48、纳米材料提升轮胎滚动阻力的潜力

纳米材料提升轮胎滚动阻力的潜力

1. 引言

轮胎性能在车辆运行领域的重要性不言而喻，它对燃油效率、安全性以及车辆的整体性能质量都有着深远影响。滚动阻力是影响轮胎性能的关键因素，它指的是轮胎在承载负荷滚动时所耗散的能量，这种能量耗散主要以热量形式出现，源于轮胎制造材料的粘弹性特性。

滚动阻力与燃油消耗直接相关，降低滚动阻力可减少克服阻力所需的能量，从而提高燃油效率，降低一定行驶距离内的燃油消耗。此外，轮胎的综合性能对车辆的功能性起着关键作用。胎面设计、轮胎压力和组成材料等因素会通过影响轮胎的牵引力，显著影响车辆的操控性和安全性。保持可靠的路面抓地力对于确保有效牵引至关重要，这能使车辆实现安全的加速、减速和转向。

轮胎与路面的相互作用在车辆产生的噪音中也起着重要作用。这种相互作用可能因轮胎振动和封闭的空气腔而产生噪音，这对车辆的整体噪音、振动和不平顺性（NVH）特性有显著影响。解决和降低此类噪音是现代车辆设计的关键焦点，不仅能提高车内人员的舒适度，还能有效减少噪音污染，对周围环境有益。

从生态角度看，提升轮胎性能有可能大幅减少温室气体排放。随着电动汽车的日益普及，这一点变得愈发重要。轮胎的滚动阻力会显著影响车辆的续航里程。与内燃机车辆相比，电动汽车的能源效率不断提高，使用低滚动阻力的轮胎可以增强其吸引力。节能有可能增加电动汽车的行驶距离，从而提高其整体实用性。

2. 轮胎 - 路面相互作用与降噪及轮胎和土壤参数对牵引力的影响

2.1 轮胎 - 路面相互作用与降噪

轮胎与路面的复杂相互作用会影响车辆性能和噪音。这一相互作用体现了动态的轮胎胎面 - 路面界面，受轮胎压力、胎面设计、路面纹理、温度和湿度等因素影响。滚动噪音或轮胎 - 路面相互作用噪音的产生根源很重要。当路面不平整时，轮胎会振动并产生噪音，这些振动会通过轮胎和车辆结构传播，导致车内和车外产生噪音。这种相互作用还会影响轮胎的滚动阻力，即加载轮胎移动时以热量形式耗散的能量。路面特性会影响轮胎变形，增加滚动阻力和燃油消耗。为了提高燃油效率和减少环境影响，必须理解和优化轮胎与路面的相互作用。

通过改变轮胎设计、材料和路面特性，已经在降低轮胎噪音方面取得了进展。某些胎面花纹可以减少空气泵送噪音，这是轮胎噪音的主要组成部分。在轮胎制造中使用纳米材料和生物基弹性体也降低了噪音。增强轮胎的振动吸收能力可以减少振动传递。路面的纹理和粗糙度会影响噪音调节，许多研究表明，精细的路面纹理可以降低轮胎噪音。但为确保道路安全，这些修改必须与防滑性能和使用寿命等性能指标相平衡。虽然在降噪方面取得了进展，但仍有许多研究机会。创新的轮胎设计和先进材料有望减少噪音并提高轮胎性能。研究轮胎与路面的复杂相互作用，同时了解它们的独特特性和共同行为，可能会带来新的降噪策略，将降噪、轮胎功能和安全措施相结合，以提高驾驶体验和生态可持续性。

2.2 轮胎参数对牵引力的影响

牵引力是轮胎与其表面之间的摩擦力，决定了车辆的性能范围，影响车辆的加速、减速和方向。轮胎压力、胎面设计和制造材料会影响牵引力，具体如下：
- 轮胎压力 ：轮胎压力控制和调节牵引力。轮胎充气不足会增加表面接触面积，可能提高牵引力，但会增加滚动阻力和轮胎磨损。充气过多的轮胎可能会减小接触面积和牵引力，但由于滚动阻力降低，可能提高燃油效率。过度充气的轮胎会变得僵硬，失去贴合路面的能力，随着轮胎与路面的相互作用减少，摩擦力也会降低。
- 胎面设计 ：胎面花纹将水从接触区域排出，影响轮胎在潮湿条件下的附着力。例如，深而宽的沟槽轮胎能很好地分散水，降低水滑风险。在湿滑或越野地形中，轮胎胎面深度会影响牵引力，深胎面可以嵌入表面，提高牵引力和机械粘合力。
- 制造材料 ：可塑橡胶组合物在寒冷气候下可能提高附着力，但磨损较快。柔韧材料能更好地贴合地形轮廓，扩大相互作用区域并增加摩擦力，但应力可能导致这些材料过度变形，增加滚动阻力和磨损。在轮胎生产中使用纳米材料可以平衡牵引力和耐久性。纳米材料的小尺寸和大表面积可以改善橡胶混合物的机械性能，从而生产出具有更好牵引力和耐久性的轮胎，提高车辆的安全性和效率。

2.3 土壤参数对牵引力的影响

越野车辆的牵引力受土壤参数的影响很大。轮胎 - 土壤相互作用受土壤特性以及轮胎特性和设计的影响。土壤类型、含水量和表面粗糙度会影响越野时轮胎与土壤的牵引力。
- 土壤类型 ：由于颗粒大小和形状的不同，沙质、粘性和壤土的土壤具有不同的牵引特性。沙质土壤的大球形颗粒在轮胎下可能会移动或滚动，降低牵引力。粘性土壤的较小扁平颗粒可以相互粘附，增加牵引力。在潮湿条件下，上述土壤会更滑。壤土含有沙子、淤泥和粘土，具有平衡的牵引特性。
- 含水量 ：土壤中的水分润滑作用会降低牵引力，水会降低轮胎与土壤颗粒之间的摩擦系数，使表面更滑。但少量水分可以增加土壤颗粒的内聚力和牵引力，因此含水量适中的土壤可能比干燥或潮湿的土壤具有更好的牵引力。
- 表面粗糙度 ：植被和岩石会改变轮胎 - 土壤接触面积，导致表面粗糙度变化，影响牵引力。粗糙表面可能会增加机械联锁和牵引力，但过于崎岖的地形可能会损坏轮胎或使驾驶不舒适。

许多学术研究表明，轮胎设计和材料在这些相互作用中很重要。例如，生物基弹性体在不同土壤成分上可能提供与传统橡胶不同的牵引特性。受天然油和凝胶颗粒影响的轮胎机械性能也会影响其在不同地形中的性能。具有更深胎面或特定胎面花纹的轮胎可能更适合沙地和泥地。越野车辆的设计和操作需要全面了解土壤参数和牵引力，了解土壤条件并制定驾驶策略有助于选择轮胎并优化越野地形中的车辆性能，提高越野车辆的性能和适应性，使越野驾驶更安全、更高效。

3. 纳米材料在轮胎制造中的应用

3.1 纳米材料在轮胎制造中的使用

在轮胎制造中引入纳米材料是一项变革性的进步，为显著提高轮胎性能带来了潜力。由于纳米材料具有大表面积和出色的机械强度等独特属性，它们可以增强轮胎制造中橡胶化合物的性能。因此，最终的轮胎具有更长的使用寿命、更好的抓地力和更低的滚动阻力，这些特性对于实现更好的燃油经济性和环保性至关重要。

纳米二氧化硅是集成到轮胎胎面中的关键纳米填料之一。它的多功能作用不仅包括增强橡胶，还能降低轮胎滚动阻力，从而减少燃油消耗。然而，将二氧化硅颗粒均匀地集成到橡胶基质中仍然是一项艰巨的任务。原因是其表面存在大量的硅羟基，导致纳米填料分散不均匀，这种差异可能对轮胎的整体性能产生不利影响。

过去，硅烷偶联剂在调整二氧化硅以增强其与橡胶基质的融合方面起着关键作用。但这种方法会因大量释放挥发性有机化合物（VOCs）而带来环境风险，对生态平衡和工人安全都有害。为解决这一难题，环氧化溶液聚合苯乙烯 - 丁二烯橡胶（ESSBRs）作为一种具有变革性的大分子偶联剂应运而生。它能够与二氧化硅表面的硅羟基无缝反应，且不排放 VOCs，这标志着朝着可持续轮胎制造迈出了重要一步。这种巧妙的技术不仅简化了纳米二氧化硅在橡胶基质中的集成，还消除了有害的 VOC 排放。事实证明，ESSBRs 策略可以增强二氧化硅/橡胶纳米复合材料的性能，为未来在轮胎设计中纳入纳米材料带来了巨大希望。

3.2 纳米材料应用中的挑战与解决方案

纳米材料在轮胎生产中有很多好处，但也存在缺点。
- 挑战
- 均匀分布 ：纳米材料在橡胶基质中的均匀分布至关重要。纳米材料必须正确分散才能发挥其最大潜力。橡胶化合物中的团聚物会削弱结构并降低机械性能。分散需要仔细控制混合参数和纳米材料与橡胶的兼容性。团聚的纳米材料会成为应力集中点，导致橡胶化合物过早失效。
- 环境和健康影响 ：传统的硅烷偶联剂对二氧化硅的改性会排放有害的挥发性有机化合物（VOCs），这些化合物对环境有负面影响，并构成重大的职业健康风险。纳米材料对人类健康和环境的影响尚不清楚，需要进一步研究。这些物质的小尺寸使其能够突破生物障碍，可能产生负面影响。因此，需要进行全面研究来评估纳米材料的风险并制定有效的缓解策略。
- 解决方案
- 使用 ESSBRs ：使用 ESSBRs 作为大分子偶联剂是一种显著的方法。这些试剂可以与二氧化硅表面的硅羟基反应，而不释放挥发性有机化合物。这一过程不仅改善了二氧化硅/橡胶纳米复合材料的性能，还减少了 VOCs 的排放，使其成为比硅烷偶联剂更环保的替代品。
- 研究可持续材料 ：对生物基合成弹性体和聚（衣康酸二丁酯 - 丁二烯）共聚物纳米复合材料的研究表明，有一种可持续和环保的方法可以降低生态风险并促进可持续发展。使用可持续资源或无害溶剂进行环保纳米材料生产的趋势也在增加。随后还开发了无毒纳米材料或防护涂层，以减少纳米材料的释放。

纳米材料在轮胎制造中的应用总结

方面	详情
优点	增强轮胎性能，如提高耐久性、抓地力，降低滚动阻力
关键材料	纳米二氧化硅可增强橡胶、降低滚动阻力
挑战	纳米材料均匀分布难；传统方法有环境和健康风险
解决方案	使用 ESSBRs；研究可持续材料

纳米材料应用流程 mermaid 流程图

graph LR
    A[纳米材料选择] --> B[混合参数控制]
    B --> C{是否均匀分散}
    C -- 是 --> D[轮胎制造]
    C -- 否 --> E[调整混合]
    E --> B
    F[传统方法存在问题] --> G[采用 ESSBRs]
    G --> D

4. 轮胎设计与材料非线性

4.1 辐条设计对轮胎性能的影响

轮胎的性能不仅仅取决于其设计，材料特性及其非线性特征也对其整体性能有显著贡献。特别是在非充气轮胎中，材料非线性的存在给预测和评估不同情况下的轮胎性能带来了诸多挑战。许多研究表明，不同的辐条设计与特定的非线性材料相结合，可以显著改善轮胎性能。

例如，一项深入研究强调了聚氨酯（PU）材料特性以及它们与各种辐条配置的相互作用的重要性。该研究利用先进的三维有限元方法（FEM）模拟，为材料非线性与辐条设计之间的关系及其对实现最佳轮胎性能的影响提供了有价值的见解。

此外，特定的组合有可能实现更好的负载分布、降低应力集中并提高整体耐久性。通过修改轮胎的材料特性并调整辐条设计，制造商可以实现特定的预期效果，如增强滚动阻力、改善牵引力或提高乘坐舒适性。考虑到环境可持续性，选择合适材料的重要性更加凸显。在当代轮胎制造中，已经明显转向使用生物基弹性体，这种转变主要是因为这些材料有可能减轻环境污染并促进可持续发展。生物基弹性体与新颖的辐条设计相结合，有可能开发出不仅性能高而且环境可持续的轮胎解决方案。因此，认识到轮胎设计（特别是辐条配置）以及材料的固有特性和非线性的重要作用至关重要。这些因素共同影响着轮胎的性能、使用寿命以及对不同路况的整体适应性。

4.2 轮胎设计中的材料非线性

材料的非线性行为，即材料非线性，是指它们对施加的力的非典型响应。具体而言，这些材料在变形和施加的应力之间不呈现直接关系。在考虑轮胎设计时，这种非线性尤为关键，因为它会影响各种性能参数，包括牵引力、滚动阻力和耐磨性。

近期的研究深入探讨了材料非线性对轮胎性能的影响。研究强调，引入不同的材料会产生不同程度的非线性，进而影响轮胎的整体行为。例如，溶液聚合苯乙烯 - 丁二烯橡胶（SSBR）和丁二烯橡胶（BR）的结合产生的轮胎具有出色的湿滑路面抓地力和低滚动阻力。湿滑路面抓地力是衡量轮胎在潮湿路面上保持抓地力能力的指标，对确保车辆安全至关重要。相反，低滚动阻力涉及轮胎在路面上移动的效率，直接影响燃油消耗和环境影响。

在轮胎材料改进方面，使用环氧化苯乙烯 - 丁二烯橡胶（ESSBR）作为一种显著策略出现。作为大分子偶联剂，ESSBR 在橡胶基质和二氧化硅填料之间建立了强大的化学键。这不仅增强了填料在橡胶基质中的分散性，还显著提高了轮胎的耐磨性。鉴于对轮胎耐久性和使用寿命的需求不断增加，这些发现凸显了理解和利用轮胎设计中材料非线性的至关重要性。

轮胎设计与材料非线性的影响总结

影响因素	对轮胎性能的影响
辐条设计	改善负载分布、降低应力集中、提高耐久性等
材料非线性	影响牵引力、滚动阻力、耐磨性等

轮胎设计与材料非线性关系 mermaid 流程图

graph LR
    A[材料选择] --> B{是否有非线性特性}
    B -- 是 --> C[影响性能参数]
    C --> D[调整设计和材料]
    D --> E[优化轮胎性能]
    B -- 否 --> F[选择其他材料]
    F --> A
    G[辐条设计] --> H[与材料结合]
    H --> E

5. 研究差距与未来方向

轮胎设计和制造在纳米材料集成、辐条设计以及土壤参数 - 牵引力关系方面取得了进展，但仍有许多理解上的差距需要解决。轮胎 - 路面相互作用的动态机制很重要，需要进一步研究。以往的研究已经揭示了土壤参数如何影响牵引力，特别是对于越野车辆。然而，路面条件及其对轮胎性能的影响仍需要更深入的探索。未来的研究方向应优先考虑一种全面的方法，同时考虑轮胎和路面的特性，旨在改善降噪、性能和安全性。此外，应以生态为中心的视角指导纳米材料在轮胎制造中的合成和应用，确保在创新的同时实现可持续性。解决这些重点领域可以为优化、安全和环保的轮胎解决方案铺平道路。

5.1 轮胎 - 路面相互作用研究差距

虽然已经对轮胎 - 路面相互作用有了一定的了解，但在不同条件下和使用不同轮胎材料时，仍存在许多未知。目前的研究主要集中在越野场景下的牵引力影响，但对于多样化路面相互作用的动力学还需要更深入的探索。例如，不同类型的城市道路、高速公路以及特殊路面（如冰雪路面、泥泞路面等）与轮胎的相互作用机制还没有完全明晰。以下是具体的研究差距列表：
- 不同路面条件下的全面研究 ：缺乏对各种路面纹理、粗糙度、坡度、湿度等综合条件下轮胎性能的系统研究。
- 轮胎材料多样性的影响 ：随着新型轮胎材料的不断涌现，这些材料与不同路面的相互作用效果需要进一步研究。
- 复杂环境因素的考虑 ：如极端温度、强风等环境因素对轮胎 - 路面相互作用的影响尚未充分研究。

5.2 纳米材料应用研究差距

纳米材料在轮胎制造中的应用虽然有了一定进展，但仍面临诸多挑战和研究不足。
- 纳米材料均匀分散问题 ：尽管有 ESSBRs 等解决方案，但实现纳米材料在橡胶基质中的完全均匀分散仍需进一步探索更有效的方法和工艺。
- 环境和健康影响评估 ：纳米材料对人类健康和环境的长期影响还不明确，需要进行更深入、全面的研究和评估。
- 新型纳米材料的开发 ：寻找更多具有更好性能和更低环境影响的新型纳米材料，以进一步提升轮胎性能。

研究差距总结表格

研究领域	具体差距
轮胎 - 路面相互作用	不同路面条件下的全面研究不足；轮胎材料多样性影响不明；复杂环境因素考虑欠缺
纳米材料应用	纳米材料均匀分散难题待解；环境和健康影响评估不充分；新型纳米材料开发需求大

研究差距分析 mermaid 流程图

graph LR
    A[轮胎 - 路面相互作用研究] --> B[不同路面条件研究不足]
    A --> C[轮胎材料多样性影响不明]
    A --> D[复杂环境因素考虑欠缺]
    E[纳米材料应用研究] --> F[纳米材料均匀分散难题]
    E --> G[环境和健康影响评估不充分]
    E --> H[新型纳米材料开发需求大]

6. 未来研究方向

6.1 综合考虑轮胎和路面特性

未来的研究应采取全面的方法，同时考虑轮胎和路面的特性。这包括开发更精确的模型来模拟轮胎 - 路面相互作用，以更好地预测轮胎性能和噪音产生。具体操作步骤如下：
1. 数据收集 ：收集不同类型轮胎和路面的详细数据，包括材料特性、几何形状、表面纹理等。
2. 模型建立 ：利用先进的数值模拟方法，如有限元分析、多物理场耦合模拟等，建立轮胎 - 路面相互作用的综合模型。
3. 模型验证 ：通过实验测试对建立的模型进行验证和校准，确保模型的准确性和可靠性。
4. 优化设计 ：基于模型预测结果，对轮胎和路面进行优化设计，以改善降噪、性能和安全性。

6.2 生态友好型纳米材料的合成和应用

以生态为中心的视角指导纳米材料在轮胎制造中的合成和应用是未来的重要方向。具体措施包括：
- 可持续资源利用 ：研究使用可持续资源来合成纳米材料，减少对传统化石资源的依赖。
- 低环境影响工艺 ：开发低排放、低污染的纳米材料合成工艺，降低对环境的负面影响。
- 环保性能评估 ：建立完善的环保性能评估体系，确保纳米材料在轮胎制造中的应用符合可持续发展的要求。

6.3 跨学科研究合作

轮胎性能的提升涉及多个学科领域，如材料科学、力学、声学、环境科学等。未来应加强跨学科研究合作，整合各学科的优势，共同解决轮胎设计和制造中的难题。例如，材料科学家可以研发新型轮胎材料，力学家可以优化轮胎结构设计，声学家可以研究降噪技术，环境科学家可以评估环境影响等。

未来研究方向总结表格

研究方向	具体内容
综合考虑轮胎和路面特性	数据收集、模型建立、模型验证、优化设计
生态友好型纳米材料的合成和应用	可持续资源利用、低环境影响工艺、环保性能评估
跨学科研究合作	整合材料科学、力学、声学、环境科学等多学科优势

未来研究方向实施 mermaid 流程图

graph LR
    A[综合考虑轮胎和路面特性] --> B[数据收集]
    B --> C[模型建立]
    C --> D[模型验证]
    D --> E[优化设计]
    F[生态友好型纳米材料合成应用] --> G[可持续资源利用]
    G --> H[低环境影响工艺]
    H --> I[环保性能评估]
    J[跨学科研究合作] --> K[整合多学科优势]
    K --> L[解决轮胎难题]
    E --> M[提升轮胎性能]
    I --> M
    L --> M

7. 结论

轮胎性能的提升对于车辆的燃油效率、安全性、舒适性以及环境保护都具有重要意义。纳米材料在轮胎制造中的应用为改善轮胎性能提供了新的机遇，但也面临着均匀分散、环境和健康影响等挑战。轮胎 - 路面相互作用的研究虽然取得了一定进展，但仍存在许多未知领域需要进一步探索。未来的研究应采取全面的方法，综合考虑轮胎和路面的特性，以生态为中心指导纳米材料的应用，并加强跨学科研究合作。通过解决这些重点领域的问题，可以为优化、安全和环保的轮胎解决方案铺平道路，推动轮胎行业的可持续发展。