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航空航天用线缆的新要求及氟塑料绝缘电线新品种

作者:admin日期:2018-09-25 11:12点击:

1 序 言

科学技术的发展,促进了电线电缆的发展;电线电缆的发展,推动并保证了科学技术的发展,周而复始,永无止境。以含氟塑料为代表的新绝缘材料的出现和发展,让电线电缆的发展谱写了新的一页,尤其是它们的耐高温、耐环境特性促进了军品线缆的高速发展。可以毫不夸张地说,含氟塑料促成了电线电缆从民用到军用,从地面到空中的飞跃。随着空间技术的发展,随着对宇宙环境研究的深入,发现原有绝缘材料、绝缘结构的不足也是顺理成章的事情。作为电线电缆的研究者、生产者,就是要提出新的设想,设法克服这些不足,满足新的要求。为空间技术的发展,提供更完善、更可靠的电线电缆新品种,把电线电缆从满足一般军用标准,发展到满足宇航标准。

2 对航空航天线缆的新要求

众所周知,所谓电气绝缘,就必须满足各种结构和各种性能的要求。作为电气绝缘的主要形式之一的电线电缆,实际上是追求电气性能、热性能和机械性能的综合平衡。具体来说,包括诸如耐磨性能、耐切割性能、耐化学介质、阻燃性、发烟量、工作温度等级、介电性能等等性能的综合平衡。航空航天线缆比一般地面用线,无疑有更多的、实际的、特殊的要求,例如必须考虑绝缘材料的重量、真空逸气性,对原子氧、紫外线、高能辐照的抵御能力,以及它的阻燃性、机械性能,甚至线缆生产时绝缘材料的工艺性能。在航空航天史上,由于电气绝缘和线缆绝缘材料引起的失效、事故不在少数。航天器耐用性(寿命)的不足,以及随着对宇宙环境的严酷性认识的不断深化,都对航天布线及布线系统提出了更高的可靠性要求。对于像卫星这样的航天器的设计者而言,所面临的首要问题莫过于航天器自身重量的降低。对于卫星星体中数百公斤重的电子线路系统以及构成有效载荷的电子元件,包括电线电缆,都必须设法减轻它们的重量。重量的减轻固然为了减少每公斤数百美元的发射费用,更主要的是因为能腾出更多的重量和空间位置,使卫星能携带更多的燃料,从而可以大大提高卫星的有效运行寿命。空间技术的发展,对宇宙环境认识的深入,总会对航空航天线缆不断地提出新的要求。例如被称为绝缘材料的“耐串弧性”(Arc tracking 现在已成为航空航天线缆验收的必要准则之一,也已作为宇航材料选用的原则之一。随着美国航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)等制订了宇航级电子元件的规范,中国航天科学技术研究院也制订了宇航级电子元器件的采购规范(CAST B 、CAST C)确保宇航的有效、安全和可靠。

那么,近年来提出了甚么样的新要求呢?下面将涉及几个主要新要求,并作些简单的解释。

2.1 串弧性(Arc tracking ,Arc propagation)

所谓“串弧性”,是指存在于两根或多根导线间的一种电击穿扩展现象,表现为一旦一个线路产生一个电气失效,这个失效会向另外的线路扩展,导致线路严重失效,甚至快速燃烧。研究表明,由“串弧”引起的失效与线路的连接、环境及电缆设计有关,而“串弧”发生的灵敏度则取决于绝缘材料自身的分子结构和化学特性。现已查明,由纯粹的聚酰亚胺薄膜绕包的绝缘电线组成的线路系统比较容易发生,并导致令人吃惊的失效。据此,NASA 已迅速做出反应,宇航电气绝缘禁止使用单纯的聚酰亚胺或单纯由其它芳香族聚合物构成的绝缘材料。波音公司在 1998 年 12 月颁发的“电线电缆试验过程” BSS7324)中规定了干法和湿法 Arc propagation 的具体试验方法,更早有 McDonnel Douglas 公司研究过 270V,DC 时的 Arc tracking试验。

2.2 真空逸气性(out gassing)

真空逸气性是在高真空下物质的挥发(气化),是宇航用线的一个要求,随着航天技术的发展,现今已明确量化了。

地球表面的大气压为 760mmHg,这也就是地面的真空度。而在高度为 250Km 的高空,其真空度会达到 10 mmHg,高度在650km 的高空,真空度达到 10  mmHg,最现代的定位卫星,飞行轨道高度达到 8000km 左右,真空度还要高,在这样的高真空下很多物质很容易直接从固态挥发。一方面物质的挥发是一种损害,另一方面更令人不能接受的是挥发物质会沉降,遇冷会凝集,这样会污染电气设备,减损光学棱镜的光学表面及镜面的光学灵敏度,使卫星不能正常工作,严重的甚至会发生腐蚀。据此,NASA 及 CAST 都对高真空下的总逸气量(总失重,TML)规定了≦1﹪的要求,而对总凝集量(CVCM)规定了≦0.1﹪的要求。TML、CVCM 可用 ASTM E595 描述的方法测定,而更完整的可用 NASA SP-R-0022 规定方法测定。

2.3 原子氧(atom oxygen)

由返回的飞行器带回的数据表明,除了宇宙线、紫外线辐照外,在高空还存在着高流量的原子氧群体,原子氧对飞行器表面材料产生侵蚀,使其严重降解和破坏。研究表明,氧原子浓度与高度有关,在低轨道卫星(LED)飞行高度,原子氧群体产生的冲击能量达到 5eV。曾经进行过试验,外涂 0.0508mm 的 PI,在低轨道上飞行,只需 5-7 天使它全散发至低轨道所处环境中。

关于原子氧,目前尚未规定统一的测定方法,都只能参照实际数据作为材料选用的依据。

3 氟塑料绝缘电线电缆新品种

众所周知,含氟塑料和聚酰亚胺是非常优良的电线电缆绝缘材料,到目前为止,在航空航天线缆中占有十分重要的地位,然而随着航空航天技术的发展,它们的不足之处也越发明显。最有代表性的典型的氟塑料,包括 PTFE、PFA、FEP,除机械强度不足、比重大之外,最薄弱一点是耐辐照性能差,所有塑料在高能辐照下都会产生断链。至于在何种剂量下断链、断链程度怎样等等,各种塑料的表现各不相同,PTFE 在辐照条件下,剂量在达几个 Mrad 便迅 速分解了。氟塑料品种中,ETFE、PVDF机械强度大、比重小、耐辐照,但使用温度低。曾经在航空导线中广泛应用的 PI,由于不耐 Arc tracking、不耐原子氧、不耐潮、不耐水解、低温弯曲性能差而不能用于航天。在研究开发氟塑料新品种的同时,对各种已有氟塑料进行物性、化性的改性,或改进线缆绝缘结构,例如采用 PTFE 与 PI 薄膜的复合绝缘结构,让它们性能互补是近年来航空航天线缆发展的总趋势。在航空航天线缆中,以 Raychem spec55 为代表的辐照交联 ETFE 绝缘线及带有交联 ETFE 外层绝缘的氟塑料聚酰亚胺复合安装线是两个典型的例子。

3.1 新型辐照交联 ETFE 绝缘安装线

ETFE 是乙烯、四氟乙烯的共聚物,真正获得广泛应用的是含少量第三单体的乙烯—四氟乙烯共聚物。ETFE 具有比重小、强度大、耐辐照的特点,但使用温度为 150℃,早期改性后可达 180℃,而 Raychem 公司开发的交联 ETFE 使用温度可达 200℃,满足了宇航卫星用线的要求。Spec55 线通过 MIL-W-22759 规定的各项性能指标要求及 Raychem 公司规定的其它要求,已被 NASA 用在很多卫星上,将由 66 颗低轨道卫星组成的能直接提供到个人的全球通讯  系统(铱星计划)也采用这类线。Spec55线比原来辐照交联 ETFE 绝缘线有明显降低。

3.1.1 绝缘材料

可交联 ETFE 是用乙烯—四氟乙烯含第三单体一起的共聚物,加入适量的合适的交联剂以及适量的颜料、润滑剂、抗氧剂、阻燃剂、纤维或矿物纤维、染料、增塑剂等混成一体,为了方便电线表面做标识,可加入少量的光敏化剂。Tefzel HT200,Tefzel HT2171,Neoflon EP541 是典型的牌号。

3.1.2 挤出

交联 ETFE 绝缘电线可以是单层绝缘的,但更多的是双层绝缘的。双层绝缘可以用双层挤出机一次挤成,也可分两层挤得。也有内层用 PVDF 的双层绝缘。挤出温度分布大体为 200℃、240℃、275℃、290℃,在合理配模下,可挤得绝缘厚度为0.13mm 的绝缘层。

3.1.3 交联

可采用#≈  射线在适当剂量率下进行辐照交联,或可以采用所谓“表皮辐照”技术(skin irradiation),控制加速粒子的电压及剂量,以获得满意的结果。

3.2 新型复合安装线

为了让电线有更高的可靠性,为了合理发挥不同绝缘材料的优点,实现绝缘材料性能上互补,采用了双层或多层绝缘的所谓“复合安装线”。“复合安装线”本身已不是一个新命题,例如早就出现的聚氯乙烯`~尼龙绝缘线,聚氯乙烯~聚偏氟乙烯绝缘线,PTFE 和 PI 的复合安装线等等,这类安装线,尤其像复合安装线在航空航天安装线也曾有过广泛的应用。但绝缘层与层之间是可以分开的(可剥离的)。所谓新型复合安装线是电线电缆中不同绝缘层是不可分的(不可剥离的,或剥离力特别大的)。

在 PI 绝缘外绕包有 PTFE 绝缘的安装线结构广泛使用过,但它的缺点也是很明显的。首先,只具有低的,最多算是中等的防潮性不能用激光标设,更严重的还在于不耐磨,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,降低了其绝缘性。此外,PTFE 不耐氟照,用于航天显然不适合。新的安装线采用涂复热熔封物质,外层采用交联 ETFE,这样就克服了以上缺点。

新型复合安装线主要有两种结构形式:第一种,内层为涂有热熔封物质的 PI,外层是交联 ETFE;第二种 内层是含氟塑料,中间层是涂有热熔封物质的 PI,外层是交联 ETFE。

单面或双面涂了热熔封物质(PTFE,PFA,FEP 或 PI 粘结剂)的 PI 薄膜搭盖绕包以后在 240℃~350℃进行热熔封,再挤上 ETFE 并使它交联,便完成了新型安装线。

这种安装线能在 230℃下使用,比 Spec55 提高了 30℃,且耐潮、耐水解、耐磨、耐辐照,也具有阻燃性,且克服了单纯 PI 绝缘不耐串弧、不耐氧原子的性能,绝缘层之间粘结力强、不能剥离。内层绝缘材料为 Kapton XP 或 OAsis TWT561,外层用 Tefzel 2171 生产的电线,按 ASTM 进行剥离试验(T-Peel test)测得的粘结力(剥离力)达到了 100~250g/in-width,高的可达 1000 g/in-width,甚至 1500 g/in-width。正因为这一切性能使该产品适用于航空航天。

所采用的主要试验方法

4 结束语

采用了交联 ETFE 及其复合绝缘,生产了满足当代航空航天技术需要的新型安装线,其重量进一步降低,如果采用高强度导体,绝缘及电线重量还有可能进一步降低。因此国内科研、生产厂家从原材料到产品都是迎头赶上,争取早日用国产线缆代替进口线。

氟塑料发泡或微孔技术以及以上新型安装线是现阶段塑料绝缘技术发展的主要表现形式,对氟塑料在线缆中的应用起到了积极推动作用,也一定会推动氟塑料生产技术规模的新发展。

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