淺談聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線的研制論文
0引言
聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線是航空航天領(lǐng)域的重要電子元器件之一,主要用于航空航天及其電子設(shè)備等特殊環(huán)境及安全可靠性要求高的場(chǎng)合,其具有耐高低溫沖擊、耐高能電子輻射、耐各種油品及溶劑、耐氧化、耐彎曲、抗開裂等特點(diǎn),且外徑小,重量輕,機(jī)械強(qiáng)度高。隨著我國(guó)新一代商用飛機(jī)及軍用飛機(jī)的研制開發(fā)和生產(chǎn),對(duì)聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線的需求量猛增。由于受到生產(chǎn)技術(shù)制約、原材料性能不穩(wěn)定的影響,國(guó)內(nèi)電纜生產(chǎn)廠家很難保證該類導(dǎo)線性能指標(biāo)的一致性,因此導(dǎo)致該類導(dǎo)線長(zhǎng)期依賴進(jìn)口,價(jià)格高昂,交貨周期長(zhǎng)。為改變目前的情況,本公司開展了聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線的自主研制。
1主要性能指標(biāo)
依據(jù)SAE AS22759/87B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,本公司所研制的聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線主要性能要求合格。
2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇
為了滿足260℃環(huán)境使用要求,聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線的導(dǎo)體常采用多股鍍鎳軟銅線同心絞合。聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線采用的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)可綜合發(fā)揮不同絕緣材料的性能優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)材料性能的互補(bǔ),滿足絕緣導(dǎo)線重量輕、外徑小、電性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐酸堿、耐老化、耐彎曲、耐環(huán)境性等性能要求。
該復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的內(nèi)絕緣層常采用聚酞亞胺薄膜。聚酞亞胺薄膜具有優(yōu)越的電性能及較高的機(jī)械強(qiáng)度,密度較小,耐高低溫,耐高能電子輻射等特點(diǎn),廣泛使用于航空航天領(lǐng)域。但由純聚酞亞胺薄膜繞包的導(dǎo)線存在不阻燃,不耐水解,絕緣層很難與內(nèi)導(dǎo)體剝離等缺點(diǎn),尤其是其所組成的線路系統(tǒng)容易發(fā)生串弧現(xiàn)象。因此,為了避免上述問題,通過多方調(diào)研反復(fù)試驗(yàn),改用了雙而涂覆改良型聚四氟乙烯的聚酞亞胺復(fù)合薄膜,這種導(dǎo)線用聚酞亞胺復(fù)合薄膜輕型標(biāo)稱厚度僅為0. 0 3mm,普通型厚度為0. 05 mm;在繞包燒結(jié)時(shí),外表面涂層(聚四氟乙烯)與外絕緣間能夠相互粘連,提高聚酞亞胺薄膜的熔封效果;內(nèi)表面極薄的0.%2 5mm聚四氟乙烯涂層提高了與內(nèi)導(dǎo)體之間的可剝性;內(nèi)外表面涂層還提高了聚酞亞胺材料的耐水性能及阻燃性,并有效彌補(bǔ)了不耐串弧性這一弱點(diǎn),同時(shí)又不影響其電性能。
該復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的外絕緣層采用聚四氟乙烯生料帶繞包。聚四氟乙烯具有耐高低溫、耐老化、耐各種溶劑、阻燃等特點(diǎn),并且有優(yōu)異的密封性,經(jīng)燒結(jié)處理后,能與內(nèi)層聚酞亞胺復(fù)合薄膜的表面涂層(聚四氟乙烯)粘結(jié),提高了產(chǎn)品絕緣層的緊密性,進(jìn)一步提高了絕緣的可靠性。
3關(guān)鍵生產(chǎn)工藝
聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線的生產(chǎn)工藝流程較為簡(jiǎn)單,具體包括導(dǎo)體絞合——繞包內(nèi)絕緣——繞包外絕緣——燒結(jié)——復(fù)繞——成品檢驗(yàn)。其中繞包、燒結(jié)工藝對(duì)絕緣導(dǎo)線的電性能、機(jī)械物理性能、外徑、重量以及耐環(huán)境性等性能有較大的影響,是生產(chǎn)聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線的關(guān)鍵工藝。
3. 1導(dǎo)體絞合
通常導(dǎo)體絞合結(jié)構(gòu)分為正規(guī)絞合與同向束合兩種。根據(jù)該導(dǎo)線產(chǎn)品的特點(diǎn)以及相關(guān)方案論證,采用了同向束合結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)體絞合過程中,采用緊壓模具將絞線進(jìn)行緊壓,在相同電性能下,導(dǎo)體外徑僅為正規(guī)絞合導(dǎo)體外徑的9600,使導(dǎo)體截而積占導(dǎo)線截而積的90%以上,從而減小了導(dǎo)線外徑。同時(shí),為克服同向束合緊壓絞合導(dǎo)體結(jié)構(gòu)沒有正規(guī)絞合導(dǎo)體外觀圓整,以及由此引起的與薄膜繞包絕緣剝離力較大等問題,我們?cè)谕蚓o壓結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,借鑒了正規(guī)絞合的工藝形式,形成了一種同心同向緊壓絞合工藝。該工藝通過調(diào)整導(dǎo)體在絞合過程中的內(nèi)外層節(jié)徑比,以及各層緊壓模具的配合,最終確保了絞合后的緊壓導(dǎo)體外觀較圓整,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在之后的聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線電性能測(cè)試時(shí),導(dǎo)體直流電阻完全符合設(shè)計(jì)要求。
3. 2繞包
繞包搭蓋率的控制將直接影響聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線的質(zhì)量。如果繞包搭蓋率過小,將導(dǎo)致導(dǎo)線電性能(耐電壓、絕緣電阻)不合格;繞包搭蓋率過大,將會(huì)使導(dǎo)線重量超標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,內(nèi)、外絕緣的薄膜繞包搭蓋率宜為(50. 5-54.0)%這對(duì)繞包工藝提出了很高的要求。以24AWU導(dǎo)線為例,導(dǎo)體標(biāo)稱外徑為0. 60 mm,如果采用寬5 mm聚酞亞胺復(fù)合薄膜繞包,則薄膜繞包節(jié)距僅允許有0. 08 mm的偏差。對(duì)影響繞包搭蓋率的相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備因素進(jìn)行了分析,可見切膜機(jī)及繞包機(jī)的加工精度對(duì)繞包搭蓋率的控制非常關(guān)鍵,其主要工藝參數(shù)包括薄膜寬度、薄膜厚度、牽引速度、繞包速度、繞包張力等。
在上述工藝參數(shù)中繞包張力最容易被忽視,但其非常關(guān)鍵。早期,在完成設(shè)備調(diào)試并確定其它工藝參數(shù)之后,進(jìn)行的多次樣品試制總是無法將薄膜繞包搭蓋率控制在設(shè)定范圍內(nèi),且剝離力也不均勻。為此,我們對(duì)樣品搭蓋率規(guī)律性改變的現(xiàn)象進(jìn)行再次分析,終于發(fā)現(xiàn)問題在于繞包張力的設(shè)置,不同規(guī)格產(chǎn)品,繞包的薄膜寬度不同,繞包張力也應(yīng)隨之調(diào)整。如果設(shè)定的繞包張力過大,則繞包時(shí)薄膜易被拉伸變形造成導(dǎo)線外徑不均,絕緣出現(xiàn)色差,絕緣層難以與導(dǎo)體剝離,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成薄膜斷裂(尤其繞包外絕緣聚四氟乙烯生料帶時(shí)),這不僅影響了導(dǎo)線外觀,而且還會(huì)使導(dǎo)線絕緣性能劣化;如果設(shè)定的繞包張力太小,則繞包時(shí)過松的薄膜容易造成導(dǎo)線外徑不均,絕緣起皺,繞包節(jié)距不均,松套等現(xiàn)象,同樣影響導(dǎo)線的外觀和電性能。為了解決這一難點(diǎn),我們根據(jù)繞包盤內(nèi)外圈直徑、薄膜帶寬、薄膜帶厚以及繞包轉(zhuǎn)速,計(jì)算繞包帶力矩,獲得繞包頭力矩,以此更新設(shè)備軟件功能的設(shè)定進(jìn)行補(bǔ)償,從而使繞包張力恒定,并控制在合理水平上。
3. 3燒結(jié)
燒結(jié)工序是對(duì)繞包的內(nèi)、外絕緣層進(jìn)行熔封,最終使內(nèi)、外絕緣層熔合成一體,以提高導(dǎo)線外層強(qiáng)度。燒結(jié)質(zhì)量不僅影響到導(dǎo)線的外觀和機(jī)械物理性能,而且與導(dǎo)線的電性能、耐環(huán)境性也密切相關(guān)。在燒結(jié)工序中燒結(jié)溫度的設(shè)定非常關(guān)鍵。燒結(jié)溫度太高,會(huì)使內(nèi)、外絕緣層燒結(jié)過度,出現(xiàn)變脆,起皮等現(xiàn)象;燒結(jié)溫度過低,會(huì)出現(xiàn)內(nèi)、外絕緣層燒結(jié)不牢,容易剝離,同時(shí)致使外絕緣層(聚四氟乙烯層)的機(jī)械強(qiáng)度未能獲得提高。
聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線絕緣層是由雙而涂覆改良型聚四氟乙烯的聚酞亞胺復(fù)合薄膜與聚四氟乙烯生料帶兩種不同的材料共同繞包而成,燒結(jié)時(shí)內(nèi)層聚酞亞胺復(fù)合薄膜通過涂覆于兩而的聚四氟乙烯薄層進(jìn)行自熔封并與外層聚四氟乙烯生料帶熔封成型。但內(nèi)層聚酞亞胺復(fù)合薄膜和外層聚四氟乙烯生料帶的燒結(jié)熔封溫度及時(shí)間各不相同,在燒結(jié)爐中內(nèi)層聚酞亞胺復(fù)合薄膜在450℃保持12、即可熔封成型,而外層的聚四氟乙烯生料帶燒結(jié)則較難,在相同的溫度下則需要保持3 min才可熔封成型。為使外層聚四氟乙烯生料帶燒結(jié)成型,導(dǎo)線需要在高溫?zé)Y(jié)爐中保持較長(zhǎng)的時(shí)間,但這會(huì)使內(nèi)層聚酞亞胺復(fù)合薄膜因燒結(jié)時(shí)間過長(zhǎng)而變硬、變脆,緊緊包裹在導(dǎo)體上,使絕緣與導(dǎo)體間難以剝離;如果減少高溫保持時(shí)間,內(nèi)層聚酞亞胺復(fù)合薄膜可燒結(jié)成型,但外層聚四氟乙烯生料帶則會(huì)因未完全燒結(jié)成型而缺乏強(qiáng)度,未完全燒結(jié)成型的熔融聚四氟乙烯生料帶的瓢度較高,使得絕緣在剝離時(shí)同樣較難,且同時(shí)降低了導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度。為了解決上述問題,我們采取了增加燒結(jié)溫度,同時(shí)減少燒結(jié)時(shí)間的方法,以達(dá)到內(nèi)、外層絕緣材料同時(shí)燒結(jié)成型。
我們針對(duì)不同規(guī)格的聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線進(jìn)行了大量的燒結(jié)工藝試驗(yàn),以期獲得相應(yīng)的燒結(jié)溫度、牽引速度。繞包線規(guī)格為24AWU導(dǎo)線,速度為4 m/min的聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線燒結(jié)溫度梯度曲線,可見該曲線主要分為以下幾個(gè)階段:a.燒結(jié)預(yù)熱段。聚四氟乙烯的熔點(diǎn)是430℃,在此溫度以上其結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失,轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞯臒o定型凝膠狀態(tài),并伴隨比體積增大25%。在預(yù)熱段過程中,由于聚四氟乙烯的熱導(dǎo)率較低,在熔點(diǎn)以上溫度,體積變化較大,而內(nèi)導(dǎo)體吸熱又快,使得絕緣層升溫速度緩慢,因此我們將預(yù)熱段溫度設(shè)定成從480℃開始,逐漸加溫至560℃,以確保導(dǎo)線絕緣層表面溫度在預(yù)熱段內(nèi)達(dá)到430℃左右。b.燒結(jié)熔封段。由于聚四氟乙烯材料的燒結(jié)熔封溫度上限為460℃,因此我們將燒結(jié)熔封段的最高溫度設(shè)定為580℃,使絕緣層表面溫度從430℃迅速升高至460℃,實(shí)現(xiàn)充分燒結(jié)封熔。c.燒結(jié)后結(jié)晶段。絕緣層材料分子的結(jié)晶度對(duì)導(dǎo)線的物理和力學(xué)性能有著一定的影響,結(jié)晶度越大,其物理力學(xué)性能越高,反之亦然。通常絕緣層材料分子的結(jié)晶程度與燒結(jié)后的冷卻速度有關(guān),極其緩慢的冷卻速度有助于分子材料的重結(jié)晶,使得結(jié)晶度較高,相反如果迅速冷卻,則能阻比無定型凝膠的重結(jié)晶,使得結(jié)晶度較低。但聚四氟乙烯材料即使處于最快的冷卻速率下,結(jié)晶度也會(huì)在50%左右,可見其對(duì)冷卻速度不太敏感,燒結(jié)后聚四氟乙烯結(jié)晶度一般都在50%-70%之間。由于聚四氟乙烯在430-460℃溫度范圍內(nèi)有最大的結(jié)晶速度,因此我們將結(jié)晶段溫度設(shè)定為550℃,確保絕緣層表面溫度為430-460℃。聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線按上述燒結(jié)溫度曲線燒結(jié)熔封后,所測(cè)得的絕緣可剝性和絕緣耐磨性有了很大的提高。
4性能測(cè)試
通過對(duì)聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇,以及對(duì)導(dǎo)體絞合、繞包、燒結(jié)工藝的摸索,掌握了產(chǎn)品的關(guān)鍵性工藝技術(shù),成功研制了聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線。我們對(duì)試制的HYY87樣品進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試,可見各項(xiàng)性能均達(dá)到了的設(shè)計(jì)要求,且達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。
雖然我國(guó)航空高端線纜生產(chǎn)企業(yè)對(duì)聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線的研制還處于初始階段,市場(chǎng)占有率處于空白狀態(tài),但為滿足我國(guó)自主研制大型運(yùn)輸機(jī)及客機(jī)的大量需求,必須加快步伐,早日實(shí)現(xiàn)自主研發(fā),自主生產(chǎn),自主創(chuàng)新。在聚酞亞胺復(fù)合絕緣導(dǎo)線的研制過程中,我們通過新材料的應(yīng)用,確保了產(chǎn)品電氣性能和機(jī)械物理性能的良好,提高了產(chǎn)品的可靠性,使其可在惡劣環(huán)境條件下使用,滿足現(xiàn)代航空航天裝備發(fā)展的需求。一個(gè)螺旋管形狀,螺旋管的直徑小于內(nèi)部的同軸電纜外徑,使鋼絲纏繞的螺旋管產(chǎn)生一個(gè)徑向箍緊力,帖服緊包在內(nèi)部的同軸電纜上,最終實(shí)現(xiàn)了上述銷裝鋼絲端部不加束縛,也不允許松散工藝要求。
5結(jié)束語
針對(duì)深水同軸電纜的特殊要求,我們通過對(duì)電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材、結(jié)構(gòu)尺寸的確定、關(guān)鍵工藝的控制,最終研制出該深水同軸電纜。我們對(duì)試制的深水同軸電纜樣品進(jìn)行的試驗(yàn),結(jié)果表明產(chǎn)品在深水高壓強(qiáng)環(huán)境下具有穩(wěn)定的電氣性能,適用于海洋勘探的苛刻環(huán)境,防水性好、承載能力強(qiáng)、抗疲勞彎曲性能好、強(qiáng)度高、彈性好,可有效抵抗和減緩?fù)饨鐧C(jī)械應(yīng)力的作用對(duì)電纜內(nèi)部的損傷,并且電纜外徑較小,只有12 mm,線密度為450 kg/km�?梢姡撋钏S電纜性能達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求,滿足了使用要求。
深水同軸電纜的研發(fā)包含了一定的技術(shù)含量,電纜的性價(jià)比較高,具有一定的發(fā)展前景,對(duì)推動(dòng)我國(guó)海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展有重要意義。
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