輻照交聯(lián)乙烯－四氟乙烯絕緣航空線制備與性能表征

鄭 偉，王新營，嚴(yán) 波，計(jì)初喜，劉旌平

(1.特種電纜技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200093;2.上海特纜電工科技有限公司，上海201300)

0 引言

在航空航天用電線電纜中，輻照交聯(lián)電線有交聯(lián)聚氯乙烯絕緣電線、輻照交聯(lián)乙烯－四氟乙烯共聚物(X-ETFE)絕緣電線等，其中X-ETFE絕緣電線正是當(dāng)今航空用電線中的兩種主要線種之一［1］。

X-ETFE絕緣電線采用特殊的X-ETFE絕緣料，擠包成電線后，經(jīng)電子束輻照而交聯(lián);X-ETFE除保持ETFE原有特性外，其溫度等級(jí)提高到200℃。該電線一般采用薄壁絕緣結(jié)構(gòu)，如單層絕緣電線的絕緣厚度為0.15 mm，故在相同載流量要求下，電線重量輕，這一點(diǎn)對(duì)航空航天飛行器來說是非常重要的，所以自上世紀(jì)70年代以來，這一線種一直深受航空航天業(yè)的青睞，目前無論是軍用還是民用航空航天飛行器都大量使用這種電線［2］。

上海電纜研究所采用國產(chǎn)設(shè)備及原材料研發(fā)X-ETFE絕緣料，并制備出X-ETFE絕緣航空電線，經(jīng)過一系列性能測試后，所制備的X-ETFE絕緣航空線滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 航空線制備

1.1 原材料

上海電纜研究所自制四種X-ETFE絕緣料，分別為采用進(jìn)口國外公司ETFE樹脂的1#與2#絕緣料，采用國內(nèi)公司ETFE樹脂的3#與4#絕緣料。導(dǎo)體為20AWG線規(guī)鍍錫銅絞合導(dǎo)體。

1.2 生產(chǎn)設(shè)備

具體航空線生產(chǎn)在上海特纜電工科技有限公司完成。氟塑料擠出采用 35單螺桿高溫串?dāng)D設(shè)備。電子加速輻照器2.5 MeV。

1.3 生產(chǎn)過程

絕緣料在60～70℃下烘2～3 h;制備標(biāo)準(zhǔn)MIL-W-22759/32;擠出機(jī)溫度220～330℃;配模工藝，內(nèi)模1.5/3.3 mm、外模4.5 mm;收線速度不超過20 m/min;火花電壓5.7 kV;成品外徑1.270±0.05 mm。

航空線試制過程中，1#與2#絕緣料過程順利，成品線徑控制較為穩(wěn)定，無擊穿現(xiàn)象，且電線表面光滑、無缺陷，表觀質(zhì)量優(yōu)良。

3#與4#絕緣料生產(chǎn)過程中成品線徑誤差較大，經(jīng)過工藝調(diào)整后情況未能有明顯好轉(zhuǎn)，但線徑仍然在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。電線表面光滑，有少量的雜質(zhì)出現(xiàn)，出現(xiàn)少量擊穿現(xiàn)象，國產(chǎn)原料性能和質(zhì)量穩(wěn)定性不佳導(dǎo)致以上問題的出現(xiàn)。

針對(duì)試制樣線，為摸索出適合的輻照劑量，設(shè)定了7檔輻照劑量分別為4、6、8、10、12、14、16 Mrad。

2 航空線性能表征

X-ETFE絕緣航空線的主要標(biāo)準(zhǔn)為MIL-W-22759和GJB 773A—2000。在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)XETFE絕緣電線提出了很高的要求，制定了多項(xiàng)試驗(yàn)測試，這些試驗(yàn)包括機(jī)械、電氣、浸油、高低溫度測試等。根據(jù)項(xiàng)目組多年的研究與測試經(jīng)驗(yàn)，其中大部分試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)X-ETFE絕緣電線來說是沒有太大問題的，用ETFE基體樹脂作絕緣都能達(dá)到要求，但是其中有兩項(xiàng)試驗(yàn)是很難達(dá)到的，即交聯(lián)度驗(yàn)證測試和機(jī)械性能測試，這兩項(xiàng)測試均與絕緣材料的交聯(lián)度有關(guān)。

2.1 交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)

由于氟塑料的特殊性，X-ETFE很難像交聯(lián)聚烯烴那樣測凝膠含量或熱延伸來確定其交聯(lián)度，所以采取了交聯(lián)度驗(yàn)證測試來確定其交聯(lián)度，具體試驗(yàn)方法如下:把60 cm長的航空線試樣兩端各剝?nèi)?.5 cm絕緣，兩端導(dǎo)體上掛上規(guī)定重量，然后把試樣懸掛在規(guī)定直徑的試棒上(如圖1所示)，在300℃環(huán)境下放置7 h，冷卻后將試樣掛重去除，并在規(guī)定的試棒上對(duì)試樣進(jìn)行正反各兩次的卷繞試驗(yàn)，肉眼觀察有無開裂現(xiàn)象;然后將試樣放入5%的鹽水中浸泡5 h后，要求通過2 500 V、5 min的耐壓試驗(yàn)，因?yàn)楫?dāng)ETFE未交聯(lián)時(shí)，其熔點(diǎn)在270℃左右，而現(xiàn)在要經(jīng)過300℃、7 h時(shí)的高溫壓力下試驗(yàn)，所以只有交聯(lián)度達(dá)到相當(dāng)程度，才能通過。

圖1 交聯(lián)度試驗(yàn)示意圖

2.2 機(jī)械性能試驗(yàn)

航空線試樣剝?nèi)ネ鈱咏^緣，對(duì)絕緣進(jìn)行力學(xué)性能測試。測試環(huán)境溫度為20℃±5℃，拉伸速率為50 mm/min。

X-ETFE絕緣的力學(xué)性能，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相當(dāng)高的要求?？估瓘?qiáng)度必須大于35 MPa，交聯(lián)后絕緣的斷裂伸長率會(huì)下降，國外X-ETFE絕緣電線的斷裂伸長率指標(biāo)定為不低于75%，對(duì)此類產(chǎn)品來說，這是非常高的要求，但作為高性能的航空航天用產(chǎn)品，這也是必要的。

3 結(jié)果與討論

3.1 交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和前期實(shí)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)本次試驗(yàn)的航空線主要進(jìn)行了交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)，評(píng)估材料耐熱性能的高低。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種航空線取兩根試樣進(jìn)行交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出，隨著輻照劑量的提高，各批次航空線的交聯(lián)度也隨之提高，最后均能通過交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)。

1#與2#絕緣料隨著輻照劑量的提高，耐壓試驗(yàn)過程中的耐壓程度也是逐漸提高，在輻照劑量4 Mrad時(shí)，耐壓試驗(yàn)中電壓稍有提高便立刻擊穿;當(dāng)輻照劑量提高到10 Mrad時(shí)，耐壓試驗(yàn)已經(jīng)能在電壓2.5 kV條件下保持90 s，說明絕緣料內(nèi)部的交聯(lián)度有了顯著的提高。當(dāng)輻照劑量提高到12 Mrad及以上時(shí)，已經(jīng)能夠完全通過交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)。

相比于1#與2#絕緣料，3#與4#絕緣料在相同的輻照劑量下，交聯(lián)程度明顯不足，這兩種絕緣料制備的航空線在16 Mrad輻照劑量下才能完全通過交聯(lián)度驗(yàn)證，高于1#與2#的12 Mrad輻照劑量。

X-ETFE絕緣料在高能電子的輻照下，氟塑料在交聯(lián)劑的作用下產(chǎn)生各種自由基，通過自由基的相互結(jié)合而形成新的連接鍵，形成空間網(wǎng)狀的三維立體結(jié)構(gòu)，其材料性能發(fā)生相應(yīng)的變化:從可熔融變?yōu)椴蝗?，耐高溫性能及高溫下的?qiáng)度有明顯的提高;分子間形成新的連接鍵，阻止了分子的相對(duì)滑移，剛性增加，蠕變行為減小;耐應(yīng)力開裂性能有所提高。X-ETFE絕緣料熔點(diǎn)在255～275℃之間，輻照加工后絕緣料耐熱性能有了顯著的提高，所以能夠滿足高于材料熔點(diǎn)溫度之上的性能測試(如交聯(lián)度驗(yàn)證測試，溫度要求為300℃)，且輻照劑量越高則交聯(lián)度越高，交聯(lián)度越高則材料的耐熱性能越好。從測試中也可以體現(xiàn)出，隨著輻照劑量的提高，四種航空線的耐熱性能均顯著提高，交聯(lián)度驗(yàn)證測試均能夠通過。

3.2 機(jī)械性能

在交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)通過的基礎(chǔ)上，機(jī)械性能尤其是斷裂伸長率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求尤為重要，因?yàn)榻宦?lián)度提高的前提下絕緣的斷裂伸長率肯定會(huì)有顯著的下降，同時(shí)要滿足交聯(lián)度和斷裂伸長率這兩方面矛盾的性能要求，對(duì)絕緣材料有著較高的要求。機(jī)械性能結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)械性能結(jié)果

由表2可以看出，隨著輻照劑量的提高，四種絕緣料的抗拉強(qiáng)度有小幅度的提高，但是斷裂伸長率有顯著的下降，交聯(lián)程度的提高導(dǎo)致分子鏈之間的滑動(dòng)難度增大，降低了伸長率。

對(duì)于1#、2#絕緣料來說，當(dāng)滿足交聯(lián)度驗(yàn)證時(shí)輻照劑量為12 Mrad，其抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長率分別為39.20 MPa、175%與38.80 MPa與160%，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的強(qiáng)度大于35 MPa和伸長率大于75%;但是當(dāng)輻照劑量提高到16 Mrad時(shí)，伸長率下降到只有105%和90%，雖然仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但為了滿足其他性能的要求，輻照劑量還是不宜過高。

對(duì)于3#、4#絕緣料來說，當(dāng)滿足交聯(lián)度驗(yàn)證時(shí)輻照劑量為16 Mrad，其抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長率分別為45.60 MPa、75%與48.00 MPa、70%，斷裂伸長率已經(jīng)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求了，說明在交聯(lián)度達(dá)到要求的情況下，其內(nèi)部分子鏈的滑動(dòng)已經(jīng)相當(dāng)困難，不能滿足伸長率的要求。

輻照加工在提高了材料耐熱性能的條件下，也阻止了分子的相對(duì)滑移，剛性增加，蠕變行為減小，宏觀上的體現(xiàn)便是材料斷裂伸長率的顯著降低，為了滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)械性能的要求，輻照劑量必須控制在一定的范圍之內(nèi)，以滿足耐熱性能和機(jī)械性能這兩個(gè)相互矛盾的性能要求。

4 結(jié)論

(1)四種絕緣料制備的航空線的可加工性能均較優(yōu)良，可以在較寬泛的加工窗口下生產(chǎn)航空線，且產(chǎn)品的表觀性能較好。

(2)進(jìn)口ETFE樹脂制備的X-ETFE絕緣料可加工性能優(yōu)良，制成的航空線表觀質(zhì)量與性能優(yōu)良。

(3)國產(chǎn)ETFE樹脂制備的X-ETFE絕緣料可加工性能良好，制備的航空線表觀質(zhì)量較好，性能方面交聯(lián)度驗(yàn)證測試能夠通過，但是力學(xué)性能勉強(qiáng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進(jìn)一步提升與改進(jìn)。

(4)本項(xiàng)目研制生產(chǎn)的輻照交聯(lián)乙烯－四氟乙烯共聚物絕緣料性能優(yōu)良，經(jīng)過制線并輻照加工后，可以滿足航空線標(biāo)準(zhǔn)MIL-W-22759和GJB 773A—2000的性能要求。

［1］黃淑貞，張兆文.XETFE絕緣電線電纜的技術(shù)現(xiàn)狀和國產(chǎn)化探討［J］.電線電纜，2011(4):1-4.

［2］劉旌平，張賢靈，張敬平.輻照交聯(lián)乙烯四氟乙烯絕緣電線后處理工藝條件的選擇［J］.電線電纜，2010(6):4-6.