交聯(lián)X-ETFE高性能傳輸電線電纜的研制

王 浩，李炳全

(安徽國(guó)電電纜集團(tuán)有限公司，安徽 蕪湖 238371)

1 引言

隨著我國(guó)航空、航天、電子行業(yè)的發(fā)展，對(duì)承擔(dān)信息和能量傳輸用的電線電纜產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。為推動(dòng)航空航天電線電纜國(guó)產(chǎn)化，替代進(jìn)口，打破國(guó)外瑞侃55號(hào)導(dǎo)線對(duì)我國(guó)市場(chǎng)的壟斷及技術(shù)封鎖，某公司開(kāi)展了交聯(lián)X-ETFE高性能傳輸電線電纜的自主研制，用于機(jī)載系統(tǒng)電源和信息的傳遞。本產(chǎn)品具有優(yōu)越的機(jī)械性能、電絕緣性能、抗輻射性能、抗冷熱沖擊性能和外徑小、重量輕、使用溫度范圍寬等特點(diǎn)，適用于航空航天等領(lǐng)域、飛行器等飛行環(huán)境，特別適用于環(huán)境條件苛刻的海洋環(huán)境。與成熟產(chǎn)品相比，具備優(yōu)異的電氣性能和物理機(jī)械性能同時(shí)，更有防霉菌、防鹽霧、耐濕熱、耐海洋環(huán)境等特點(diǎn)，并且外徑更小，重量更輕。

2 主要性能指標(biāo)

依據(jù)GJB773A-2000《航空航天用含氟聚合物絕緣電線電纜通用規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所研制的交聯(lián)X-ETFE高性能傳輸電線電纜主要性能要求如表1所示。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇

為了使產(chǎn)品達(dá)到重量輕，外徑小，機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫，對(duì)海洋環(huán)境具有很好適應(yīng)性的特點(diǎn)。電纜在設(shè)計(jì)上采用了緊壓式導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，絕緣選用密度小、強(qiáng)度高、耐電子輻射的交聯(lián)乙烯—四氟乙烯共聚物，采用薄壁擠出結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以綜合發(fā)揮材料的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)材料優(yōu)勢(shì)性能上的最大展現(xiàn)，不僅使導(dǎo)線的外徑更小，重量更輕，而且還提高了導(dǎo)線的電性能、機(jī)械性能、耐溫水平、耐酸堿、耐老化、耐彎曲等能力。提高產(chǎn)品的性能和可靠性，能夠做到在惡劣條件下，產(chǎn)品具備優(yōu)異的電性能和機(jī)械物理性能。

導(dǎo)體的選擇：導(dǎo)體作為傳輸電流的最重要部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須兼顧電性能和物理機(jī)械性能要求，核心指標(biāo)為導(dǎo)體直流電阻、斷裂伸長(zhǎng)率、最大拉斷力及可焊性等。鍍層的作用是為防止銅導(dǎo)體被氧化。鍍銀銅導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)是改善銅線的高溫抗氧化性和增加可焊接性能。相對(duì)于銅導(dǎo)體，銀的導(dǎo)電率高、電阻小、傳輸更快。使線纜額定工作溫度能夠滿足200℃環(huán)境使用要求，鍍銀銅合金導(dǎo)體的選擇增強(qiáng)了電纜的整體抗拉性能。

表1 交聯(lián)F40高性能傳輸電線電纜主要性能要求Tab.1 Main performance requirements of cross-linked F40 high performance transmission wire and cable

絕緣和護(hù)套材料的選擇：絕緣及護(hù)套材料采用輻照交聯(lián)X-ETFE。輻照交聯(lián)X-ETFE是氟塑料的一種，和其他氟塑料一樣，在電氣性能和機(jī)械物理性能方面比其他任何高分子聚合物塑料材料都要優(yōu)越得多。在氟塑料材料中，X-ETFE材料可以做到超薄壁擠出，綜合性能最為優(yōu)越。

屏蔽材料的選擇：對(duì)外界電磁輻射或?qū)ν饨鐧C(jī)械破壞力有防護(hù)要求的使用場(chǎng)所，采用鍍銀銅編織屏蔽層。

交聯(lián)X-ETFE高性能傳輸電線電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交聯(lián)X-ETFE高性能傳輸電線電纜的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of cross linked X-ETFE high performance transmission wire and cable

4 關(guān)鍵生產(chǎn)工藝

從產(chǎn)品的性能要求角度分析，該系列產(chǎn)品在使用環(huán)境、電性能、機(jī)械物理性能、外徑、重量等方面有很高的要求。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造角度分析，交聯(lián)乙烯—四氟乙烯共聚物薄壁絕緣擠出及輻照交聯(lián)是本產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，也是本產(chǎn)品的技術(shù)難點(diǎn)。

輻照交聯(lián)F40絕緣電線電纜的絕緣和護(hù)套均采用交聯(lián)乙烯-四氟乙烯共聚物材料，該材料是在純乙烯-四氟乙烯(ETFE)中，按特殊配方添加交聯(lián)劑、穩(wěn)定劑、均化劑等，經(jīng)高溫?cái)D出切粒而成。該材料對(duì)擠出條件有嚴(yán)格的要求，特別是擠出機(jī)的螺桿螺筒材質(zhì)、螺桿形狀、機(jī)頭熔體流道、擠出機(jī)加熱區(qū)域劃分、每區(qū)溫度和螺桿轉(zhuǎn)速等參數(shù)，將直接影響擠出后材料的表觀和抗張強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率、交聯(lián)度驗(yàn)證、耐溫性能等。

4.1 擠出溫度及擠出速度的確定

交聯(lián)乙烯-四氟乙烯共聚物材料自身就是一種加工要求很苛刻的材料，它的擠出時(shí)間和擠出溫度有嚴(yán)格要求，如果材料在擠出機(jī)里停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，擠出產(chǎn)品表面就會(huì)粗糙有波紋，甚至出現(xiàn)黑色雜質(zhì)；時(shí)間過(guò)短，擠出產(chǎn)品顏色會(huì)不均勻，表面不光滑，有細(xì)微顆粒甚至出現(xiàn)裂紋，造成絕緣火花及耐壓擊穿。

4.2 模具選配

模芯與模套的尺寸配比直接影響絕緣的機(jī)械性能，模具配比過(guò)大會(huì)造成外徑竹節(jié)狀，模具配比過(guò)小，導(dǎo)體容易松動(dòng)，影響電氣性能。模具配比主要包括拉伸平衡系數(shù)和拉伸比兩個(gè)參數(shù)，將拉伸比控制在20%～30%，平衡系數(shù)控制在1.05～1.10，擠出外徑穩(wěn)定，表面光滑，交聯(lián)度合格率比較高。

在交聯(lián)乙烯-四氟乙烯共聚物絕緣制造中，交聯(lián)乙烯—四氟乙烯共聚物電纜料是最核心的，ETFE分子鏈中含有乙烯結(jié)構(gòu)，在電子束的輻照下，具備交聯(lián)的趨勢(shì)。但其交聯(lián)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，達(dá)不到交聯(lián)改性的目的。所以必須在ETFE樹(shù)脂中通過(guò)一定的方法加入促使交聯(lián)的敏化劑，在一定輻照劑量下取得較為滿意的交聯(lián)效果。輻照劑量過(guò)高會(huì)造成絕緣材料老化過(guò)度，其機(jī)械物理性能下降，劑量過(guò)低則會(huì)造成交聯(lián)程度不足，影響絕緣材料的耐溫性、抗開(kāi)裂性。

輻照是利用高能電子束流對(duì)導(dǎo)線絕緣層及護(hù)套進(jìn)行照射，打開(kāi)材料分子鏈節(jié)，實(shí)現(xiàn)接枝，改變成空間三維立體結(jié)構(gòu)，如圖2所示，從而極大提高了材料的機(jī)械物理性能，其耐溫耐磨、抗開(kāi)裂、耐老化、使用壽命等性能有了極大的提高。

結(jié)構(gòu)形態(tài)變換：

圖2 輻照交聯(lián)后分子結(jié)構(gòu)變化Fig.2 Changes of molecular structure after irradiation crosslinking

5 性能測(cè)試

檢驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果見(jiàn)表2，各項(xiàng)性能均優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。

表2 交聯(lián)X-ETFE高性能傳輸電線的測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of cross linked X-ETFE high performance transmission line