胎的空间却十分有限,这就要求骨架材料的承载力加强。

由此可知,高强力尼龙66帘线是航空轮胎骨架制造的需求,也是上游帘线厂家开发的方向,帘线厂家与航空轮胎制造厂建立战略合作伙伴关系不失为解决问题的途径之一。

而在子午线航空轮胎中,米其林公司率先使用了芳纶作为骨架材料,芳纶全称“芳香族聚酰胺纤维”,芳纶兼有合成纤维和钢丝的优点,素有“合成钢丝”之称。它的强度是钢丝的7倍,比目前所有纤维都高,伸长率很小,只有0.3%~4.2%,而且几乎不收缩(收缩率仅为0~0.2%),耐热性好,耐疲劳性极好,密度小,耐化学腐蚀性好。芳纶又主要分为间位芳纶1313和对位芳纶1414两种,目前使用较多的为对位芳纶1414,国外主要由美国杜邦公司生产,商品牌号Kevlar,而主要生产企业为烟台泰和新材料股份有限公司,商品牌号为泰普龙Taparan,随着民用子午线航空轮胎的发展,需要我们加快芳纶帘线在航空轮胎中的应用步伐。芳纶骨架材料在米其林子午结构航胎中已经获得推广应用,也是国内航胎发展的重要趋势之一。


尼龙66帘线 图片来源:百度图片

补强材料

橡胶需要进行补强才能最大限度的发挥其作用,天然橡胶的常用补强剂为炭黑,航空轮胎各部件均需使用补强剂来满足各自的性能要求。主要包括胎面胶和胎体胶。

在汽车轮胎中,使用较多的炭黑为超耐磨系列炭黑N110或者N115、中超耐磨N220、N234等,而航空轮胎由于使用的特殊性,超耐磨系列炭黑因生热量过大而不宜采用,中超耐磨系列炭黑只能少量使用,最受航空轮胎青睐的炭黑主要是高耐磨系列炭黑,如N330、N375、N326等,同时通用炭黑N600因其良好的加工工艺性能及低生热性能在航空轮胎中应用较多。

胎面胶,是航空轮胎与地面直接接触的部位,通过胎面把路面的冲击力和摩擦生热传递到整个航空轮胎,因此具有耐磨、抗冲击,耐刺扎以及较低的生热性能,在补强体系选取方面,通常使用高结构细粒子炭黑,而炭黑N234以及炭黑N375被广泛使用;

胎体胶,由于航空轮胎的下沉量比较大,胎体部位的形变量是汽车轮胎的8倍左右,因此胎体胶需要具备良好的抗屈挠性,同时由于航空轮胎的胎体层数多,少者需要2~4层,最多的胎体达20几层,如此多的胎体层数是常规汽车轮胎所无法比拟的,加之橡胶是热的不良导体,这就需要航空轮胎胎体胶具有极低的生热性能,因此在补强体系选取方面,通常使用低结构细粒子炭黑和中粒子炭黑并用实现,例如炭黑N326和炭黑N660,白炭黑由于具有较低的生热性能也在航空轮胎胎体胶中逐渐使用。航空轮胎其它部位胶料根据性能要求选取相适应的炭黑种类。

国外炭黑生产技术以美国和日本最为先进,全球炭黑市场目前接近供求平衡,全球新增炭黑产能已经被轮胎市场需求增长所吸收,其中全球三大炭黑品牌主要为卡博拉炭黑、欧励隆炭黑(原德固赛炭黑)和博拉,其中卡博特炭黑创建于1982年,是一家专业生产特殊化工产品和特种化工材料的全球性跨国公司,为美国500强企业;欧励隆公司已经在炭黑行业经历了超过百年的考验,是市场领先的炭黑供应商之一,炭黑品种包括高性能特种气法炭黑、炉法炭黑以及热裂解炭黑等;博拉(印度)集团每年在全球范围内扩展的产能达22.5万~24万吨,目前已经成为世界第三炭黑生产商。从市场份额来看,上述三大品牌炭黑占据炭黑行业50%以上市场份额。

以上多次提到炭黑材料,目前在众多炭黑生产单位中,国内黑猫炭黑股份有限公司生产的各牌号炭黑质量稳定,(黑猫炭黑在国内属于龙头企业,并在国际市场拥有一定的竞争力。国内其它炭黑企业还包括龙星、金能科技、宝化、耐斯特等)另外还有辽滨炭黑厂有限公司。白炭黑的生产厂家更是数不胜数,目前国内比较出名的厂家包括确成硅化学股份有限公司、株洲兴隆新材料股份有限公司等。而国外像卡博特集团、欧励隆(原德固赛集团)以及罗地亚集团等公司在生产炭黑的同时也致力于白炭黑的研发生产工作。


炭黑和白炭黑  图片来源:百度图片

结束语

当前,我国航空工业正处于历史上难得的发展机遇期,飞机对轮胎的要求越来越高,而航空轮胎用主要材料均属于高端材料,加工技术含量高,替代难度大,和国际航空材料先进水平相比,我们尚存在一定的差距。为此,我们必须要加快新材料研究步伐,加快开展新材料在航空轮胎中的应用研究工作,使航空轮胎材料更新速度与飞行器的发展同步!坚信随着国民经济的进一步发展,我国航空材料科学技术一定会迎来一个蓬勃发展的春天。

地址:广东省广州市黄埔区连云路388号-广东粤港澳大湾区黄埔材料研究院

电话: 020-89851124

Copyright © 2020 广东粤港澳大湾区黄埔材料研究院. All Rights Reserved. 粤ICP备2020096138号