聚四氟乙烯繞包絕緣導(dǎo)線研究與應(yīng)用

(蘇州華旃航天電器有限公司，江蘇蘇州，215129)

1 引言

聚四氟乙烯簡稱PTFE，是由四氟乙烯聚合而成，聚四氟乙烯絕緣導(dǎo)線是在導(dǎo)體外部通過推擠工藝或繞包工藝，將PTFE材料包裹在金屬導(dǎo)體外燒結(jié)成型作為絕緣層的一種導(dǎo)線。聚四氟乙烯絕緣導(dǎo)線具有良好的物理性能、電絕緣性能、熱性能、耐化學(xué)穩(wěn)定性，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、電子等領(lǐng)域。目前，國內(nèi)僅推擠工藝聚四氟乙烯絕緣導(dǎo)線存在軍用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，繞包工藝聚四氟乙烯絕緣導(dǎo)線沒有統(tǒng)一的軍用標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行的均為導(dǎo)線生產(chǎn)廠家制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)線指標(biāo)存在差異并且不規(guī)范，若設(shè)計(jì)選型不當(dāng)或后續(xù)生產(chǎn)過程中的工藝方法不合理，則有可能在造成使用過程中的質(zhì)量事故或埋下質(zhì)量隱患。

本文通過對現(xiàn)有聚四氟乙烯導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)的對比和分析，結(jié)合工程實(shí)例，確定了聚四氟乙烯繞包絕緣導(dǎo)線在設(shè)計(jì)選型和制造過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)指標(biāo)，為軍用產(chǎn)品線束設(shè)計(jì)和線束制造工藝制定提供借鑒。

2 名詞解釋

聚四氟乙烯繞包絕緣導(dǎo)線：將聚四氟乙烯薄膜繞包在導(dǎo)體外，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)熔封成型作為絕緣層的導(dǎo)線。

覆蓋率：金屬屏蔽編織層在導(dǎo)線外部覆蓋的百分比。

屏蔽編織角：金屬屏蔽編織絲與導(dǎo)線徑向夾角。

縮線：繞包線在受高溫應(yīng)力時(shí)，繞包絕緣層發(fā)生收縮導(dǎo)致導(dǎo)體裸露在繞包層外的現(xiàn)象。

3 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

軍用標(biāo)準(zhǔn)中聚四氟乙烯繞包絕緣導(dǎo)線(以下簡稱繞包線)的代號為“F42”，工程應(yīng)用中多以國內(nèi)導(dǎo)線廠家企標(biāo)命名的導(dǎo)線代號進(jìn)行選型和配套,導(dǎo)線代號為“AFR”。繞包線以普通線(見圖1a)、屏蔽線(見圖1b)兩種結(jié)構(gòu)使用最為廣泛。圖1 中“1”為導(dǎo)體，“2”為聚四氟乙烯繞包絕緣層，“3”為編織屏蔽層。繞包線結(jié)構(gòu)中的三個(gè)部分材料或指標(biāo)的差異均會對后續(xù)制造工藝和使用產(chǎn)生較大影響，掌握導(dǎo)線的各項(xiàng)重要指標(biāo)和適用環(huán)境，對于選擇合適的導(dǎo)線和工藝處理方法顯得尤為重要。

圖1 聚四氟乙烯繞包絕緣導(dǎo)線結(jié)構(gòu)圖

4 導(dǎo)體

導(dǎo)線導(dǎo)體作為傳遞信號的最主要載體，導(dǎo)體材料是繞包線選擇的一項(xiàng)最重要指標(biāo)。金屬導(dǎo)電率排列中，銀是導(dǎo)電率最優(yōu)的金屬，其次是銅和鋁，但銀的價(jià)格昂貴，鋁的強(qiáng)度低，導(dǎo)體材料一般優(yōu)選銅作為基材，銀材和鋁材導(dǎo)體只用在特殊場合。由于金屬銅在空氣中的易氧化性，當(dāng)銅暴露在空氣中時(shí)易被氧化形成一層膜，主要成分是堿式碳酸銅CU2(OH)2CO3，俗稱銅綠，銅綠的導(dǎo)電性能很差，會對后續(xù)產(chǎn)品的電性能產(chǎn)品較大影響。通常在銅材的表面增加鍍層的方式，通過鍍層金屬的穩(wěn)定性，不僅可以防止銅材發(fā)生氧化產(chǎn)生銅綠，還可以改善導(dǎo)線的導(dǎo)電性，增加導(dǎo)線散熱性、耐腐蝕性和高溫抗氧化能力。導(dǎo)體材料性能和鍍層情況見表1所示。

表1 導(dǎo)體材料性能對比表

工程中，導(dǎo)線需要連接系統(tǒng)中的元器件或印制線路后才能進(jìn)行信號傳輸，焊接工藝和壓接工藝是最為常用的兩種連接工藝，無論是焊接還是壓接工藝均對導(dǎo)體性能有較高的要求：

a)采用焊接工藝時(shí)，鍍鎳銅芯導(dǎo)線可焊性較差，裸銅芯導(dǎo)線易氧化等特性，容易造成虛焊，一般優(yōu)選鍍銀銅芯導(dǎo)線和鍍錫銅芯導(dǎo)線。在傳輸高頻信號時(shí)，由于信號傳輸?shù)内吥w效應(yīng)，選用鍍銀銅芯導(dǎo)線可獲得較好的傳輸性能；

b)采用壓接工藝時(shí)，用于壓接的導(dǎo)線導(dǎo)體應(yīng)為多股絞合線，單股線不適用于壓接工藝，且導(dǎo)體材料的硬度應(yīng)和壓接筒材料硬度相近。壓接工藝需要嚴(yán)格控制壓接點(diǎn)的壓接電阻，鍍鎳銅芯導(dǎo)線導(dǎo)體表面電阻大，裸銅芯導(dǎo)體和鍍錫銅芯導(dǎo)體易氧化形成氧化膜增大表面電阻，導(dǎo)致壓接電阻增大，均不適用于壓接工藝，鍍銀銅芯導(dǎo)體因其良好的電導(dǎo)率和穩(wěn)定性，是壓接工藝首選的導(dǎo)線；

c)選用鍍銀銅芯線時(shí)，需采用柔軟環(huán)保無鹵的材料對裸露在外的鍍銀層進(jìn)行防護(hù)，讓其完全包覆導(dǎo)線表層，以達(dá)到隔絕空氣的目的，避免空氣硫元素和濕氣引起鍍銀層變色。

5 編織屏蔽

導(dǎo)線作為連接電氣設(shè)備、傳輸電能或數(shù)據(jù)的重要載體，通常具有較長的物理尺寸，不但容易受到外界干擾源的電磁干擾，也可能作為干擾源向外發(fā)射干擾信號。因此，對電纜本身進(jìn)行電磁屏蔽防護(hù)有助于減小電磁干擾，從而達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的目的。通常是在聚四氟乙烯繞包層外采用編織工藝，將鍍銀或鍍錫圓銅絲編織覆蓋在絕緣層外，形成金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)線內(nèi)部傳輸信號的電磁防護(hù)，并要求圓銅絲編織密度不小于85%，除外徑大于7.9mm的導(dǎo)體外，編織角應(yīng)大于等于50°，小于等于72°。在工程實(shí)施中，為了保證編織角α測量的精確性，需要先測量圓銅絲與導(dǎo)線軸向的夾角X(見圖2)，然后采用公式(1)進(jìn)行換算。

圖2 夾角X示意圖

(1)

在編織錠數(shù)的一半m，每錠中圓銅線根數(shù)n，圓銅線直徑d，編織節(jié)距h，導(dǎo)體外徑D等編織參數(shù)不變的情況下，根據(jù)公式(2)、(3)，當(dāng)編織角越大時(shí)，屏蔽編織密度越小，屏蔽編織層與聚四氟乙烯繞包層的貼合就越松，屏蔽層的松散容易造成在后續(xù)使用過程中屏蔽層的堆積和斷裂。堆積或斷裂的屏蔽層均會對屏蔽效果產(chǎn)生影響，降低屏蔽效能；當(dāng)編織角越小時(shí)，屏蔽編織密度越大，屏蔽編織層與聚四氟乙烯繞包層貼合越緊密，相應(yīng)物料成本也會增加。通過調(diào)整屏蔽編織角等參數(shù)，降低屏蔽編織密度也成為導(dǎo)線廠家降成本的一項(xiàng)主要措施，但也極大影響了導(dǎo)線的屏蔽效能。

(2)

(3)

圖3 屏蔽絲不規(guī)則示意圖

圖4 熱縮管防護(hù)示意圖

導(dǎo)線選型時(shí)，需要在保證屏蔽編織密度不小于85%的情況下，根據(jù)不同的使用環(huán)境選擇不同的編織角。屏蔽編織緊密的屏蔽線只適用于要求將屏蔽層端頭處理在膠體內(nèi)部的情況，但屏蔽端頭編織絲的不規(guī)則性，容易造成短路或耐壓擊穿圖3。更多的情況是需要將屏蔽層的端頭進(jìn)行沖胖處理，在屏蔽層內(nèi)部和外部采用熱縮管進(jìn)行防護(hù)，防止屏蔽絲散亂不規(guī)則情況，如圖4所示。結(jié)合(2)、公式(3)和大量的工程應(yīng)用，電纜組件選型過程中聚四氟乙烯屏蔽導(dǎo)線可按表2選擇編織角，既充分考慮屏蔽編織密度的要求，又可在屏蔽層端頭內(nèi)部穿套熱縮管進(jìn)行防護(hù)，防止不規(guī)則的屏蔽絲扎傷導(dǎo)線或產(chǎn)生放電。

表2 屏蔽編織角與編制密度優(yōu)選表

6 聚四氟乙烯繞包絕緣層

聚四氟乙烯繞包絕緣層是將聚四氟乙烯材料制棒，經(jīng)車削壓延成半定向薄膜，然后繞包在導(dǎo)體外再燒結(jié)熔封形成的絕緣層。繞包層搭蓋率和縮線量是影響導(dǎo)線絕緣性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。采用單層繞包工藝時(shí)，搭蓋率不小于67%，采用多層繞包工藝時(shí)搭蓋率不小于20%，且要求相鄰層方向應(yīng)相反，繞包層應(yīng)無層間分離現(xiàn)象?？s線量應(yīng)不大于表3。繞包線使用前應(yīng)施加溫度應(yīng)力，縮線量不滿足表3要求的，可進(jìn)行二次施加溫度應(yīng)力，但需增加施加時(shí)間，若還不滿足，可判定導(dǎo)線為不合格品，不得使用。

表3 縮線量參數(shù)表

7 結(jié)語

聚四氟乙烯繞包絕緣導(dǎo)線廣泛應(yīng)用于航天、航空、兵器、電子等領(lǐng)域武器型號中，由于缺失統(tǒng)一的軍用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)線生產(chǎn)廠家通常根據(jù)自身的工藝水平和生產(chǎn)情況對導(dǎo)線指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整，導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)部聚四氟乙烯繞包絕緣導(dǎo)線各廠家間指標(biāo)均存在差異。電纜組件設(shè)計(jì)人員和工藝人員需要充分掌握和確定繞包線的各項(xiàng)重要指標(biāo)，才能在電纜組件設(shè)計(jì)過程中和工藝制定過程中選擇到符合電纜組件性能要求的導(dǎo)線并采取正確的工藝方法，避免由于繞包線選型錯(cuò)誤或工藝方法不當(dāng)導(dǎo)致的質(zhì)量隱患或質(zhì)量事故。