《橡胶科技》0年第0卷第4期
DOI：10./j.issn.-.0.04.
作者简介
王超群（—），男，安徽颍上人，青岛双星轮胎工业有限公司工程师，学士，主要从事橡胶设备技术工作。
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航空轮胎导电性能测试方法研究
王超群，吴洪全
（青岛双星轮胎工业有限公司）
摘要：
对航空轮胎导电性能测试方法进行研究，提出不需要装配轮辋和静负荷试验机的优化测试方法，即采用专用电阻测量仪器、导电液、接触电极和夹具等，将测电端子的接触电极置于离胎圈底部5mm的轮胎胎圈外表面直接进行测试。优化测试方法的测试结果与常规测试方法基本相同，证明了优化测试方法的可行性。
关键词：
航空轮胎；导电性能；导电机理；测试方法
主要内容
研究背景飞机在空中高速飞行过程中，由于大气粒子冲击摩擦、发动机排气、大气电场感应、地磁场感应等因素产生很高的静电电压，同时飞机起落架在飞机起落时与地面进行剧烈摩擦产生大量电荷。静电的产生和释放不仅会对飞机上的无线电设备，特别是中、长波导航系统产生严重的射频干扰，造成无线电罗盘定向距离大大缩短，还会导致油箱爆燃、电击伤人、静电起火等严重危害。飞机静电电流通常通过放电刷释放，使机体不会形成高能量的电能聚集。在着陆过程中，导电性能较好的航空轮胎可以有效使飞机起落架接触地面瞬间把机体残留电荷释放掉，避免乘客下飞机时触电。本工作从航空轮胎导电必要性、导电机理、试验方法和试验效果等多方面进行分析，为航空轮胎导电性能测试提出切实可行的方法。
现行航空轮胎导电性能
测试方法概述
航空轮胎导电性能直接影响飞机机体残余电荷能否释放到安全限度以内，因此对航空轮胎测量电阻的方法进行规范非常必要。
1 导电性能测试方法简介
（1）国内目前执行标准GJBB—《军用航空轮胎试验方法》中规定的导静电性能试验方法是利用伏安法的电学原理测量轮胎外表面直流电阻值，两个测电端子分别位于离胎圈底部5mm的轮胎两侧胎圈外表面，并涂上导电液，使用夹具夹好电极，保证接触电极与被测轮胎有良好接触。该方法规定了测试温度、湿度和时间等相关测试条件。GJBA—《军用航空轮胎规范》中规定新设计航空轮胎电阻不大于5×Ω。（）按GB/T—《轮胎电阻测量方法》中的有关规定，被测轮胎需要加载（80%±5%）的额定负荷和（80%±5%）的额定充气压力，且轮胎装配轮辋在静负荷试验机上进行测试，两个电极之间测试的是轮辋至轮胎接触地面之间的电阻值，测试方法相对复杂。该方法明确为轿车轮胎、载重轮胎、摩托车轮胎、工业车辆和工程机械轮胎及农业轮胎测量电阻，未提及适用于航空轮胎。
（3）国际自动机工程师学会（SAEInternational）SAEARP—《航空轮胎电阻试验》按照ASTMF《试验台上轮胎负载电阻标准试验方法》规定，航空轮胎测试的轴向位置的平均电阻应小于Ω。而美国MILT-中规定航空轮胎表面电阻小于5×Ω。
导电性能测试方法存在的问题
（1）GJBB—和GJBA—采用两个测电端子测量轮胎表面电阻的方法已不实用，仅可用于航空轮胎生产监控，需要及时更新。（）GB/T—规定一般轮胎电阻不超过1Ω，水蒸气、粉尘、易燃气体等特殊环境中使用的轮胎电阻不超过Ω，此标准明显不适用于航空轮胎。（3）国际标准资料不完善，相关数据还需进一步验证。SAEARP—与GB/T—所描述的测试方法相似，只是对航空轮胎规定了不同的电阻限值。
航空轮胎导电机理及
影响因素
1 导电机理
导电橡胶材料的电学性能是指在施加一定的电场作用下材料的介电、导电、电击穿及与其他材料摩擦产生表面静电等性能。航空轮胎导电性能在很大程度上取决于导电性填料炭黑的类型和用量。炭黑呈粒子状，且价格便宜，是用于导电橡胶的适宜填充剂，同时可使硫化橡胶的力学强度、耐疲劳性能和耐老化性能显著提升。炭黑作为导电填料，目前比较认可的有两种导电机理，即隧道效应和电场放射。（1）隧道效应。导电橡胶中的炭黑颗粒间互不接触，存在隔离层，导电自由电子具有一定势能的势垒。隔离层的厚度以及隔离层势垒能量与电子能量之差越小，电子穿过隔离层的可能性越大。当电子穿过隔离层，导电颗粒间的绝缘层就变为导电层。电子穿过势垒的现象称为贯穿效应，也称为隧道效应。
（）电场放射。由于炭黑粒子间产生的高压电场强度而产生电量导致电场放射。电阻分为体积电阻和表面电阻，由于体积电阻测试总是要被或多或少地包括到表面电阻的测试中，因此只能近似地测量表面电阻。一般来说，航空轮胎导电过程为飞机机体的残余电荷由机体通过起落架上装配的轮胎轮辋传导至地面，因此航空轮胎的导电性能取决于轮辋至接触地面的轮胎表面的电阻特性，其测试方法是采用电阻测试仪通过加载一定的电压测试从一个测电端子通过航空轮胎流向另一个测电端子的电流，再计算电阻，测试原理如图1所示，R为被测物的电阻，U为测试电压，R0为输入电阻，U0为输入电阻的电压。
图1 电阻测试原理
当R0远小于R时，有
从式（1）可以看出，R的测量误差取决于U，U0和R0的误差。
导电性能影响因素
导电性能测试的主要影响因素是材料本身，还与测试时间、电压、环境温度和湿度、电场强度、充电时间及残余电荷等因素相关。
.1 导电炭黑种类和用量
试验验证，高导电性的炭黑具备结构高度发达、粒子直径小、比表面积大等基本特性。随着导电炭黑用量的增大，胶料的电阻率降低，当炭黑用量超过一定范围，微观导电通路网络一旦建立，电阻率趋于稳定。炭黑导电性能还与胶料配方、混炼条件和硫化条件等因素相关。
. 测量时间和电压
理论上如果向导电橡胶施加电压，则会流过相当于充电电流的介电吸收电流与泄漏电流，并通过泄漏电流计算电阻值。一般来说，介电吸收电流远大于泄漏电流，并且时间常数也会因橡胶材料性能不同而差异非常大，因此，要使介电吸收电流小于泄漏电流，需要很长的时间。如果将橡胶材料作为被测物测量电阻，短时间测量时，绝缘电阻值较小，而如果是长时间测量，则测量时间越长，绝缘电阻值越大。因此，测量电阻值要规定相应的电化时间。
对于电阻率小于1Ω·m的材料，通常在1min内达到电流稳定状态，因此，测量表面电阻通常都规定1min的电化时间，即经过该电化时间后测定电阻。橡胶材料绝缘电阻测量时，介电吸收电流的时间常数与绝缘电阻值会因施加到被测物上的电压不同而发生很大的变化，一般来说，测量电压越高，绝缘电阻值越小。在较低电压时，电阻减小趋势明显；在较高电压时，电阻减小趋势较缓。
.3 温度和湿度
在橡胶导电性能测试过程中，初期电阻率随温度升高呈明显下降趋势，在50～90℃范围内电阻率最低，之后随着温度的升高，电阻率再次出现上升现象，如图所示。
图 温度对橡胶导电性能的影响
分析原因为试验初期随着温度升高，炭黑粒子的动能增加，在电场作用下，炭黑粒子通过聚合物基体中导电单元之间的势垒，导电橡胶出现正温度系数（PTC）效应。达到一定温度后，在温度逐渐升高的情况下，炭黑粒子和橡胶大分子容易发生偏振趋向，导电橡胶出现负温度系数（NTC）效应。对于相同温度的环境，湿度增大，导电橡胶表面亲水性提高，橡胶表面的潮湿程度会影响轮胎的导电性能。试验证明，随着环境湿度的增大，导电橡胶电阻率呈减小趋势。因此，导电性能测试必须按照环境条件标准要求进行。
.4 受力状态
试验验证，对于同一导电橡胶样品，随着压缩量的增大，样品的体积电阻呈增大趋势，可以解释为旧的导电网络被破坏而新的网络难以形成，导致电阻增大。对于航空轮胎而言，自然状态和充气状态下的导电性能主要取决于胶料中添加导电炭黑的种类和用量，可以忽略充气状态下橡胶伸张对导电性能的影响。
.5 其他因素
（1）电场强度。当电场强度比较高时，体积电阻率大大减小，因此测试电场强度应在规定范围内。（）残余电荷。在测试过程中可能产生静电，影响测量的准确性。因此，在测量时，被测物的两个测电端连在一起进行短路彻底放电。其他方面还包括杂散电势的消除和防止漏电流的影响，这与测试方法相关，目前高阻计升级的浮动电路与三轴连接器的组合使用可有效消除外部干扰，测试稳定性大幅提升。
航空轮胎导电性能测试
1 测量条件
（1）自专用电阻测量仪器高阻计（见图3）投入应用，可以直接测量航空轮胎表面电阻值。若需要测试航空轮胎部件的电阻率，需要购置专用测试电极和转换器。
图3 高阻计
（）使用酒精等易挥发物质清洗航空轮胎胎冠至胎圈部位，并在标准试验环境下干燥，停放时间不短于15min。（3）试验环境要求当温度为（3±）℃时相对湿度为50%±5%，或当温度为（7±）℃时相对湿度为65%±5%，或通过供方和用户允许在实验室通常温度条件下相对湿度不超过70%。（4）航空轮胎至少在试验环境中停放1h，硫化与试验间隔时间不短于16h。（5）航空轮胎测试电化时间为1min，测试电阻限值为5×Ω。（6）优化试验方法采用导电液（聚乙二醇、蒸馏水、氯化钾等定比配制）、接触电极、夹具等，测电端子的接触电极置于离胎圈底部5mm的轮胎胎圈外表面，测试5—6次，取平均值。
常规测试方法
常规测试方法无需配制专用导电液、接触电极等辅助器材，电阻测试如图4所示。
图4 航空轮胎常规电阻测试示意
金属承载板是与轮胎接触的平面底座，应有足够的厚度支撑试验载荷，保证不变形，还应导电且不易被腐蚀，可采用黄铜或不锈钢材料，表面不能有任何涂层或氧化生锈等污染物，因此不可用铝材，因为铝材极易氧化且对测试精确度有不利影响。加载设备可以使用静负荷试验机，它能提供轮胎朝向底座呈放射状的加载载荷，其精确度为±1%。绝缘板采用聚乙烯或聚四氟乙烯板，应有足够的厚度支撑试验载荷，保证不变形。绝缘板边部应比金属底座至少大50mm。金属底座与加载设备之间的电阻比轮胎的测试值至少大两个数量级。压力表要求精确度为±3kPa。试验载荷为轮胎胎侧标志的单胎负荷的80%±5%；试验压力为轮胎负荷能力对应压力的80%±5%。
3 优化测试方法
3.1 取消轮辋
电阻率是表示物质电阻特性的物理量。某种材料制成的长为1m、横截面积为1mm的导线在常温（0℃）下的电阻就是其电阻率。
式中 ρ—电阻率，Ω·m；S—横截面积，m；L—长度，m。常见金属材料与橡胶材料的电阻率（0℃空气中）如表1所示。
从表1可以看出，金属材料与橡胶材料的电阻率差值在10个数量级以上，从公式（）可知同样条件下两种材料的电阻差值也在10个数量级以上。航空轮胎轮辋采用AL14等航空铝合金材质，电阻率约为10-6Ω·m，胎面、胎侧、耐磨层橡胶电阻率为～Ω·m，差值近10个数量级，因此在航空轮胎导电性能测试过程中，由轮辋产生的电阻完全可以忽略不计，电阻测试可以不必装配轮辋。
3. 无需静负荷试验机，直接测量
如前所述，航空轮胎测量的是胎圈部位到胎冠（胎肩）部位的表面电阻，轮胎是否充气，即橡胶是否伸张对航空轮胎测量电阻值影响不大；充气与自然状态下，胎冠接触测电端子的部位都在航空轮胎最外侧花纹沟外面，基本处于胎肩部位，两种情况相差不大。因此无需装配到静负荷试验机上，可直接测量。综合以上分析，优化设计电阻测试方案，如图5所示。
对金属承载板、绝缘板和基础承载板的要求与常规测试方法相同。测电端子1和测电端子处于同一平面，以保证两点测试距离最近，并与接触电极相连。接触电极使用铜片制作，尺寸为5mm×5mm，在胎圈与轮辋接触部位距离胎圈底部5mm处涂刷导电液，并与电极铜片良好接触，使用塑料夹子夹住，如图5所示。
图5 航空轮胎优化电阻测试示意
4 导电性能测试结果对比
某规格航空轮胎导电性能测试结果如表所示。
从表可以看出：同一次测量数据，随着测量电压的提高，电阻值有减小趋势，这验证了前面的分析结论；常规测量方法和优化测量方法所测电阻平均值分别为3.5×和3.5×Ω，证明了优化测试方法的可行性。
结论
航空轮胎导电性能优化测试方法可推广到实际生产中，由于航空轮胎的导电性能与轮胎胎面、胎侧、耐磨层等胶料配方直接相关，因此相应规格成熟轮胎产品的导电性能趋于稳定，测试完全可以采用抽检的方式进行。对于导电性能抽检不合格的航空轮胎，应在根本上从原材料和配方方面解决问题，否则轮胎无法装机使用。
StudyonElectricalConductivityTestMethodofAircraftTire
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