摘要：汽车轮胎在使用过程中，因摩擦及外界气温影响会产生大量热量，若热量不能及时导出，会对汽车行驶产生不利影响，甚至引发爆胎等交通事故。本研究旨在通过填充导热填料的方式改善天然橡胶的导热性能，从填料改性、填料杂化及填料网络形成等角度制备高性能导热天然橡胶复合材料，并探究不同填料网络结构与比例对天然橡胶的导热、硫化、力学等性能的影响，以期为高性能轮胎材料的研发提供理论与实践依据。

关键词：新型轮胎；六方氮化硼；高性能橡胶材料；导热性能

课题项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目；项目名称：小材“大”用——轮胎性能“大”不同；编号：S202413307025

一、引言

随着汽车行业的蓬勃发展，轮胎作为关键部件，其性能备受关注。通过对市场上多款知名轮胎性能的调研分析可知，现有的轮胎各具优缺点。例如，德国马牌轮胎舒适度与静音效果出色，但耐磨性欠佳，抓地力一般且价格较高；固特异轮胎虽胎壁坚固、耐磨性好，却存在易脱皮、工作噪音大等问题。这表明在轮胎制造过程中，尽管耐磨性与散热性备受重视，但目前很难有轮胎能将二者完美兼顾。

消费者在选择轮胎时，往往需要综合考量耐磨性、静音性、散热性、舒适性以及价格等诸多因素，以挑选出最契合自身需求和预算的产品。在此背景下，研发新型轮胎材料，进一步优化轮胎性能显得尤为重要。

二、现有轮胎材料分析

（一）橡胶材料

天然橡胶或合成橡胶是轮胎制造常用的基础材料，其具备良好的弹性，能够有效减少车辆行驶过程中的颠簸感。然而，天然橡胶存在明显劣势，如耐磨、热熔以及抓地力性能相对较差，在使用过程中容易因摩擦而损坏，难以满足高性能轮胎的使用要求。

（二）炭黑材料

炭黑常被添加到轮胎材料中，它能显著提升轮胎的耐磨抗老化性能，使轮胎寿命大幅延长（未添加炭黑的轮胎寿命通常不到8000公里，而添加后寿命可延长10倍左右），同时还具备抵抗紫外线、防止轮胎因紫外线照射而开裂的作用。

综合来看，虽然现有材料各有特点，但为了研制出更加耐磨、散热性能更佳且使用寿命更长的轮胎，仍需对轮胎制作材料进行改进，本研究重点聚焦于橡胶材料性能的提升。

三、高性能天然橡胶轮胎复合材料的制备

（一）导热填料的选择与改性

本研究选用六方氮化硼（h -BN）作为关键的导热填料。h -BN 是一种具有优异物理和化学性质的无机材料，其二维层状结构赋予了它出色的导热性、电绝缘性、化学稳定性以及机械强度，在聚合物复合材料领域展现出巨大的应用潜力。

然而，h -BN 在天然橡胶中的分散性和界面相互作用是影响其增强效果的关键因素。为解决这一问题，可以利用多巴胺及硅烷偶联剂对h -BN 进行共改性，有效提高h -BN 与天然橡胶的界面结合力，改善其在橡胶基体中的分散性。

（二）复合材料的制备

运用密炼机、开炼机等专业设备开展天然橡胶复合材料的制备流程。首先，将天然橡胶投入密炼机，在特定温度下预热一定时间，随后按精确计量依次加入经改性的h -BN 粉末，严格控制混炼温度、转子转速以及混炼时长，确保填料在橡胶基体中均匀分散。之后，通过开炼机进行薄通、打三角包等精细操作，进一步优化分散效果，并依据既定配方混入硫化剂、促进剂等助剂，控制开炼辊温，经反复混炼、出片，制备出含有不同h -BN 含量（设置含0%、不同梯度含量等系列）的天然橡胶复合材料试样，同时制备不含h -BN 的纯天然橡胶作为对照组，为后续性能对比分析奠定基础。

四、新型轮胎材料性能测试与分析

（一）导热性能

实验结果表明，随着h -BN 含量的逐渐增加，天然橡胶复合材料的导热性能呈现出显著上升趋势。相较于未添加h -BN 的对照组，当h -BN 含量达到某一特定比例时，热导率有明显跃升，这得益于h -BN 自身优异的导热特性以及其在橡胶基体中构建的二维层状热传导通道，它们能像“导热高速路”一样，快速将轮胎行驶过程中产生的热量传递至外部，有效避免轮胎内部过热，对提高行驶安全性、维持轮胎与地面间的摩擦力以及减少轮胎磨损、延长使用寿命等方面均有着积极作用。

（二）硫化性能

通过对硫化曲线的分析发现，改性h -BN 的引入会对天然橡胶的硫化进程产生微妙影响。适量的h -BN 能够促使硫化诱导期适度缩短，提升硫化速率指数，加速交联反应的推进，进而优化硫化胶网络结构的完整性与致密性。但当h -BN 含量过高时，可能会因填料团聚而干扰交联反应的均匀性，导致硫化特性劣化，这凸显了精准把控填料用量对于协调材料加工性能与使用性能平衡的重要性。

（三）力学性能

1.拉伸与撕裂性能

复合材料的拉伸强度与撕裂强度随h -BN 含量变化呈现出先升高后降低的趋势。在h -BN 含量达到某一适宜值时，二者分别达到峰值，相较于对照组有显著提升。这归因于改性h -BN 与橡胶之间较强的界面相互作用以及填料对裂纹扩展的有效阻隔作用。但当填料含量超过一定限度后，会削弱橡胶基体的连续性，引发应力集中现象，致使力学性能下滑，因此合理设计填料比例是制备高性能复合材料的关键环节。

2.耐磨性能

耐磨性能测试结果显示，含有h -BN 的复合材料耐磨性明显优于纯橡胶材料。h -BN 的特殊结构赋予了复合材料卓越的抗磨耗韧性，使其在模拟各种复杂路况（如崎岖山路、砂石路面等）以及严苛使用条件下，均能有效抵抗摩擦磨损，显著降低轮胎的磨损量，进而延长轮胎的服役寿命，降低用户的运维成本与换胎频次。

五、新型轮胎材料的优势分析

（一）导热优良的优势

1.高效散热保障安全

具备优良导热性能的轮胎能够在车辆行驶过程中，尤其是高温重载长途行驶场景下，及时将内部产生的热量疏散出去，使轮胎温度始终稳定控制在安全范围内，彻底消除爆胎风险，有力保障高速行车安全，契合现代交通对高效、安全的诉求，同时也增强了驾驶者的心理安全感。

2.提升操控性

良好的导热性能有助于维持轮胎与地面之间的理想摩擦力，在车辆进行弯道行驶、制动以及加速操作时，能够确保抓地力的精准输出，使车辆操控响应更加灵敏，转向精准度得以提高，驾驶稳定性显著增强，在极端路况或高速行驶时，这种优势尤为突出，能够助力驾驶者更加从容地驾驭车辆。

3.减少轮胎磨损

低热环境可有效抑制橡胶的老化与软化，从而线性降低轮胎的磨损率，预估轮胎使用寿命能够得到一定程度的延长，这不仅带来了长期的经济效益，还减少了因频繁更换轮胎导致的资源浪费以及废旧轮胎处理压力，与绿色交通理念相契合。

（二）耐磨性好的优势

1.延长使用寿命

出色的耐磨性使得轮胎的里程寿命能够轻松突破传统轮胎的上限，换胎周期得以延长，用户购置轮胎的成本能够分摊至更长时间段，进而使年均轮胎支出大幅减少，对于运营车队、物流企业等大量使用轮胎的主体来说，成本减负效果十分显著。

2.保持性能稳定

在轮胎的全生命周期内，由于其耐磨性好，即便在磨损不断加剧的过程中，轮胎的抓地力、操控稳定性等关键性能的波动也极小，能够始终保持稳定的性能表现，持续为行车安全提供保障，并且能够适配各种复杂路况，有效消除因轮胎性能衰退而引发的驾驶隐患。

3.路况适应全能

耐磨轮胎凭借其优异的耐磨性，无论是面对蜿蜒崎岖的山路、布满砾石的非铺装道路，还是积水湿滑的城市道路等多样化路况，均能够稳健应对，极大地拓展了车辆的出行范围，为驾驶者提供了更多的出行选择可能性，满足不同场景下的多样化出行需求。

（三）寿命长的优势

1.成本效益凸显

超长的轮胎寿命意味着轮胎汰换频率显著降低，单辆车全寿命周期内轮胎购置成本能够削减一定比例，同时维修工时以及备胎储备成本也会同步缩减。对于企业车队而言，规模运营成本能够得到更为显著的优化，释放出可观的经济效益，有效降低运营成本，提升整体经济效益。

2.车辆保值增值

高品质且长寿命的轮胎作为车辆的优质配置，能够延缓整车性能的衰退，在车辆进入二手交易市场时，可显著提升车辆的估值，使其在保值率竞争中脱颖而出，增强在市场中的流通竞争力，进而刺激消费者的新车购置意愿，形成良性循环。

六、轮胎项目的可行性分析

（一）高性能特性

1.竞争力提升

本研究所制备的高性能轮胎产品，集出色的操控性、稳定性和耐久性于一身，这些优异性能能够极大地提升轮胎在市场中的竞争力，精准满足消费者对高质量驾驶体验的期望与需求，使其在众多轮胎产品中脱颖而出，吸引更多消费者选择购买。

2.拓宽应用领域

由于具备高性能特点，此类轮胎不仅适用于普通道路行驶，还能够从容应对极端路况（如恶劣气候条件下的道路、复杂地形道路等）和特殊环境，这无疑拓宽了产品的应用范围，为其开拓了更为广阔的潜在销售市场，进一步提升产品的市场潜力。

（二）环保特性

1.符合政策导向

在全球日益重视环保问题的大背景下，各国政府纷纷出台一系列鼓励绿色、低碳生产和消费的政策。本项目所研发的环保型轮胎，采用低污染、可回收材料进行制造，符合相关政策导向，有助于企业获得政府在政策方面的支持以及市场的认可，为产品推广与企业发展创造有利条件。

2.可持续发展

从原材料选取、生产工艺到产品回收的全链条环节，环保型轮胎都践行着环保理念。较高比例的可回收材料使用、生产能耗的有效降低以及废旧轮胎降解周期的缩短等，均体现了其可持续发展的优势，不仅减少了对环境的负面影响，还有助于提升企业的形象和品牌价值，为企业的长远发展奠定坚实基础。

（三）市场高需求

1.市场需求旺盛

随着汽车产业的快速发展以及消费者对驾驶体验要求的不断提高，市场对于高性能、环保型轮胎的需求呈现出日益旺盛的趋势。本轮胎项目所研发的产品恰好能够满足这一市场需求，因而具备广阔的市场前景，有望在市场中占据一席之地，获取可观的市场份额。

2.市场份额增长

通过推出具有差异化优势的高性能、环保型轮胎产品，企业能够在竞争激烈的市场中迅速吸引消费者的目光，树立良好的品牌形象，进而实现市场份额的稳步增长，逐步在市场格局中占据更有利的地位，推动企业持续健康发展。

七、结论与展望

本研究通过改良六方氮化硼的分散性和界面相互作用，成功将其加入到天然橡胶中，制备出了高性能的天然橡胶轮胎复合材料。实验结果表明，改良h -BN 的加入显著提升了轮胎的导热性能、耐磨性、抗切割性以及使用寿命等关键性能指标，充分验证了本研究方案的可行性与有效性。

展望未来，一方面将进一步深入研究h -BN 与其他高性能填料之间的协同作用，探索不同填料组合对轮胎复合材料性能的影响规律，同时持续优化轮胎复合材料的制备工艺，期望能够获得更加优异的轮胎性能；另一方面，还将积极探索改良h -BN 在其他橡胶制品中的应用潜力，拓宽其应用范围，为橡胶工业的创新发展贡献更多的创新成果，推动整个行业朝着高性能、绿色环保的方向不断迈进。

参考文献

[1]王强，等.天然橡胶的分子结构与性能关联研究.2023.

[2]陈晨，等.高性能橡胶基复合材料的填料设计与性能调控原理.2022.

[3]周杰，等.高性能轮胎材料的研发趋势与市场需求分析.2023.

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