王超群，吳洪全

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

飛機在空中高速飛行過程中，由于大氣粒子沖擊摩擦、發(fā)動機排氣、大氣電場感應、地磁場感應等因素產(chǎn)生很高的靜電電壓，同時飛機起落架在飛機起落時與地面進行劇烈摩擦產(chǎn)生大量電荷。靜電的產(chǎn)生和釋放不僅會對飛機上的無線電設備，特別是中、長波導航系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的射頻干擾，造成無線電羅盤定向距離大大縮短，還會導致油箱爆燃、電擊傷人、靜電起火等嚴重危害。

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

1 現(xiàn)行航空輪胎導電性能測試方法概述

航空輪胎導電性能直接影響飛機機體殘余電荷能否釋放到安全限度以內(nèi)，因此對航空輪胎測量電阻的方法進行規(guī)范非常必要。

1.1 導電性能測試方法簡介

（1）國內(nèi)目前執(zhí)行標準GJB 108B—1998《軍用航空輪胎試驗方法》中規(guī)定的導靜電性能試驗方法是利用伏安法的電學原理測量輪胎外表面直流電阻值，兩個測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，并涂上導電液，使用夾具夾好電極，保證接觸電極與被測輪胎有良好接觸。該方法規(guī)定了測試溫度、濕度和時間等相關測試條件。GJB 683A—1998《軍用航空輪胎規(guī)范》中規(guī)定新設計航空輪胎電阻不大于5×104Ω。

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

（3）國際自動機工程師學會（SAE International）SAE ARP 6404—2011《航空輪胎電阻試驗》按照ASTM F1971《試驗臺上輪胎負載電阻標準試驗方法》規(guī)定，航空輪胎測試的軸向位置的平均電阻應小于107Ω。而美國MILT-5041中規(guī)定航空輪胎表面電阻小于5×104Ω。

1.2 導電性能測試方法存在的問題

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

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

（3）國際標準資料不完善，相關數(shù)據(jù)還需進一步驗證。SAE ARP 6404—2011與GB/T 26277—2010所描述的測試方法相似，只是對航空輪胎規(guī)定了不同的電阻限值。

2 航空輪胎導電機理及影響因素

2.1 導電機理

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

炭黑作為導電填料，目前比較認可的有兩種導電機理，即隧道效應和電場放射。

（1）隧道效應。導電橡膠中的炭黑顆粒間互不接觸，存在隔離層，導電自由電子具有一定勢能的勢壘。隔離層的厚度以及隔離層勢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。當電子穿過隔離層，導電顆粒間的絕緣層就變?yōu)閷щ妼?。電子穿過勢壘的現(xiàn)象稱為貫穿效應，也稱為隧道效應。

（2）電場放射。由于炭黑粒子間產(chǎn)生的高壓電場強度而產(chǎn)生電量導致電場放射。

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

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

當R0遠小于R時，有

從式（1）可以看出，R的測量誤差取決于U，U0和R0的誤差。

2.2 導電性能影響因素

導電性能測試的主要影響因素是材料本身，還與測試時間、電壓、環(huán)境溫度和濕度、電場強度、充電時間及殘余電荷等因素相關。

2.2.1 導電炭黑種類和用量

試驗驗證，高導電性的炭黑具備結(jié)構(gòu)高度發(fā)達、粒子直徑小、比表面積大等基本特性。隨著導電炭黑用量的增大，膠料的電阻率降低，當炭黑用量超過一定范圍，微觀導電通路網(wǎng)絡一旦建立，電阻率趨于穩(wěn)定[1]。炭黑導電性能還與膠料配方、混煉條件和硫化條件等因素相關。

2.2.2 測量時間和電壓

理論上如果向?qū)щ娤鹉z施加電壓，則會流過相當于充電電流的介電吸收電流與泄漏電流，并通過泄漏電流計算電阻值。一般來說，介電吸收電流遠大于泄漏電流，并且時間常數(shù)也會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，需要很長的時間。如果將橡膠材料作為被測物測量電阻，短時間測量時，絕緣電阻值較小，而如果是長時間測量，則測量時間越長，絕緣電阻值越大。因此，測量電阻值要規(guī)定相應的電化時間。

對于電阻率小于1010Ω·m的材料，通常在1 min內(nèi)達到電流穩(wěn)定狀態(tài)，因此，測量表面電阻通常都規(guī)定1 min的電化時間，即經(jīng)過該電化時間后測定電阻。

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

2.2.3 溫度和濕度

在橡膠導電性能測試過程中，初期電阻率隨溫度升高呈明顯下降趨勢，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。

分析原因為試驗初期隨著溫度升高，炭黑粒子的動能增加，在電場作用下，炭黑粒子通過聚合物基體中導電單元之間的勢壘，導電橡膠出現(xiàn)正溫度系數(shù)（PTC）效應。達到一定溫度后，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，導電橡膠出現(xiàn)負溫度系數(shù)（NTC）效應。

對于相同溫度的環(huán)境，濕度增大，導電橡膠表面親水性提高，橡膠表面的潮濕程度會影響輪胎的導電性能。試驗證明，隨著環(huán)境濕度的增大，導電橡膠電阻率呈減小趨勢。因此，導電性能測試必須按照環(huán)境條件標準要求進行。

2.2.4 受力狀態(tài)

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

2.2.5 其他因素

（1）電場強度。當電場強度比較高時，體積電阻率大大減小，因此測試電場強度應在規(guī)定范圍內(nèi)。

（2）殘余電荷。在測試過程中可能產(chǎn)生靜電，影響測量的準確性。因此，在測量時，被測物的兩個測電端連在一起進行短路徹底放電。

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

3 航空輪胎導電性能測試

3.1 測量條件

（1）自專用電阻測量儀器高阻計（見圖3）投入應用，可以直接測量航空輪胎表面電阻值。若需要測試航空輪胎部件的電阻率，需要購置專用測試電極和轉(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，并在標準試驗環(huán)境下干燥，停放時間不短于15 min。

（3）試驗環(huán)境要求當溫度為（23±2）℃時相對濕度為50%±5%，或當溫度為（27±2）℃時相對濕度為65%±5%，或通過供方和用戶允許在實驗室通常溫度條件下相對濕度不超過70%。

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

（5）航空輪胎測試電化時間為1 min，測試電阻限值為5×104Ω。

（6）優(yōu)化試驗方法采用導電液（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，測試5—6次，取平均值。

3.2 常規(guī)測試方法

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

金屬承載板是與輪胎接觸的平面底座，應有足夠的厚度支撐試驗載荷，保證不變形，還應導電且不易被腐蝕，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，因為鋁材極易氧化且對測試精確度有不利影響。

加載設備可以使用靜負荷試驗機，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，應有足夠的厚度支撐試驗載荷，保證不變形。絕緣板邊部應比金屬底座至少大50 mm。

金屬底座與加載設備之間的電阻比輪胎的測試值至少大兩個數(shù)量級。壓力表要求精確度為±3 kPa。試驗載荷為輪胎胎側(cè)標志的單胎負荷的80%±5%；試驗壓力為輪胎負荷能力對應壓力的80%±5%[3]。

3.3 優(yōu)化測試方法

3.3.1 取消輪輞

電阻率是表示物質(zhì)電阻特性的物理量。某種材料制成的長為1 m、橫截面積為1 mm2的導線在常溫（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個數(shù)量級以上，從公式（2）可知同樣條件下兩種材料的電阻差值也在10個數(shù)量級以上。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個數(shù)量級，因此在航空輪胎導電性能測試過程中，由輪輞產(chǎn)生的電阻完全可以忽略不計，電阻測試可以不必裝配輪輞。

3.3.2 無需靜負荷試驗機，直接測量

如前所述，航空輪胎測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，即橡膠是否伸張對航空輪胎測量電阻值影響不大；充氣與自然狀態(tài)下，胎冠接觸測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荷試驗機上，可直接測量。

綜合以上分析，優(yōu)化設計電阻測試方案，如圖5所示。

對金屬承載板、絕緣板和基礎承載板的要求與常規(guī)測試方法相同。測電端子1和測電端子2處于同一平面，以保證兩點測試距離最近，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 導電性能測試結(jié)果對比

某規(guī)格航空輪胎導電性能測試結(jié)果如表2所示。

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

表2 某規(guī)格航空輪胎導電性能測試結(jié)果

4 結(jié)論

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