關(guān)于航空絕緣電線耐動態(tài)切通試驗(yàn)影響因素的討論論文
近年來，我國航空工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，航空用電線電纜的研發(fā)和生產(chǎn)也得到長足的進(jìn)步。目前航空工業(yè)中的兩大高端線種為輻照交聯(lián)乙烯-四氟乙烯聚合物絕緣電線和聚四氟乙烯/聚酰亞胺復(fù)合薄膜絕緣電線，特別是后者，除了具有優(yōu)異的電氣、機(jī)械、耐化學(xué)性能外，更以外徑小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)而受到市場的青睞。
SAE AS22759 系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是目前國際上通用的航空用電線產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，在其規(guī)定的聚四氟乙烯/聚酰亞胺復(fù)合薄膜絕緣電線的鑒定試驗(yàn)中包含一些特殊試驗(yàn)項(xiàng)目，其中一項(xiàng)為耐動態(tài)切通試驗(yàn)。該試驗(yàn)?zāi)苣M室溫及工作溫度下電線在機(jī)械擠壓下的受損情況，以此評估電線的安全性能。
本文將描述航空絕緣電線動態(tài)切通試驗(yàn)，并就絕緣電線的導(dǎo)體、絕緣以及試驗(yàn)溫度等因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響進(jìn)行分析。
1 試驗(yàn)介紹
1. 1 試驗(yàn)方法
動態(tài)切通試驗(yàn)應(yīng)按照ASTM D 3032 中第22 章的規(guī)定進(jìn)行，但是切刀端部鋼針的直徑改為( 0. 254 ± 0. 050 ) mm。
( 1) 試驗(yàn)設(shè)備。拉力試驗(yàn)機(jī)，上夾具固定標(biāo)準(zhǔn)切刀，下夾具安裝一個(gè)樣品支架，該支架包含一個(gè)水平的金屬臺面用以支撐試樣。拉力機(jī)配備一個(gè)高溫箱，高溫箱的尺寸能夠滿足試驗(yàn)過程中拉力機(jī)的夾具在箱內(nèi)正常移動，并將箱內(nèi)溫度控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。此外，拉力機(jī)還應(yīng)配備一個(gè)12 V( 直流或交流) 的檢驗(yàn)電路，該檢驗(yàn)電路兩端分別連接試樣的導(dǎo)體和標(biāo)準(zhǔn)切刀。試驗(yàn)過程中，當(dāng)切刀將電線的絕緣切破并與電線的導(dǎo)體導(dǎo)通時(shí)，檢驗(yàn)電路反饋至拉力機(jī)，使其自動停止試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)過程中的最大應(yīng)力。
( 2) 試驗(yàn)步驟。將一端除去足夠長度的絕緣電線放在樣品支架上，切刀垂直于電線。導(dǎo)體和切刀與檢測電路連接。啟動拉力機(jī)，以5 mm/min 的速度向下移動切刀對試樣進(jìn)行擠壓。當(dāng)切刀切破絕緣并與導(dǎo)體導(dǎo)通時(shí)，停止試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)過程中的最大應(yīng)力。每測完一個(gè)點(diǎn)，將試樣向同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)90°并向前移動25 mm，測試下一個(gè)點(diǎn)。每個(gè)試樣需要測試8 個(gè)點(diǎn)，8 次試驗(yàn)的算術(shù)平均值為電線的耐動態(tài)切通試驗(yàn)結(jié)果。如果需要進(jìn)行高溫下試驗(yàn)，應(yīng)在試驗(yàn)前將高溫箱升至規(guī)定的溫度并將試樣和試驗(yàn)裝置預(yù)熱一段時(shí)間以達(dá)到熱平衡。
1. 2 技術(shù)要求
SAE AS22759 系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三個(gè)典型線規(guī)( 26 AWG、20 AWG 和16 AWG) 絕緣電線需要測試動態(tài)切通試驗(yàn)。根據(jù)導(dǎo)體種類的不同，最高試驗(yàn)溫度可為( 260 ± 5) ℃( 最高試驗(yàn)溫度為電線的額定工作溫度) ，8個(gè)溫度點(diǎn)下測量結(jié)果的算數(shù)平均值應(yīng)不低于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
2 機(jī)理分析
試驗(yàn)初期，受到切刀的擠壓之后，絞合導(dǎo)體的單線之間產(chǎn)生位移變化甚至變形，為絕緣層提供緩沖，即擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力被導(dǎo)體形變吸收。此過程中，雖然電線承受的應(yīng)力逐漸增加，但是絕緣層并未受到明顯的破壞。隨著切刀的持續(xù)擠壓，絞合導(dǎo)體的單線變形達(dá)到終點(diǎn)，無法再為絕緣提供緩沖，此時(shí)絕緣完全承受切刀施加的應(yīng)力，迅速破裂從而失效。可以認(rèn)為，電線的耐動態(tài)切通能力由兩個(gè)分量組成，一個(gè)分量為絞合導(dǎo)體形變提供的緩沖應(yīng)力; 另一個(gè)分量則是絕緣層自身承受的擠壓應(yīng)力。
對M22759 /87-20-9 電線( 20 AWG 線規(guī)，普通重量的鍍鎳銅導(dǎo)體) 進(jìn)行動態(tài)切通試驗(yàn)，原始試樣的絕緣厚度約為0. 2 mm，外徑為1. 3 ～ 1. 4 mm。試驗(yàn)后，受擠壓處電線被壓扁至0. 4 ～ 0. 5 mm�？梢娫谠囼�(yàn)過程中，導(dǎo)體的變形是非常明顯的，能夠提供較大的緩沖應(yīng)力。
試驗(yàn)初期，應(yīng)力緩慢增長，絞合導(dǎo)體的單絲由于壓力產(chǎn)生相互之間的位移變化。隨著切刀的向下擠壓程度的加深，曲線上出現(xiàn)一個(gè)波動，此時(shí)導(dǎo)體的絞合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生崩塌，單絲之間的變形基本結(jié)束，切刀擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力急劇增加。導(dǎo)體形變結(jié)束之后，絕緣直接承受切刀的擠壓，短時(shí)間內(nèi)即被切破，從而試驗(yàn)終止。
3 影響因素
導(dǎo)體、絕緣( 包括絕緣的結(jié)構(gòu)以及絕緣薄膜的厚度) 以及試驗(yàn)溫度等因素均會對電線的耐動態(tài)切通能力產(chǎn)生影響。
3. 1 導(dǎo)體
導(dǎo)體形變提供的緩沖應(yīng)力是電線的耐動態(tài)切通能力的重要組成部分。導(dǎo)體形變的影響因素包括導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、鍍層厚度以及導(dǎo)體的材質(zhì)。由于相同規(guī)格聚四氟乙烯/聚酰亞胺復(fù)合薄膜絕緣電線所用的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)基本一致，且過薄的鍍層厚度對導(dǎo)體的機(jī)械性能影響較小，故導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和鍍層厚度的影響基本可以忽略，對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響的因素主要為導(dǎo)體材質(zhì)。
航空絕緣電線的導(dǎo)體可以是有鍍層的銅導(dǎo)體和有鍍層的銅合金導(dǎo)體。銅導(dǎo)體材質(zhì)較軟，在擠壓情況下形變的程度更高，所能提供的緩沖分量也就越大，故銅導(dǎo)體電線耐動態(tài)切通的能力明顯高于銅合金導(dǎo)體電線。對同一廠家生產(chǎn)的M22759 /86-20-9 電線( 20 AWG 線規(guī)，普通重量的鍍銀銅導(dǎo)體) 和M22759 /89-20-9 電線( 20 AWG 線規(guī)，普通重量的鍍銀銅合金導(dǎo)體) 進(jìn)行動態(tài)切通試驗(yàn)，測試結(jié)果可知，相同的溫度點(diǎn)下，鍍銀銅導(dǎo)體電線耐動態(tài)切通的能力明顯高于鍍銀銅合金導(dǎo)體電線。隨著溫度的升高，二者之間的差異有被進(jìn)一步拉大的趨勢。
3. 2 絕緣
( 1) 結(jié)構(gòu)
產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定三個(gè)規(guī)格電線的絕緣繞包搭蓋率在50. 5% ～ 54. 0% 之間，即電線的絕緣層大部分區(qū)域?yàn)? 層聚酰亞胺薄膜和2 層聚四氟乙烯薄膜組成，但是部分區(qū)域會存在3 層搭蓋的現(xiàn)象。如果切刀與電線的接觸點(diǎn)恰好為3 層搭蓋區(qū)域，則該點(diǎn)測得的動態(tài)切通試驗(yàn)結(jié)果將明顯高于2 層搭蓋區(qū)域。雖然標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測完一個(gè)點(diǎn)之后，將試樣向同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)90°，并向前移動至少25 mm，但是該操作無法保證每個(gè)測試點(diǎn)絕緣薄膜厚度的均一性，進(jìn)而導(dǎo)致不同點(diǎn)所測的動態(tài)切通試驗(yàn)結(jié)果具有較大的分散性。表2 列出了典型的M22759 /87-20-9 電線( 20AWG 線規(guī)，普通重量的鍍鎳銅導(dǎo)體) 的測試結(jié)果。從表2 可以看出，單個(gè)點(diǎn)的測試結(jié)果分散性較大，甚至可能出現(xiàn)兩倍以上的差別。因此，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每個(gè)電線均需測試8 個(gè)點(diǎn)，并取算數(shù)平均值，以此來降低數(shù)據(jù)偏差過大可能導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差。
( 2) 薄膜厚度
聚酰亞胺復(fù)合薄膜/聚四氟乙烯組合絕緣電線有輕型重量和普通重量兩種類型，輕型重量電線所用的聚酰亞胺復(fù)合薄膜標(biāo)稱厚度為30 μm，而普通重量電線所用的聚酰亞胺復(fù)合薄膜標(biāo)稱厚度為50μm。聚酰亞胺復(fù)合薄膜越厚，能承受的機(jī)械應(yīng)力越大，為耐動態(tài)切通試驗(yàn)提供的分量也更大。表3 列出了同一廠家生產(chǎn)的M22759 /86-20-9 電線和M22759 /91-20-9 電線( 20 AWG 線規(guī)，輕型重量的鍍銀銅導(dǎo)體) 的試驗(yàn)結(jié)果�？梢钥闯�，較厚的聚酰亞胺復(fù)合薄膜可以提高電線的耐動態(tài)切通能力。
3. 3 溫度
航空絕緣電線需要測試高溫下的耐動態(tài)切通試驗(yàn)。一般認(rèn)為，隨著溫度升高，絕緣材料的強(qiáng)度下降，故隨著溫度的增加，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)逐級降低。但對不同的電線，試驗(yàn)過程中可能存在不同的結(jié)果: ( 1) 絕緣材料抗切刀切割的能力變?nèi)�，電線的耐動態(tài)切通能力隨之下降; ( 2) 絕緣材料強(qiáng)度下降，對導(dǎo)體的束縛能力也有所降低。隨切刀擠壓，導(dǎo)體位移變化更加容易，導(dǎo)體形變終止之前可以提供更多的緩沖應(yīng)力。在此情況下，隨著溫度升高，電線的耐動態(tài)切通能力反而會提高。
溫度對電線耐動態(tài)切通能力的影響可以通過試驗(yàn)結(jié)果得到驗(yàn)證。銅合金導(dǎo)體電線，因?yàn)閷?dǎo)體的剛性過強(qiáng)，形變能力較小，故電線的耐動態(tài)切通能力主要由絕緣的機(jī)械強(qiáng)度提供。在高溫的動態(tài)切通過程中，雖然絕緣的束縛力降低，但是導(dǎo)體形變所提供的緩沖分量并無明顯提高，而絕緣材料的機(jī)械強(qiáng)度則明顯下降，導(dǎo)致電線的耐動態(tài)切通能力隨溫度升高而顯著降低。銅合金導(dǎo)體電線，因?yàn)閷?dǎo)體形變能力較大，隨著絕緣的束縛力下降，導(dǎo)體形變更加容易，提供的緩沖分量更高，所以高溫下測得的動態(tài)切通試驗(yàn)結(jié)果反而明顯高于常溫。
4 結(jié)束語
產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)和試驗(yàn)方法是電線電纜企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品以及進(jìn)行生產(chǎn)的重要依據(jù)。耐動態(tài)切通是考核聚四氟乙烯/聚酰亞胺復(fù)合薄膜組合絕緣電線性能非常重要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。
除了本文所討論的導(dǎo)體材料、絕緣材料和結(jié)構(gòu)、溫度外，還有其他因素會影響到電線的耐動態(tài)切通能力。例如: 適當(dāng)減少繞包過程中的絕緣薄膜張力可以降低其對導(dǎo)體的束縛能力，可以使得導(dǎo)體在試驗(yàn)過程中的變形更加容易，進(jìn)而有效提高電線的耐動態(tài)切通能力; 但是過低的薄膜張力可能會損傷電線的其他性能，如絕緣剝離力、強(qiáng)迫水解、耐電弧等。因此，企業(yè)應(yīng)通過大量的驗(yàn)證工作以確定合適的生產(chǎn)工藝，在不損傷其他性能的基礎(chǔ)上，有效提高電線的耐動態(tài)切通能力。
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