Part 2

AI辅助研究方法

二、AI辅助研究方法

青岛科技大学Singdoo Uaiversily af Sciance & Techmalegy

主要研究方法

1.数据层

实验数据库+配方知识图谱构建

1实验数据库

通过静力学性能测试得到材料超弹性性能；通过DMA/RPA得到材料热力学性能；收集材料磨耗、刺扎等数据，构建初始训练集。

配方知识图谱构建

构建轮胎配方的知识图谱，确立配方组成与材料性能之间的联系，为后续特征与模型推理提供结构化领域的知识。

2.配方变量识别

配方组分特征编码+相关限制约束嵌入

配方组分特征编码

轮胎配方包括生胶、补强填料、硫化体系、防老体系、增塑体系等多种组分，将连续变量(份数phr)与类别变量(材料种类)进行特征编码，便于机器识别。

相关限制约束嵌入

将橡胶物理、化学的先验知识以约束条件的形式嵌入模型。包括配方份数质量守恒约束、不同硫化体系特征约束等。

二、AI辅助研究方法

3.模型构建与贡献率分析

寻找最优算法以及

寻找最优算法

使用XGBoost、MLP、RBF等经典算法，对建立的数据库进行学习，通过R方、均方根误差、平均绝对误差等指标对拟合结果进行评价，选取最优算法。

主要研究方法

4.多目标寻优

贝叶斯优化/差分进化生成帕累托最优前沿面

寻找帕累托最优解集

轮胎配方设计本质上是多目标优化问题(比如魔三角)，贝叶斯优化与差分进化是两种经典的优化算法，通过优化得到一组帕累托最优解集，这不是一个面面俱到的黄金唯一解，但是可以覆盖多种不同需求。

二、AI辅助研究方法

6.试验+有限元仿真验证

验证AI给出的配方是否可用

对配方进行试验/仿真验证

按照AI给出的配方炼胶并制成测试样品，对样品进行性能测试，建立材料的本构模型。通过有限元仿真，建立轮胎模型，并进行力学、滚阻、生热等仿真，与先前产品进行对比，进而预测实际产品的可用性。

s青岛科技大学Gingdoo Uaiversity af Sciance & Techmolegy

主要研究方法以及优势

青岛科技大学TSINKITAO UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOO

Part 3

AI配方优化及有限元验证

求取最低滚动阻力配方—数据层

需求及数据层构建

根据需求，需要在满足定伸应力、拉断伸长率等性能指标的前提下，通过适当控制其他性能，来得到最低滚动阻力。

设计相关配方，进行对应的性能测试，进行数据层构建。

13

三、AI配方优化及有限元验证

配方变量识别

将上述配方分别归类到生胶体系、补强填料、防老体系等各类体系。并设定上对应的特征编码，便于机器识别。根据先验知识，输入约束条件，包括份数约束、硫化体系约束。

NR/SBR

炭黑/白炭黑

硅烷偶联剂

生胶体系

补强填充体系

补强填充体系

求取最低滚动阻力配方模型构建以及多目标寻优

模型构建

使用XGBoost、MLP、RBF等经典算法，对建立的数据库进行学习，通过R方、均方根误差、平均绝对误差等指标对拟合结果进行评价，选取最优算法。

神经网络模型结构图

多目标寻优

橡胶配方设计的本质是多目标优化问题，且难以做到所有性能同时提高。通过保持或者适当降低某些非关键性能，得到关键性能的提高。基于该原则，得到帕累托最优解集。

帕累托最优解集示意图

三、AI配方优化及有限元验证

>配方

根据帕累托最优解集合，得到总共12种不同配方胎面胶。对这些胎面胶进行力学性能测试。

使用Abaqus对各组配方进行拟合，得到本构模型参数，如右图所示。同时，使用DMA对损耗因子进行测定。最后，批量使用Abaqus进行分析验证，得到滚动阻力最优配方。

有限元模型建立过程

消除Mullins效应

循环拉伸后，拉伸曲线的加载-卸载曲线和下一次循环的加载-卸载曲线几乎重合时，材料的Mullins效应已被消除。

选用Yeoh模型进行拟合。该模型形式简洁，对橡胶材料的试验数据拟合效果较好。

UT为单轴拉伸，PT为平面拉伸，BT为双轴拉伸。

轮胎在充气、滚动以及制动等工况下，其不同部位承受的是多轴复杂应力状态，而非简单的单轴拉伸。仅用单轴拉伸数据，无法准确描述橡胶在复杂应力状态下的行为，影响分析精度。

三、AI配方优化及有限元验证

有限元模型建立过程

滚动阻力计算过程

轮胎旋转一周所对应的能量损耗 E _ { { i g \ l o s s } } = \sum _ { { m = 1 } } ^ { { n e l } } \sum _ { { n = 1 } } ^ { { N } } \bigl [ π n V _ { { m } } A _ { { m n } } ^ { \circ } A _ { { m n } } ^ { \varepsilon } { s i n } \bigl ( \varphi _ { { m n } } ^ { \circ } - \varphi _ { { m n } } ^ { \varepsilon } + δ _ { { m n } } \bigr ) \bigr ]

得到轮胎在滚动过程的体积、应力和应变等用于计算滚动阻力值

滚动阻力Fr的计算公式

傅里叶变化技术可以将应力、应变曲线转换为不同频率的离散正余弦曲线之和

滚动阻力系数定义为 轮胎滚动阻力与其承 受载荷的比值

滚动阻力系数的数值越小，说明轮胎在滚动过程中消耗的能量越少，其滚阻性能也就越优异。19

三、AI配方优化及有限元验证

优化后轮胎滚动阻力性能分析

基于该研究的展望

配方多因素协同优化

该研究在保障轮胎力学性能的前提下，实现了滚动阻力的降低。基于该研究的模式，可以通过AI辅助配方改进轮胎生热、刚度等。该方法可以突破传统单一因素优化局限，实现多因素协同优化，为摩托车轮胎的智能化、高效化设计提供通用技术方案与工程参考。

数字孪生与生产力解放

通过AI和仿真等技术，在云端或本地搭建虚拟模型，进行预测和优化。此外，数字孪生不但可以用于设计，还可以覆盖生产、维护以及报废整个生命周期。通过这些技术，可以大幅解放研发人员的生产力，缩短研发周期，提高研发水平。

主要合作企业

Us青岛科技大学

高性能弹性体结构分析研究团队(HPE)

青岛科技大学高性能弹性体结构分析研究团队，成立于2001年5月21日，负责人为雍占福教授、博士生导师，团队现有教授2人，副教授3人，高级工程师4人，讲师3人，高级试验师1人，在读博士硕士研究生30余人。高性能弹性体结构分析研究团队具有稳定的研究方向科研项目及经费充足，科研人员配备整齐，近年来主持多项科研项目，包括国家自然科学基金项目、国家科技部项目、国家973重大基础研究课题、国家863项目、国家建设部重点开发项目、国家科技部重点新产品计划项目、山东省重大科技专项课题、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金、山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目等。课题组紧紧围绕高分子材料科学、工程力学、大数据分析领域，通过多学科融合，解决复杂工程问题特别是在弹性体材料的性能预测、凝聚态调控、AI及数字计算技术方面沉淀多年，旨在解决橡胶工程中的材料和力学相关的问题，尤其是在凝聚态物理、宏观力学方面的模拟计算和试验设计方面，发表SCI论文100余篇。研究团队累计培养研究生一百多人，为学校的教学、科研以及人才培养工作做出了巨大的贡献。

青岛科技大学-高性能弹性体结构分析研究团队(HPE)

• 联系人：雍占福

•电话：18669419113(微信)

• QQ: 1010527818

• 邮箱：03496@qust.edu.cn

• 青岛科技大学

• 橡塑材料与工程教育部重点实验室

• 山东省绿色轮胎与橡胶协同创新中心

• 青岛科技大学橡胶轮胎研究院

• 青岛市绿色轮胎与橡胶工程研究中心

• 绿色轮胎关键材料SSBR创新研究中心

荣誉资质

国家级

科技部第十二届全球创新创业大赛

青岛赛区【一等奖】

第十四届中国创新创业大赛

青岛赛区【二等奖】

国家高新技术企业

山东省瞪羚企业

知识产权 申请199项

省级

山东省省级智能制造系统解决方案供应商
山东省首台(套)技术装备
山东精品装备
山东省首版次高端软件
山东省“一企一技术”研发中心
山东省装备制造业科技创新奖科技进步【二等奖】
山东省装备制造业创新创意大赛发明创造【二等奖】

市级

专精特新中小企业 精特新中小企业

青岛市雏鹰企业
青岛高科技高成长企业
青岛市企业技术中心
青岛市重点产业数字化转型赋能中心
青岛市“一企一技术”研发中心
青岛市智能物流系统云边协同技术创新中心
青岛市智能物流工程技术专家工作站
青岛市云边协同智能技术专家工作站
青岛市创新产品
青岛市民营领军标杆企业

发明专利

50 58 1

实用新型专利

外观专利
软件著作权

荣誉资质

【国际领先】

《智能视觉识别入库、立体库防倾斜系统》

【国家标准】

《工业自动化系统与集成生产系统工程的标准化程序第2部分：无缝衔接生产计划的参考过程》

【国际先进】

《智能仓储及分拣系》
《华晟物流运行立体仓库运维管控系统》
《智能化立体仓库物流设备》
《多车型高效协同仓储系统》
《华晟天枢云系统》
《全钢智能物流系统》
《半钢半部件立体库》

【团体标准】

《空中悬挂搬运车 EMS》

【国内领先】

《轮胎胎胚空中悬挂搬运车》

【企业标准】

《全钢智能物流系统》

《智能仓储及分拣系统》

《空中悬挂搬运车 EMS》

《华晟物流运行立体仓库运维管控系统》

《智能化立体仓库物流设备》

《半钢半部件立体库》

企业介绍

产业园

集装备研发、组装、测试功能为一体近60000m²产业园占地面积

人才

核心团队出身于上市公司核心事业部高管900+ 35% 10%正式员工 研发人员 硕博学历

华晟智能HUASHINE INTELLIGENT

研发

公司研发投入5%左右

≈5%

服务流程

1

调研咨询

设计咨询

需求调研 数据分析 整体规划 系统仿真 验证等

2

系统规划设计

定制开发

细化设计设备定制软件开发电控设计仿真验证

3

方案确认

系统集成

管理软件

电气控制

硬件设备

验收交钥匙

9

项目实施

采购

项目管理

模拟仿真

制造

质量控制

4

运输报关

8

质量控制售后服务安装调试试运行验收

7

华晟智能HUASHINE INTELLIGENT

系统开发

5

精细化设计

售后服务

专业培训设备维保故障响应后期升级>7\*24h响应

6

生产制造

①智能密炼解决方案

广泛应用于橡胶、化工、制药、食品、等行业，它能够密闭的对粉料或液料进行存储、输送、配料及称量等作业，结合AI智能技术，提高终端产品的稳定性、精确度、效率，为企业带来更优收益。

华晟智能提供从现场调研、数据分析、方案总体规划、设计阶段、项目实施以及售后一体化的自动化仓储解决方案。

小料称量系统

智能仓储 Make smart production possible

②智能仓储解决方案

自动化仓储系统是利用货架、堆垛机、出入库输送系统（包含RGV、输送线等物料搬运装备）、通讯系统、自动控制系统WCS、计算机管理系统WMS等组成的复杂的自动化系统。运用先进的集成化物流理念，采用先进的控制、总线、通讯和信息技术，通过以上设备的协调动作进行出入库作业。

华晟智能提供从现场调研、数据分析、方案总体规划、设计阶段、项目实施以及售后一体化的自动化仓储解决方案。

智能物料搬运解决方案

物料搬运系统(Material Handling System,MHS)是指在物料调度软件的协调下，采用机器人、AGVEMS、RGV、输送线等一系列物料搬运装备按照工艺要求将指定的物料准时、准确、高效、自动的按时送至指定位置的自动化物流系统。

华晟智能提供自主研发的完整物料搬运装备产品线；拥有自主研发的MES系统，可与ERP、EMS系统实现生产系统协同，进行实时数据交换；提供优良的加工工艺及完善的质量保证体系。

华晟的集成能力

产品介绍 智能化密炼中心

华晟智能HUASHINE INTELIIGENT

密炼机上辅机系统

原材料输送系统

物料称量系统

密炼控制系统

包括：

粉料一级及二级压送的解包机、气力输送管路、月罐或日罐；油料输送、胶料称量、油料称量、粉料称量，密炼控制等单元。

广泛应用于橡胶、化工、制药、食品、等行业，它能够密闭的对粉料或液料进行存储、输送、配料及称量等作业，与人工配料相比它不仅能够在生产中节省大量的劳动成本、降低劳动强度、减少环境对人的危害，而且提高终端产品的稳定性、精确度、效率，为企业带来更优收益。

产品介绍 产品优势

按设定好的程序进行自动加料，精度高、效率高扫描条码加料，防出错系统，以及配料过程可设定加料的顺序

预设多种配方存储，无需重新设定配方，调取方便

适应恶劣环境(环境温度，有毒气味，粉尘)无人化、自动化

配方分级别保密，实现进行密码管理

实现配方打印功能，历史数据记录可查

整条生产线配料设备接口，实现自动和远程控制

配置与要求可根据工艺要求定制设计

产品介绍 全自动小料称量系统

主要用于炼胶车间将托盘上叠放的连续胶片切断，并供给胶料称量系统或其它下道工序，完成胶片自动裁切、自动称量，减轻工人劳动强度，提高生产效率进料：连续1-2 层胶片。

出料：完全分离的分段橡胶片。

工作：根据配方工艺要求，将连续的胶片切断，并输送到下道工序。

主要组成部分：输送装置、旋转刀装置机架、安全防护装置、气动系统、润滑系统、控制系统等。

产品介绍 自动翻胶系统

该系统配合开炼机，实现混炼胶的压片，混炼，在胶片循环过程中利用两条带输送带的摆胶小车将胶料来回沿开炼机辊筒轴向进行摆动，使胶料混炼均匀。

主要技术参数

翻胶输送带功率：2×3KW

线速度：40m/min

摆胶 幅度：\~1000mm

智能系统移动终端

A跨平台

android ●1OS

多语言

●支持多种语言，以满足国内、国际市场的需求

●使用者可以在同一个系统中任意切换语言

多场景

●WMS-验收、上架、拣选、盘点 等

●WCS-任务删除、指令重发等

●仓储大脑-运营看板、设备监控、设备诊断等

·2026摩托车自行车轮胎行业年会

新型功能材料在摩托车/自行车胎中的应用

报告人：朱永贞

职务：技术经理

青岛希法新材料科技有限公司

朱永贞

青岛科技大学硕士研究生

负责橡塑新材料的开发工作，具有卓越的研发设计和产品开发能力，结合丰富的橡胶产品工艺技术及应用技术经验，快速推动项目落地。

熟悉橡胶制品的加工工艺、应用方向，擅长橡胶塑料材料检测分析表征。

前言背景

2026摩托车自行车轮胎行业年会·《新型功能材料在摩托车/自行车胎中的应用》

2025年行业基本盘：稳中向好，底盘稳固

2210.93万辆

5490万辆

摩托车产量·同比+10.69%

电动自行车产量·同比+29%

5590万辆

自行车产量

1.91 / 4.45 / 2.88 亿条

摩自胎外胎全球市场份额(摩托/电动车/自行车)

行业挑战：三重挑战倒逼材料创新升级

①原材料高波动与成本压力

天然橡胶、炭黑等价格高位震荡，单周期波动可超20%，挤压利润，考验配方成本控制与工艺稳定性

②绿色低碳与高性能升级

贸易壁垒与认证差异化门槛提高，湿抓地、低滚阻、轻量化成为中高端市场准入门槛

材料创新回应挑战：三款新型功能材料

微胶囊硫化剂

解决混炼胶的长期贮存的焦烧问题，提高加工安全性。

→ 回应挑战①③ 加工安全

高硅功能性材料

具有优异耐磨性+导热性：提高耐磨性、缩短硫化时间

→回应挑战②③ 性能+效率

③提质增效与智能制造

人工与能源成本上升，混炼加工安全、硫化提速、小料自动称量成为降本增效共性课题

高活性氧化锌预分散母胶粒母胶粒

高活性，适配自动称量，提高胶料分散性

→ 回应挑战③ 智能制造

目录 CONTENTS

01 橡胶微胶囊硫化剂

02 高硅功能性材料

03 预分散氧化锌母胶粒

04 总结展望

01 橡胶微胶囊硫化剂

产品信息

名称：硫磺微胶囊硫化剂

型号：SFZJ-W01

含量：S含量为90%

使用：1.1份该产品替代1份硫磺

外观：黄色粉末（与硫磺一致）

作用：①传统混炼胶防焦烧；②一段炼胶工艺适配；③湿法炼胶工艺适配。

产品介绍：

采用定制熔点的树脂包覆硫磺粉体，低温储存运输时树脂包裹硫磺，抑制硫化、避免胶料焦烧；高温至硫化温度后包覆层失效，硫磺释放完成交联硫化。

·适用性强：本质为硫磺硫化剂，可替代不溶性硫磺，适用于各种橡胶混炼胶；

·防焦烧：可防止混炼胶长期存放和运输过程中发生焦烧和交联，同时不影响加工时正常硫化。

01 橡胶微胶囊硫化剂

02 高硅功能性材料

产品信息

名称：高硅功能性材料

型号：SFXH-WK01

使用：新型材料

外观：灰色粉末

应用：树脂或混炼胶均可用

特征：低碳、成本低、补强效果好、导热系数高

产品介绍：

经破碎研磨制成的1200目钼矿粉，含70%二氧化硅、20%氧化铝，再进行表面改性，外观为浅灰色粉末，呈松散粉末状，可替代白炭黑做补强材料。兼具增量填充、力学性能补强作用，是低成本且环保的优质橡胶填料。

·低成本：由尾矿料加工制成，原材料来源量大，成本相比白炭黑更低；

·低碳：来自矿山选矿固废，属于固废资源化，可以降低混炼胶全流程碳足迹，同时消纳尾矿固废；

·导热系数高：具有高于白炭黑的导热系数，可以加速硫化过程。

02 高硅功能性材料

03 超高活性氧化锌预分散母胶粒

产品信息

名称：超高活性氧化锌预分散母胶粒

型号：SFMZnO-G/01

使用：替代氧化锌粉

外观：圆柱形白色或浅色预分散颗粒

产品介绍：

基本信息：

以橡胶为载体，搭载超高活性纳米氧化锌与专用分散剂制成预分散颗粒，适配不同橡胶制品。

\*核心优势：

·白色圆柱颗粒，无粉尘、流动性好，自动化投料不堵料；混炼分散均匀，批次性能稳定，储运便捷。

·可定制化：可根据客户需求，定制不同载体的母胶粒；

·减锌：同等性能下氧化锌投料总量减少，降低胶料锌元素含量，符合橡胶低碳低锌环保生产需求。

·性能表现优：硫化稳定，拉伸、定伸、压缩永久变形等力学性能表现更优。

03 超高活性氧化锌预分散母胶粒

关于青岛希法

青岛希法新材料科技有限公司

研发与运营中心坐落于山东省青岛市高新区联东U谷工业港

公司成立于

注册资本

生产制造中心位于河南省漯河市高新区

公司立足于高分子材料领域

2021年8月

以绿色、创新、科技为发展理念，致力于为客户提供一站式工程树脂、弹性体、复合分散助剂及低碳功能材料等高分子材料及工程应用的全方位解决方案

高分子材料研发、生产与销售

3000

高分子材料应用技术平台化服务

产品广泛应用于

产品系列

汽车

通讯

高分子产品复合助剂

智能装备

矿山

特种橡胶混炼胶

冶金

电子电器

改性工程树脂颗粒

预分散功能树脂颗粒

企业文化与经营宗旨

发展愿景

使命

以顾客为核心

成为创新引领的百年绿色高分子材料公司

专注绿色高分子材料 为客户持续创造价值

核心价值观

诚信

创新

激情

共享

科研装备

青岛希法实验室计划配备50套知名品牌测试仪器

42台

可涵盖橡胶树脂绝大部分性能测试

耐臭氧老化性耐热性

耐低温性

耐磨性

门尼粘度硫化过程（初始粘度、焦烧时间、硫化速度等）

材料闪点 材料粒径及其分布 硬度 熔融指数

密度含水率热失重红外光谱 玻璃化转变温度

熔点冲击强度厚度维卡软化温度热变形温度

拉伸强度 弯曲强度 弯曲模量 流变性能

中试装备

精密分析类科研装备

热失重分析仪

PE公司是全球领先的分析仪器和检测设备提供商，其热重分析仪TGA用于测量材料质量变化，广泛应用于多领域。

差示扫描量热仪

PE公司是全球领先的分析仪器提供商，其DSC解决方案性能优异、应用广泛、操作简便。

红外光谱测试仪

岛津制作所是仪器、设备制造商，钻研科技，开发高附加值产品。系列光谱仪设计紧凑，操作简洁，兼容性强激光粒度分析仪

丹东百特是知名粒度仪器企业，专注研发销售30年，参与国标制定。激光粒度仪小型化、双镜头，测量范围广重复性好、准确性高。

研发装备-小试中试设备

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·地址：山东省青岛市高新区华贯路869号49号楼101户·邮箱：sailfar@sailfarmatl.com

碳纤维/白炭黑协同增强橡胶复合材料制备与性能研究

彭衍磊，轩召民，邴子雨，田海华山东东岳科技发展有限公司

摘要：面向高性能绿色轮胎低滚动阻力、高耐磨、低生热、耐屈挠疲劳的核心需求，针对短切碳纤维直接填充橡胶易团聚、界面结合弱、补强潜力难以释放的行业瓶颈，本文提出硝酸氧化改性碳纤维/白炭黑/硅烷偶联剂三元预混母胶工艺，构建碳纤维/白炭黑协同三维增强网络。以天然橡胶为载体预先完成改性碳纤维分散与原位硅烷偶联，再复配丁苯、顺丁橡胶、炭黑制备轮胎专用橡胶组合物，系统对比直接添加碳纤维对照组与预混改性体系的硫化特性、力学性能、耐磨及耐屈挠疲劳性能，并结合扫描电镜（SEM）微观形貌揭示协同补强与界面耦合机理。结果表明：预混母胶添加量40份为最优配比，300%定伸应力12.6MPa、拉伸强度19.6MPa、撕裂强度52.7kN/m，阿克隆磨耗降至0.09cm³/1.61km，屈挠疲劳寿命达5.0万次；SEM证实预混体系中单根碳纤维均匀分散、与橡胶基体界面紧密结合，无纤维拔出与团聚缺陷。该预混工艺可适配现有密炼工业化生产线，所得橡胶组合物可同时用于高性能轮胎胎面与胎侧，兼顾操控刚性、低滚动阻力与长使用寿命，为碳纤维在轮胎橡胶领域规模化应用提供新方案。

关键词：碳纤维；白炭黑；预混母胶；协同补强；橡胶组合物；界面改性；低 滚动阻力

1 引言

1.1 研究背景

随着人们对安全性、节能环保及操控性能要求的不断提升，市场对轮胎的综合性能提出了前所未有的苛刻要求：更低的滚动阻力以提升能效，更强的耐磨性以延长寿命，更卓越的操控稳定性以确保安全，以及极致的轻量化以优化动态响应。传统轮胎技术，单纯依赖炭黑、白炭黑等常规填料以及聚酯或芳纶纤维作为增强骨架，正逐渐逼近其性能瓶颈。高填充白炭黑体系可降低滚动阻力、提升湿抓地力，但胶料刚性、导热、耐磨性能存在天花板，混炼加工分散难度大：炭黑补强胶料生热高、滞后损失大，能耗指标难以达标；碳纳米管、石墨烯等纳米碳填料成本高昂、极易团聚，工业化量产受限；芳纶浆粕、纤维素短纤维仅提升各向异性模量，无法改善导热与动态生热问题【²】。

碳纤维（CarbonFiber）具备超高比强度、高模量、优异导热性与低热膨胀系数，可在胶料内部构建连续导热通道，快速疏导轮胎周期性形变产生的滞后热，延缓热氧老化与微裂纹扩展，同时提升胶料侧向刚度与抗疲劳性能，是下一代高性能轮胎理想功能性补强填料³】。胎面胶承受持续摩擦剪切，需平衡耐磨、低滚阻与抓地；胎侧长期反复屈挠，核心矛盾为高柔韧性与侧向支撑刚度共存，碳纤维补强体系可同时适配两类胶料的差异化性能需求，应用价值显著。

1.2 国内外研究现状

碳纤维表面石墨层化学惰性强、表面光滑，与非极性橡胶分子链无化学键合位点，直接密炼共混时纤维缠结团聚，受力后纤维大量拔出，界面载荷传递失效，碳纤维自身的高强高模优势无法发挥，成为制约其轮胎产业化的核心痛点。现有改善方案分为两类：一是碳纤维表面化学改性（硝酸氧化、多巴胺接枝4】、等离子刻蚀），通过引入羟基、羧基提升表面活性；二是复配纳米无机填料改善分散，但仍无法解决分散与界面耦合双重问题。碳纤维增强橡胶复合材料已成为橡胶材料领域研究热点。国外学者研究再生短切碳纤维填充橡胶体系，发现未改性碳纤维高填充下团聚体成为应力集中点，耐磨性能大幅衰减，仅低添加量可小幅提升撕裂强度，且存在明显各向异性缺陷。程俊梅等】采用硝酸氧化改性沥青基短切碳纤维，证实碳纤维单独填充天然橡胶无明显补强效果，与白炭黑复配后拉伸强度显著提升，但直接共混工艺仍存在纤维团聚、界面脱粘等缺陷。

硅烷偶联剂SI-69作为双官能团桥梁，一端硅烷氧基与白炭黑表面硅羟基缩合形成Si-0-Si共价键，另一端四硫键参与橡胶硫化交联，是白炭黑填充橡胶必备助剂⁶】，但现有研究极少将硅烷偶联剂用于碳纤维/白炭黑复合填料的预分散耦合体系。预混母胶技术已在碳纳米管、石墨烯填充橡胶中实现工业化应用，利用橡胶载体预先隔离纳米填料，降低后续主胶混炼团聚风险，但碳纤维/白炭黑协同预混母胶工艺

及其补强机理尚未系统报道。

1.3 现有技术缺陷与创新思路

现有碳纤维填充橡胶方案存在三大核心缺陷：①直接共混导致碳纤维缠结团聚，断面出现大量纤维拔出、空洞缺陷；②碳纤维与橡胶界面仅物理吸附，无化学键合，应力传递效率低；③碳纤维、白炭黑、硅烷偶联剂同步主混，偶联反应不充分，填料网络稳定性差，动态滞后损失偏高。

本文创新采用两段式预混母胶工艺：先以天然橡胶为载体，硝酸氧化改性短切碳纤维、白炭黑、SI-69同步密炼完成预分散；再升温至 1 4 5 ^ { ~ } 1 5 0 ^ { \circ } { C } 实现硅烷原位偶联反应，利用白炭黑纳米颗粒作为“分散介质”物理隔离碳纤维，硅烷偶联剂同时锚固白炭黑与改性碳纤维活性基团，构建一体化填料/橡胶界面网络。通过系统研究预混母胶添加量对硫化特性、力学、耐磨、耐屈挠性能的调控规律，结合SEM微观形貌考察协同补强、散热抗疲劳机理，开发可工业化生产、同时适配胎面/胎侧的高性能橡胶组合物。

2 实验部分

2.1 主要原材料

短切碳纤维，中复神鹰碳纤维股份有限公司；天然橡胶，青岛瑞通彩国际贸易有限公司；丁苯橡胶1712，山东华伦特经贸有限公司；顺丁橡胶BR9000，山东华伦特经贸有限公司；炭黑N330，山西三强新能源科技有限公司；炭黑N220，龙星科技集团股份有限公司；白炭黑，东营市谊海工贸有限责任公司；硅烷偶联剂SI-69，东营市利之源新材料有限公司；其他，市售。

2.2 设备与仪器

GT-7080S2门尼粘度仪器、GT-M2000-A无转子硫化仪、AI-7000S 拉力试验机、GT-7012-A阿克隆磨耗试验机，均为高铁检测仪器（东莞）有限公司；Regulus8100扫描电子显微镜（Hitachi)；Nicolet Summit X光谱仪（ThermoFisher Scientific）。

2.3 改性碳纤维制备

将短切碳纤维浸泡在68wt%的硝酸溶液中， 7 0 { { } ^ { \circ } C } 下恒温酸化3h，过滤后依次用去离子水、无水乙醇振荡洗涤4次至溶液pH呈中性，在 8 5 { { ^ \circ C } } 真空干燥箱中真空干燥8h，表面生成羟基、羧基活性官能团，得到改性碳纤维。酸化刻蚀可以提升纤维表

面粗糙度，提供硅烷偶联剂化学键合位点，强化界面机械互锁效应。

2.4 碳纤维/白炭黑协同橡胶预混物制备

预混物基础配方包括如下质量份数的原料组分：天然橡胶100.0份，改性碳纤维10.0份，白炭黑40.0份，硅烷偶联剂6.0份。

（1）一段预混（分散阶段）：密炼机转速30r/min，加入NR塑炼30s；升起压坨，依次加入改性碳纤维、白炭黑和硅烷偶联剂，压下压坨保持30s；再次升起压坨，压下压坨保持40s，控制排胶温度 <=slant 1 1 0 \ { ~ degree C } ，下片停放4h得到初级母胶。低温阶段仅实现填料物理分散，规避硅烷偶联剂提前自聚失效。

（2）二段原位偶联（界面反应阶段）：密炼机转速40r/min，投入初级母胶，压下压坨保持40s；升起压坨，压下压坨保持60s，排胶温度 1 4 5 { { ‰} } ；升温触发 SI-69水解缩合与硫化反应，完成碳纤维/白炭黑/橡胶界面化学键耦合，冷却停放得到成品橡胶预混物。

2.5 橡胶组合物配方与制备

（1）实验配方（质量份数）

其中，对照组采用直接共混工艺，应用组采用添加橡胶预混物工艺。

(2) 混炼工艺

一段混炼：密炼机转速45r/min；加入橡胶，压下压坨保持30s；升起压坨，加入炭黑、橡胶预混物、活性剂和防老剂，压下压坨保持30s；升起压坨加入芳烃油、防护蜡，压下压坨保持40s；升起压坨，清扫；压下压坨保持40s；升起压坨，排胶，下片，停放，获得混炼胶。

二段混炼：密炼机转速20r/min；加入混炼胶、防焦剂、促进剂、硫化剂，压下压坨保持40s；升起压坨，压下压坨保持40s；升起压坨，排胶，下片，停放，获得终炼胶。

3 结果与分析

3.1 硫化特性分析

各组硫化曲线（硫化条件 1 5 0 ^ { \circ } { C } x 2 0 { m i n } ) 特征参数如表2 所示。

从表2中可以看出，对照组2直接添加碳纤维 { M _ { L } } 最低，碳纤维团聚破坏橡胶连续相，胶料流动性异常提升；预混母胶体系M相对稳定，预混工艺实现填料均匀分散，胶料加工粘度可控，工业化混炼稳定性更优。

随预混母胶添加量提升， { M _ { H } } 持续增大，应用组3达到21.68dN·m。预混体系中改性碳纤维与白炭黑通过 SI-69构建复合三维补强网络，交联密度显著高于纯炭黑体系（对照组1）；对照组2虽 { M _ { H } } 上升，但源于碳纤维团聚形成局部刚性区，并非均匀填料网络补强。

直接添加碳纤维的对照组2的 { T } _ { 1 0 } 仅1.60min，加工安全窗口窄，混炼过程易提前局部硫化；预混母胶体系 { { T _ { 1 0 } } } 明显延长，SI-69在预混阶段完成偶联，减少游离活性硅羟基，降低加工阶段提前交联风险，工艺安全性提升。正硫化时间 { T _ { 9 0 } } 随预混母胶用量小幅延长，复合填料网络限制橡胶分子链运动，硫化交联速率略有下降，但整体硫化周期仍满足轮胎量产标准。

3.2 力学性能与补强机理

从表3中可以看出，邵氏硬度随预混母胶增加逐步提升，碳纤维高模量特性改善胶料刚性，适配胎面操控刚性、胎侧侧向支撑需求；300%定伸应力可以直接反映胶料刚性与填料网络承载能力，在应用组2中达到峰值12.6MPa，较对照组1提升31.25%，这说明预混体系中碳纤维与白炭黑形成协同刚性网络，形变时应力快速传递至高强度碳纤维骨架，大幅提升中等形变下的模量，但是，当橡胶预混物增至50份后定伸回落，过量无机填料降低橡胶连续相占比，填料网络内部出现微缺陷。

对照组2直接添加碳纤维后拉伸强度仅13.5MPa，较对照组1大幅下降，根源是碳纤维团聚体成为应力集中缺陷，受力时界面快速脱粘、纤维拔出，无法传递载荷；全部预混母胶体系拉伸强度均高于对照组1，应用组2最优达到19.6MPa，较对照组1提升11.36%。硝酸氧化改性碳纤维表面活性官能团与SI-69、白炭黑形成多重化学键合，白炭黑纳米颗粒隔离纤维，消除团聚缺陷，界面载荷传递效率大幅提升，充分释放碳纤维高强度优势。

对照组2磨耗高达0.22 cm³/1.61 km，碳纤维团聚处易产生微剥离，磨损速率翻倍；应用组2磨耗低至0.09 cm³/1.61km，较对照组1下降25%。均匀分散的碳纤维构建连续导热通道，摩擦生热快速导出，抑制橡胶热降解；稳定的填料网络减少摩擦过程中填料颗粒脱落，显著提升胎面耐磨寿命。

对照组2仅1.5万次即出现龟裂，团聚碳纤维诱发初始微裂纹并快速扩展；应用组2达到5.0万次，提升42.8%。碳纤维优异抗疲劳特性阻断微裂纹延伸，均匀界面结合消除局部应力集中，大幅改善胎侧耐屈挠龟裂性能，延长轮胎服役周期。

3.3 SEM微观形貌与界面耦合机理

图 1 对照组 2 SEM 图

图 2 应用组 2 SEM 图

图1（对照组2）中，直接添加碳纤维硫化胶断面，可见大量碳纤维束团聚、纤维完整拔出，纤维与橡胶基体间存在明显空洞缝隙，界面无有效结合。受力时载荷无法从橡胶传递至碳纤维，纤维仅作为内部缺陷，劣化整体性能，与力学测试结果完全对应。

图2（应用组2）中，橡胶预混物体系断面，碳纤维以单根形态均匀分布于橡胶基体，无束状团聚；纤维表面紧密包裹橡胶相，无明显界面缝隙，断裂时纤维与橡胶同步撕裂，极少出现纤维拔出现象。

分析其协同补强机理为，（1）分散隔离机制，预混阶段纳米白炭黑颗粒填充碳纤维间隙，物理隔离纤维，抑制范德华力引发的缠结团聚，实现单根纤维纳米尺度均匀分散；（2）界面化学键合机制，硝酸氧化碳纤维表面-OH、-COOH与SI-69硅羟基形成氢键/缩合键；SI-69另一端四硫键硫化时与橡胶分子链交联；白炭黑表面硅羟基同步与SI-69偶联，形成碳纤维-SI-69-白炭黑-橡胶一体化共价界面网络，大幅提升界面结合强度；（3）三维协同承载与导热机制，高模量碳纤维构建长程刚性骨架，白炭黑纳米填料填充骨架间隙，形成多层次连续补强网络；相互连通的碳纤维构成三维导热通路，动态形变滞后热快速传导消散，降低胶料内部温升与分子链热降解，同步实现低生热、低滚动阻力、高耐磨、抗疲劳多重性能增益。

4结论

（1）针对短切碳纤维直接填充橡胶团聚严重、界面结合弱的行业痛点，建立硝酸氧化改性碳纤维/白炭黑/SI-69两段橡胶预混物（预混母胶）工艺，通过低温预分散、高温原位偶联分步实现填料隔离与界面化学键合，适配现有密炼设备，易于工业化量产。

（2）实验发现，当橡胶预混物添加量为40份时制备的橡胶组合物综合性能最优，拉伸强度19.6MPa、300%定伸12.6MPa、撕裂强度52.7kN/m，阿克隆磨耗0.09cm³/1.61km，屈挠疲劳寿命5.0万次，较直接添加碳纤维体系力学、耐磨、抗疲劳性能大幅提升，同时优化加工焦烧安全性。

（3）SEM微观形貌证实预混体系碳纤维单根均匀分散，纤维与橡胶基体界面紧密无空洞；白炭黑物理隔离、硅烷偶联剂双向化学键耦合共同解决碳纤维分散与界面缺陷，碳纤维/白炭黑构建多层次协同三维网络，兼具应力承载、快速导热、裂纹偏转三重功能，同步实现低滚动阻力、高耐磨、耐屈挠疲劳。

（4）该橡胶组合物可灵活应用于高性能轮胎胎面、胎侧胶料，平衡操控刚性、湿地抓地、节能低滚阻与长使用寿命，为碳纤维在绿色轮胎领域规模化应用提供工艺与理论支撑。后续还将开展碳纤维长度、表面改性工艺精细化调控，进一步优化填料协同效率，降低生产成本。

参考文献：