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航空航天用線纜的新要求及氟塑料絕緣電線新品種

作者:admin日期:2018-09-25 11:12點擊:

1 序 言

科學技術的發展,促進了電線電纜的發展;電線電纜的發展,推動并保證了科學技術的發展,周而復始,永無止境。以含氟塑料為代表的新絕緣材料的出現和發展,讓電線電纜的發展譜寫了新的一頁,尤其是它們的耐高溫、耐環境特性促進了軍品線纜的高速發展?梢院敛豢鋸埖卣f,含氟塑料促成了電線電纜從民用到軍用,從地面到空中的飛躍。隨著空間技術的發展,隨著對宇宙環境研究的深入,發現原有絕緣材料、絕緣結構的不足也是順理成章的事情。作為電線電纜的研究者、生產者,就是要提出新的設想,設法克服這些不足,滿足新的要求。為空間技術的發展,提供更完善、更可靠的電線電纜新品種,把電線電纜從滿足一般軍用標準,發展到滿足宇航標準。

2 對航空航天線纜的新要求

眾所周知,所謂電氣絕緣,就必須滿足各種結構和各種性能的要求。作為電氣絕緣的主要形式之一的電線電纜,實際上是追求電氣性能、熱性能和機械性能的綜合平衡。具體來說,包括諸如耐磨性能、耐切割性能、耐化學介質、阻燃性、發煙量、工作溫度等級、介電性能等等性能的綜合平衡。航空航天線纜比一般地面用線,無疑有更多的、實際的、特殊的要求,例如必須考慮絕緣材料的重量、真空逸氣性,對原子氧、紫外線、高能輻照的抵御能力,以及它的阻燃性、機械性能,甚至線纜生產時絕緣材料的工藝性能。在航空航天史上,由于電氣絕緣和線纜絕緣材料引起的失效、事故不在少數。航天器耐用性(壽命)的不足,以及隨著對宇宙環境的嚴酷性認識的不斷深化,都對航天布線及布線系統提出了更高的可靠性要求。對于像衛星這樣的航天器的設計者而言,所面臨的首要問題莫過于航天器自身重量的降低。對于衛星星體中數百公斤重的電子線路系統以及構成有效載荷的電子元件,包括電線電纜,都必須設法減輕它們的重量。重量的減輕固然為了減少每公斤數百美元的發射費用,更主要的是因為能騰出更多的重量和空間位置,使衛星能攜帶更多的燃料,從而可以大大提高衛星的有效運行壽命?臻g技術的發展,對宇宙環境認識的深入,總會對航空航天線纜不斷地提出新的要求。例如被稱為絕緣材料的“耐串弧性”(Arc tracking 現在已成為航空航天線纜驗收的必要準則之一,也已作為宇航材料選用的原則之一。隨著美國航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)等制訂了宇航級電子元件的規范,中國航天科學技術研究院也制訂了宇航級電子元器件的采購規范(CAST B 、CAST C)確保宇航的有效、安全和可靠。

那么,近年來提出了甚么樣的新要求呢?下面將涉及幾個主要新要求,并作些簡單的解釋。

2.1 串弧性(Arc tracking ,Arc propagation)

所謂“串弧性”,是指存在于兩根或多根導線間的一種電擊穿擴展現象,表現為一旦一個線路產生一個電氣失效,這個失效會向另外的線路擴展,導致線路嚴重失效,甚至快速燃燒。研究表明,由“串弧”引起的失效與線路的連接、環境及電纜設計有關,而“串弧”發生的靈敏度則取決于絕緣材料自身的分子結構和化學特性,F已查明,由純粹的聚酰亞胺薄膜繞包的絕緣電線組成的線路系統比較容易發生,并導致令人吃驚的失效。據此,NASA 已迅速做出反應,宇航電氣絕緣禁止使用單純的聚酰亞胺或單純由其它芳香族聚合物構成的絕緣材料。波音公司在 1998 年 12 月頒發的“電線電纜試驗過程” BSS7324)中規定了干法和濕法 Arc propagation 的具體試驗方法,更早有 McDonnel Douglas 公司研究過 270V,DC 時的 Arc tracking試驗。

2.2 真空逸氣性(out gassing)

真空逸氣性是在高真空下物質的揮發(氣化),是宇航用線的一個要求,隨著航天技術的發展,現今已明確量化了。

地球表面的大氣壓為 760mmHg,這也就是地面的真空度。而在高度為 250Km 的高空,其真空度會達到 10 mmHg,高度在650km 的高空,真空度達到 10  mmHg,最現代的定位衛星,飛行軌道高度達到 8000km 左右,真空度還要高,在這樣的高真空下很多物質很容易直接從固態揮發。一方面物質的揮發是一種損害,另一方面更令人不能接受的是揮發物質會沉降,遇冷會凝集,這樣會污染電氣設備,減損光學棱鏡的光學表面及鏡面的光學靈敏度,使衛星不能正常工作,嚴重的甚至會發生腐蝕。據此,NASA 及 CAST 都對高真空下的總逸氣量(總失重,TML)規定了≦1﹪的要求,而對總凝集量(CVCM)規定了≦0.1﹪的要求。TML、CVCM 可用 ASTM E595 描述的方法測定,而更完整的可用 NASA SP-R-0022 規定方法測定。

2.3 原子氧(atom oxygen)

由返回的飛行器帶回的數據表明,除了宇宙線、紫外線輻照外,在高空還存在著高流量的原子氧群體,原子氧對飛行器表面材料產生侵蝕,使其嚴重降解和破壞。研究表明,氧原子濃度與高度有關,在低軌道衛星(LED)飛行高度,原子氧群體產生的沖擊能量達到 5eV。曾經進行過試驗,外涂 0.0508mm 的 PI,在低軌道上飛行,只需 5-7 天使它全散發至低軌道所處環境中。

關于原子氧,目前尚未規定統一的測定方法,都只能參照實際數據作為材料選用的依據。

3 氟塑料絕緣電線電纜新品種

眾所周知,含氟塑料和聚酰亞胺是非常優良的電線電纜絕緣材料,到目前為止,在航空航天線纜中占有十分重要的地位,然而隨著航空航天技術的發展,它們的不足之處也越發明顯。最有代表性的典型的氟塑料,包括 PTFE、PFA、FEP,除機械強度不足、比重大之外,最薄弱一點是耐輻照性能差,所有塑料在高能輻照下都會產生斷鏈。至于在何種劑量下斷鏈、斷鏈程度怎樣等等,各種塑料的表現各不相同,PTFE 在輻照條件下,劑量在達幾個 Mrad 便迅 速分解了。氟塑料品種中,ETFE、PVDF機械強度大、比重小、耐輻照,但使用溫度低。曾經在航空導線中廣泛應用的 PI,由于不耐 Arc tracking、不耐原子氧、不耐潮、不耐水解、低溫彎曲性能差而不能用于航天。在研究開發氟塑料新品種的同時,對各種已有氟塑料進行物性、化性的改性,或改進線纜絕緣結構,例如采用 PTFE 與 PI 薄膜的復合絕緣結構,讓它們性能互補是近年來航空航天線纜發展的總趨勢。在航空航天線纜中,以 Raychem spec55 為代表的輻照交聯 ETFE 絕緣線及帶有交聯 ETFE 外層絕緣的氟塑料聚酰亞胺復合安裝線是兩個典型的例子。

3.1 新型輻照交聯 ETFE 絕緣安裝線

ETFE 是乙烯、四氟乙烯的共聚物,真正獲得廣泛應用的是含少量第三單體的乙烯—四氟乙烯共聚物。ETFE 具有比重小、強度大、耐輻照的特點,但使用溫度為 150℃,早期改性后可達 180℃,而 Raychem 公司開發的交聯 ETFE 使用溫度可達 200℃,滿足了宇航衛星用線的要求。Spec55 線通過 MIL-W-22759 規定的各項性能指標要求及 Raychem 公司規定的其它要求,已被 NASA 用在很多衛星上,將由 66 顆低軌道衛星組成的能直接提供到個人的全球通訊  系統(銥星計劃)也采用這類線。Spec55線比原來輻照交聯 ETFE 絕緣線有明顯降低。

3.1.1 絕緣材料

可交聯 ETFE 是用乙烯—四氟乙烯含第三單體一起的共聚物,加入適量的合適的交聯劑以及適量的顏料、潤滑劑、抗氧劑、阻燃劑、纖維或礦物纖維、染料、增塑劑等混成一體,為了方便電線表面做標識,可加入少量的光敏化劑。Tefzel HT200,Tefzel HT2171,Neoflon EP541 是典型的牌號。

3.1.2 擠出

交聯 ETFE 絕緣電線可以是單層絕緣的,但更多的是雙層絕緣的。雙層絕緣可以用雙層擠出機一次擠成,也可分兩層擠得。也有內層用 PVDF 的雙層絕緣。擠出溫度分布大體為 200℃、240℃、275℃、290℃,在合理配模下,可擠得絕緣厚度為0.13mm 的絕緣層。

3.1.3 交聯

可采用#≈  射線在適當劑量率下進行輻照交聯,或可以采用所謂“表皮輻照”技術(skin irradiation),控制加速粒子的電壓及劑量,以獲得滿意的結果。

3.2 新型復合安裝線

為了讓電線有更高的可靠性,為了合理發揮不同絕緣材料的優點,實現絕緣材料性能上互補,采用了雙層或多層絕緣的所謂“復合安裝線”。“復合安裝線”本身已不是一個新命題,例如早就出現的聚氯乙烯`~尼龍絕緣線,聚氯乙烯~聚偏氟乙烯絕緣線,PTFE 和 PI 的復合安裝線等等,這類安裝線,尤其像復合安裝線在航空航天安裝線也曾有過廣泛的應用。但絕緣層與層之間是可以分開的(可剝離的)。所謂新型復合安裝線是電線電纜中不同絕緣層是不可分的(不可剝離的,或剝離力特別大的)。

在 PI 絕緣外繞包有 PTFE 絕緣的安裝線結構廣泛使用過,但它的缺點也是很明顯的。首先,只具有低的,最多算是中等的防潮性不能用激光標設,更嚴重的還在于不耐磨,一旦受到刮擦,PTFE 很容易被刮掉,也暴露出 PI,其耐潮性能差,易水解,降低了其絕緣性。此外,PTFE 不耐氟照,用于航天顯然不適合。新的安裝線采用涂復熱熔封物質,外層采用交聯 ETFE,這樣就克服了以上缺點。

新型復合安裝線主要有兩種結構形式:第一種,內層為涂有熱熔封物質的 PI,外層是交聯 ETFE;第二種 內層是含氟塑料,中間層是涂有熱熔封物質的 PI,外層是交聯 ETFE。

單面或雙面涂了熱熔封物質(PTFE,PFA,FEP 或 PI 粘結劑)的 PI 薄膜搭蓋繞包以后在 240℃~350℃進行熱熔封,再擠上 ETFE 并使它交聯,便完成了新型安裝線。

這種安裝線能在 230℃下使用,比 Spec55 提高了 30℃,且耐潮、耐水解、耐磨、耐輻照,也具有阻燃性,且克服了單純 PI 絕緣不耐串弧、不耐氧原子的性能,絕緣層之間粘結力強、不能剝離。內層絕緣材料為 Kapton XP 或 OAsis TWT561,外層用 Tefzel 2171 生產的電線,按 ASTM 進行剝離試驗(T-Peel test)測得的粘結力(剝離力)達到了 100~250g/in-width,高的可達 1000 g/in-width,甚至 1500 g/in-width。正因為這一切性能使該產品適用于航空航天。

所采用的主要試驗方法

4 結束語

采用了交聯 ETFE 及其復合絕緣,生產了滿足當代航空航天技術需要的新型安裝線,其重量進一步降低,如果采用高強度導體,絕緣及電線重量還有可能進一步降低。因此國內科研、生產廠家從原材料到產品都是迎頭趕上,爭取早日用國產線纜代替進口線。

氟塑料發泡或微孔技術以及以上新型安裝線是現階段塑料絕緣技術發展的主要表現形式,對氟塑料在線纜中的應用起到了積極推動作用,也一定會推動氟塑料生產技術規模的新發展。

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