淺談聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜

黃淑貞

(廣州凱恒特種電線電纜有限公司，廣東廣州510520)

0 引言

聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜具有優(yōu)異的電氣性能，耐開裂、耐水解、耐磨、耐輻射，化學(xué)性能穩(wěn)定，且具有外徑小、重量輕等特點，是當今航空航天飛行器用兩大高端線種之一。但是長期以來，該系列電線電纜完全依賴進口。隨著我國航空航天的高速發(fā)展，國產(chǎn)化的研究和應(yīng)用勢在必行。

聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜目前國內(nèi)處于研制開發(fā)階段。該產(chǎn)品沒有相應(yīng)的國家標準或行業(yè)標準，主要依據(jù)美國 AS 22759通用規(guī)范及AS 22759/80～92詳細規(guī)范，其前身為美國MIL標準。本文主要介紹聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜的結(jié)構(gòu)形式和主要性能要求，對產(chǎn)品的一些特殊試驗方法進行分析探討。

1 產(chǎn)品使用特性及結(jié)構(gòu)形式

1.1 產(chǎn)品使用特性

(1)額定電壓:交流600 V。

(2)額定溫度:鍍錫銅導(dǎo)體150℃;鍍銀銅或鍍銀銅合金導(dǎo)體200℃;鍍鎳銅或鍍鎳銅合金導(dǎo)體260℃。

(3)最低使用環(huán)境溫度:－65℃。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線通常是在絞合導(dǎo)體外繞包規(guī)定層數(shù)的絕緣薄膜帶而制成。

聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電纜是由一根或多根電線(絕緣線芯)構(gòu)成，其外可以加屏蔽或護套，包括以下幾種類型:

(1)無屏蔽無護套電纜，由2根及以上的電線絞合而成;

(2)無屏蔽有護套電纜，由2根及以上的電線絞合，外加護套組成;

(3)有屏蔽無護套電纜，由1根電線、或2根及以上的電線絞合，外加金屬屏蔽組成;

(4)有屏蔽有護套電纜，由1根電線、或2根及以上的電線絞合，外加金屬屏蔽和護套組成。

2 主要組成

2.1 導(dǎo)體

導(dǎo)體作為傳輸電流的核心部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計首先應(yīng)滿足性能要求，主要性能有導(dǎo)體直流電阻、導(dǎo)體機械性能及導(dǎo)體可焊性等。導(dǎo)體設(shè)計為同心層絞合，線規(guī)為26 AWG～0000 AWG，導(dǎo)體材料包括鍍錫銅導(dǎo)體、鍍銀銅導(dǎo)體、鍍鎳銅導(dǎo)體、鍍銀高強度銅合金導(dǎo)體及鍍鎳高強度銅合金導(dǎo)體，后兩種導(dǎo)體主要依賴進口，國內(nèi)還無法生產(chǎn)。導(dǎo)體直流電阻、導(dǎo)體機械性能參見表1、表2。

表1 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及導(dǎo)體直流電阻

2.2 絕緣

絕緣采用有機合成高分子聚合物(聚酰亞胺)和聚四氟乙烯復(fù)合薄膜帶及聚四氟乙烯生料帶雙層繞包并經(jīng)燒結(jié)而成。

絕緣用薄膜材料性能如表3所示。聚酰亞胺是所有有機高分子聚合物中綜合性能最佳者之一，其耐熱性、耐切通性、耐輻照性、耐電暈、耐電弧性優(yōu)異，在輻射場中機械性能及電絕緣性能也比較穩(wěn)定，但伸長率小，不耐堿。聚四氟乙烯具有極好的介電常數(shù)、低損耗因子、使用溫度范圍寬等特點，但耐電暈、耐輻照性差。由于用單一材料構(gòu)成的絕緣層在性能上有一定的局限性，采用復(fù)合絕緣，用兩種材料組合在一起，取長補短，以提高絕緣層的綜合性能。

絕緣線芯分為輕型和普通型兩種，輕型絕緣單線的絕緣標稱厚度為0.15～0.17mm，普通型絕緣單線的絕緣標稱厚度為0.19～0.41mm。

表3 薄膜材料性能指標

2.3 屏蔽層

屏敝層的作用是防電磁干擾，同時對電纜起機械保護作用。

屏蔽層采用鍍錫、鍍銀或鍍鎳銅線編織，編織密度至少為85%，以保證電纜具有良好的屏蔽效果。

2.4 護套

護套采用聚全氟乙丙烯/聚酰亞胺復(fù)合帶及聚四氟乙烯生料帶雙層繞包并經(jīng)燒結(jié)而成。

3 主要性能

主要性能參見表4。

表4 聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜主要性能

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4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 材料

目前我國聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜采用的關(guān)鍵材料，即絕緣復(fù)合薄膜(F4/PI/F4)和F4生料帶均為進口。國內(nèi)用絕緣復(fù)合薄膜主要是美國杜邦公司產(chǎn)品。

4.2 設(shè)備

繞包燒結(jié)設(shè)備是制造聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜的關(guān)鍵設(shè)備。國外通常是將繞包與燒結(jié)組成連續(xù)生產(chǎn)線，分立式和臥式兩種。我公司引進了代表當今國際先進水平的立式繞包燒結(jié)設(shè)備，其主要特點是整條生產(chǎn)線采用先進的控制系統(tǒng)，可確保張力穩(wěn)定均勻，同時采用先進的陶瓷紅外燒結(jié)技術(shù)，加熱快，溫控精確。另外，配備了在線檢測，并可實現(xiàn)繞包工藝參數(shù)控制和記錄等功能。與之相比，國產(chǎn)設(shè)備在張力調(diào)節(jié)、繞包速度、設(shè)備的穩(wěn)定性等方面仍存在明顯差距。

4.3 工藝控制

產(chǎn)品標準對于絕緣包帶搭蓋率有嚴格的控制范圍，因為適當?shù)拇钌w率能確保電線擁有所規(guī)定的絕緣厚度、電氣性能和機械性能。標準中規(guī)定的搭蓋率允許范圍上下限只差3.5%。這對于外徑只有1～2mm的小規(guī)格電線來說，對材料、設(shè)備、工藝等要求是非常高的。聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜的結(jié)構(gòu)看似簡單，但在實際生產(chǎn)過程中要求極為嚴格，工藝控制需精益求精，尤其是絕緣繞包燒結(jié)工藝最為關(guān)鍵，能夠左右最終的產(chǎn)品質(zhì)量。

5 特殊性能試驗方法

聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜的鑒定試驗項目中，有一些特殊試驗項目，如10 000 h熱指數(shù)試驗、5 000 h強迫水解試驗、耐濕電弧試驗、耐干電弧試驗、動態(tài)切通試驗、UV激光可標識性試驗、絕緣燒結(jié)狀態(tài)試驗、絕緣剝離力試驗、絕緣包帶搭蓋率等試驗項目，之前在國內(nèi)沒有開展過，國內(nèi)沒有相應(yīng)的試驗方法及試驗設(shè)備。近幾年來上海電纜研究所已著手特種電纜技術(shù)實驗室的建設(shè)工作，國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心也在積極進行航空導(dǎo)線專項試驗室的建立和試驗研究，并幫助我公司完成了上述所有的試驗。

此外，中國民航對民用飛機上使用的電線電纜還要求進行耐環(huán)境性能試驗和阻燃性能的三項試驗。

5.1 10 000 h熱指數(shù)試驗

熱指數(shù)是表明絕緣材料的耐熱能力。它以溫度表示，在該溫度下材料具有按試驗確定的一定壽命。美國在規(guī)定10 000 h作為軍用飛機電子設(shè)備的額定工作壽命時，對電線所規(guī)定的近似的正常工作溫度，通過熱指數(shù)試驗來加以驗證。例如，本試驗按美國標準ASTM D3032第14章規(guī)定進行，則熱指數(shù)是指熱老化壽命曲線上相當于壽命為10 000 h的溫度值。

本試驗采用耐壓失效作為壽命終點指標。失效定義為每個試樣的漏電流大于10 mA。試驗溫度的選擇原則:在最高測試溫度下的平均壽命熱終點時間不少于100 h，在最低測試溫度時的平均熱終點時間不少于5 000 h，每個溫度點間隔10～20℃。

從絕緣電線樣品中取四組試樣，每組由10個試樣(305～406mm)組成，供一個溫度點測試。選取4個試驗溫度進行熱老化試驗，設(shè)定每一溫度下試樣放置的時間周期，選取8～15個測耐壓時間。在每個時間周期后從烘箱中取出試樣，冷卻至室溫后，將試樣在試棒上正反向纏繞二次，從試棒上取下試樣，浸入1%氯化鈉溶液中經(jīng)受規(guī)定的耐壓試驗。如果試樣耐壓測試失效，則終止該試樣的熱測試并記錄該溫度下的總測試時間。通過耐壓試驗的試樣沖洗并干燥后繼續(xù)放入烘箱中進行該溫度下的試驗，直到這組10個試樣都失效。

計算單個試樣失效的曝露時間和每一個溫度組的平均壽命，繪制熱終止時間的對數(shù)和絕對曝露溫度之間的阿侖尼烏斯圖，采用外推法，獲得10 000 h時的熱指數(shù);也可應(yīng)用回歸方程計算對應(yīng)于終點時間10 000 h的熱指數(shù)。

5.2 5 000 h強迫水解試驗

本試驗用于評估繞包絕緣電線的水解穩(wěn)定性，按AS 4373中602方法進行。試樣為10根電線樣品，各長762mm。

將5根試樣在試棒上緊密卷繞10圈并固定，掛重后放入烘箱中8 h，烘箱溫度為成品電線的額定溫度。之后取出試樣冷卻至室溫，將試樣及試棒浸入70℃的鹽溶液(5%)中，浸泡5 000 h之后取出試樣冷卻至室溫，進行耐壓試驗。

將5根試樣在試棒上緊密卷繞10圈并固定，將試樣及試棒浸入 70℃的鹽溶液(5%)中，浸泡5 000 h之后取出試樣冷卻至室溫，進行耐壓試驗。

5.3 耐電弧試驗

耐電弧試驗用于評估電線絕緣在電弧環(huán)境中耐電弧破壞的能力。線纜在使用過程中，產(chǎn)生電弧的原因有很多，包括絕緣老化、錯誤安裝、絕緣磨損，以及水或其它流體導(dǎo)通產(chǎn)生感應(yīng)等。耐電弧試驗提供了一個由導(dǎo)電體產(chǎn)生的電弧損傷導(dǎo)致絕緣退化的對比評估。

試驗分耐濕電弧試驗和耐干電弧試驗，分別按AS 4373中509方法和508方法進行。耐濕電弧試驗是通過在事先破壞的電線上滴加使電線間能相互傳導(dǎo)的鹽水來產(chǎn)生電弧。耐干電弧試驗是由帶刀刃的振蕩器通過刮磨絕緣層引起電弧。

試樣制備:耐濕電弧試驗和耐干電弧試驗分別采用15束試樣，每束試樣由7根電線組成。耐濕電弧試驗的試樣長203～406mm，所需的電線總長度至少為21.3 m;耐干電弧試驗的試樣最小長度為356mm，所需的電線總長度至少為37.3 m。

試驗考慮了使用條件的一個代表性范圍，選擇5個不同的電路電阻進行，在每個電阻值條件下試驗3個線束。記錄試驗過程中通過耐壓試驗的試樣數(shù)和每根電線的物理破壞長度。

5.4 動態(tài)切通試驗

動態(tài)切通試驗用于評估電線絕緣的切割表面耐穿透的能力，按AS 4373中703方法進行。試樣為450mm長的絕緣電線，其一端去除足夠長度的絕緣，將導(dǎo)體連接檢測電路。在規(guī)定的試驗溫度下，切割刀刃按規(guī)定的速度切入絕緣，直到刀刃接觸到導(dǎo)體。

試驗溫度分別為23℃、150℃、200℃、260℃ (根據(jù)導(dǎo)體的額定溫度來確定)。將試樣放置在支撐架上，并使切割刀刃垂直于試樣的軸線。接通檢測電路，使刀刃按5mm/min的速度切入絕緣，直至切通絕緣，刀刃接觸到導(dǎo)體。每根試樣進行8次試驗，每當進行下次試驗前，將試樣朝前移動最少25mm并總是朝同一個方向旋轉(zhuǎn)90°。

記錄每次試驗時的最大切通力，取8次試驗結(jié)果的算術(shù)平均值。

5.5 UV激光可標識性試驗

UV激光打印作為一種在線纜表面打印識別碼的新型方法已被廣泛采用，這種方法既方便快捷又具有持久性，能提供更加安全和牢固的標識。本試驗用于評估激光標識與電線絕緣背景之間的對比度等級，按AS 4373中1001方法進行。

試驗用UV標記系統(tǒng)應(yīng)具有下列特性:紫外波長為240～380 nm，打印標識用激光能量密度為(0.9 ±0.1)J/cm2。

試樣為3根電線樣品，每根試樣上至少印2段標識，標識之間的距離至少相隔920mm。

采用UV照射裝置測量試樣有標識處及鄰近的無標識處的亮度。每個試樣測得2組數(shù)據(jù)。計算每組對比度(CL)，試驗結(jié)果取6個對比度的算術(shù)平均值。

對比度(CL)=(背景的亮度－印字的亮度)/背景的亮度×100%

5.6 絕緣燒結(jié)狀態(tài)試驗

本試驗用于評估絕緣的燒結(jié)程度，按AS 4373中813方法進行。

樣品為1根至少450mm長的電線。試樣僅為PTFE帶，用鋒利刀片將PTFE以外的材料去除，然后稱重。PTFE試樣的重量應(yīng)為7～12 mg。

試驗所用的差熱掃描分析儀(DSC)應(yīng)能以至少10℃/min的速度進行加熱和冷卻，并可按時間自動記錄試樣和參照件不同的熱流。

將稱重后的試樣放在DSC試驗皿內(nèi)，再放入DSC試樣架上，開始第一次加熱，在溫度達到270℃之前升溫速度不限。從270℃開始，升溫速度為10℃/min，到380℃時結(jié)束加熱。讓試樣冷卻，在試驗溫度低于270℃時進行第二次加熱掃描，升溫速度與第一次相同。

采用S形曲線法作出290～360℃的熱曲線。計算兩個加熱峰焓值的差值。

5.7 絕緣剝離力試驗

本試驗用于確定從成品電線的導(dǎo)體上剝除絕緣所需的力，按ASTM D 3032中第27章規(guī)定進行。

試樣制備:取3根電線樣品，各約300mm，小心剝除兩端絕緣，在距試樣一端至少50mm處保留一段長25.4mm的完好絕緣。

拉力試驗機上要安裝一個固定裝置。該裝置為一塊約5mm厚的金屬板，上面有一個比試樣導(dǎo)體直徑大5%～10%的孔，以便試樣穿入孔中時導(dǎo)體有足夠的空隙而絕緣又通不過，使拉力試驗機正常施力在導(dǎo)體上，而不在絕緣上施加任何拉力。

將導(dǎo)體裸露較長的一端穿過固定裝置上的孔，并夾緊在拉力機移動端上。開動拉力機，以50mm/min的速度將導(dǎo)體拉出絕緣約25mm，記錄最大拉力。不得將絕緣移出導(dǎo)體端部。

5.8 絕緣包帶搭蓋率

本試驗主要是通過測量絕緣帶纏繞在導(dǎo)體上的旋轉(zhuǎn)角度，再換算成搭蓋率。試驗按MTL－STD－2223中6005方法進行。

將切好的樣品放置在顯微鏡或投影儀(放大倍數(shù)至少15倍)上，依次測量最內(nèi)層、次外層(如有的話)、外層絕緣包帶的旋轉(zhuǎn)角度。用MIL－STD－2223中6005方法中圖B的對照曲線圖轉(zhuǎn)換成百分率。

5.9 耐環(huán)境性能試驗

電線電纜產(chǎn)品在使用時，周圍的環(huán)境條件對其使用壽命和產(chǎn)品性能有一定的影響，如高低溫的影響;大氣中相對濕度和氣溫較高的影響;霉菌的繁殖;鹽霧的影響;日光輻射等。中國民航對于航空導(dǎo)線要求進行耐濕熱試驗、耐霉菌試驗及耐鹽霧試驗。

耐濕熱試驗的目的是考核在濕、熱因素同時作用下產(chǎn)品的承受能力，試驗按RTCA DO－160的第6章(B類)進行，取3根成品試樣。試驗以24 h為一個周期，每周期分為升溫、高溫高濕、降溫和低溫高濕四個階段，共進行10個周期試驗(240 h)。試驗結(jié)束時對試樣進行耐壓試驗及外觀檢查，電壓試驗應(yīng)不擊穿，試樣表面無開裂、變色、粘連。

耐霉菌試驗的目的是考核電線產(chǎn)品應(yīng)具有一定的防霉能力，因為電線表面長霉后首先影響產(chǎn)品的外觀，其次會損壞表面材料和影響部分產(chǎn)品的性能。試驗按RTCA DO－160的第13章進行，取3根成品試樣。試驗在溫濕度交變循環(huán)條件下進行，每24 h循環(huán)一次，試驗周期為28天。試驗用菌種包括黑曲霉、黃曲霉、雜色曲霉、繩狀青霉、球毛殼霉。試驗結(jié)束時立即檢查試樣表面霉菌生長情況。試驗后表面應(yīng)無開裂、變色、粘連，霉菌等級不超過1級(即表面沒有長霉或極輕微長霉)，同時進行電壓試驗應(yīng)不擊穿。

耐鹽霧試驗的目的是確定電線抗鹽霧大氣影響的能力。試驗按RTCA DO－160的第14章進行，取3根成品試樣。試驗溫度35℃，試驗用鹽溶液濃度為50 g/L，pH 值 6.5 ～7.2(35℃ 時)，鹽霧沉降量1～3 ml/(80 cm2·h)，連續(xù)噴霧時間48 h。試驗后表面應(yīng)無開裂、變色、粘連，同時進行電壓試驗應(yīng)不擊穿。

5.10 阻燃性能試驗

普通電線電纜在燃燒時會延燃，同時會產(chǎn)生大量的煙霧和腐蝕性氣體，損壞電氣和電子設(shè)備，損害人體健康，而大量的煙霧則嚴重影響消防人員的救火工作和火災(zāi)現(xiàn)場人員的撤離。航空用電線電纜不僅要求通過阻燃試驗，民航部門還要求進行煙密度試驗和毒性氣體試驗。

(1)非金屬材料可燃性試驗(60°試驗)

試驗按CCAR－25－R3的附錄F 25.1進行?；鹧鏈囟?54℃，供火時間30 s。

試樣以與水平面成60°角的方式安裝在試驗箱，試驗時火焰施加在試樣的試驗標記處30 s。撤離火源后火焰必須在規(guī)定的時間內(nèi)自熄，且試樣上燒焦長度也應(yīng)滿足標準要求。

(2)非金屬材料煙密度試驗

試驗按HB 6577—1992規(guī)定進行。

試驗時試樣置于試驗箱內(nèi)，試驗時間為240 s。在試樣因高溫分解或燃燒而產(chǎn)生煙霧的過程中，測定穿過煙霧的垂直平行光束的透光率，計算出規(guī)定時間內(nèi)的煙密度Dm。Dm值不應(yīng)超過200。

(3)非金屬材料燃燒產(chǎn)生毒性氣體試驗

試驗按HB 7066—1994規(guī)定進行。

在規(guī)定的煙密度箱內(nèi)，垂直安裝的試樣受到特定的熱輻射和火焰的作用，燃燒產(chǎn)生毒性氣體。從點火開始至4 min時，盡快抽取所需氣體。在5 h內(nèi)測定一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、氯化氫、氰化氫、氟化氫等六種毒性氣體的含量。

6 結(jié)束語

聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜作為一種新型的航空航天用高端線纜，其國產(chǎn)化有著極其重要的意義。近幾年我國國防和航空工業(yè)的迅速發(fā)展，將給聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜帶來良好的機遇和挑戰(zhàn)。我公司研制的聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜依據(jù)美國AS 22759標準進行全性能試驗，產(chǎn)品技術(shù)指標全部符合標準要求。下一步將逐步實現(xiàn)該產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)，以滿足用戶需求。

國內(nèi)目前該產(chǎn)品都是依據(jù)企業(yè)自己制訂的標準來研制和生產(chǎn)，產(chǎn)品要求不規(guī)范，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，因此需要建立一個國家或行業(yè)產(chǎn)品標準來規(guī)范市場，以利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高和行業(yè)的發(fā)展。同時還需制訂和完善相關(guān)的試驗方法。

聚四氟乙烯/聚酰亞胺絕緣電線電纜屬于高技術(shù)含量的產(chǎn)品，所以至今該產(chǎn)品的制造廠家在世界上依然為數(shù)不多。我們必須認清國內(nèi)的技術(shù)水平還不能與國外同行相比，在技術(shù)、設(shè)備及生產(chǎn)工藝等方面還存在不足，技術(shù)積累尚需時間，全面實現(xiàn)國產(chǎn)化任重而道遠。近幾年來國內(nèi)已有不少廠家在關(guān)注和研發(fā)這個產(chǎn)品，期望大家一起努力攻克相關(guān)的技術(shù)難題，不斷提高技術(shù)水平，促進該產(chǎn)品的持續(xù)健康發(fā)展。