淺談聚酞亞胺復合絕緣導線的研制論文

　　0引言

　　聚酞亞胺復合絕緣導線是航空航天領域的重要電子元器件之一，主要用于航空航天及其電子設備等特殊環(huán)境及安全可靠性要求高的場合，其具有耐高低溫沖擊、耐高能電子輻射、耐各種油品及溶劑、耐氧化、耐彎曲、抗開裂等特點，且外徑小，重量輕，機械強度高。隨著我國新一代商用飛機及軍用飛機的研制開發(fā)和生產(chǎn)，對聚酞亞胺復合絕緣導線的需求量猛增。由于受到生產(chǎn)技術制約、原材料性能不穩(wěn)定的影響，國內(nèi)電纜生產(chǎn)廠家很難保證該類導線性能指標的一致性，因此導致該類導線長期依賴進口，價格高昂，交貨周期長。為改變目前的情況，本公司開展了聚酞亞胺復合絕緣導線的自主研制。

　　1主要性能指標

　　依據(jù)SAE AS22759/87B標準規(guī)定，本公司所研制的聚酞亞胺復合絕緣導線主要性能要求合格。

　　2結構設計和材料選擇

　　為了滿足260℃環(huán)境使用要求，聚酞亞胺復合絕緣導線的導體常采用多股鍍鎳軟銅線同心絞合。聚酞亞胺復合絕緣導線采用的復合絕緣結構可綜合發(fā)揮不同絕緣材料的性能優(yōu)點，實現(xiàn)材料性能的互補，滿足絕緣導線重量輕、外徑小、電性能好、機械強度高、耐高溫、耐酸堿、耐老化、耐彎曲、耐環(huán)境性等性能要求。

　　該復合絕緣結構的內(nèi)絕緣層常采用聚酞亞胺薄膜。聚酞亞胺薄膜具有優(yōu)越的電性能及較高的機械強度，密度較小，耐高低溫，耐高能電子輻射等特點，廣泛使用于航空航天領域。但由純聚酞亞胺薄膜繞包的導線存在不阻燃，不耐水解，絕緣層很難與內(nèi)導體剝離等缺點，尤其是其所組成的線路系統(tǒng)容易發(fā)生串弧現(xiàn)象。因此，為了避免上述問題，通過多方調研反復試驗，改用了雙而涂覆改良型聚四氟乙烯的聚酞亞胺復合薄膜，這種導線用聚酞亞胺復合薄膜輕型標稱厚度僅為0. 0 3mm，普通型厚度為0. 05 mm;在繞包燒結時，外表面涂層(聚四氟乙烯)與外絕緣間能夠相互粘連，提高聚酞亞胺薄膜的熔封效果;內(nèi)表面極薄的0.%2 5mm聚四氟乙烯涂層提高了與內(nèi)導體之間的可剝性;內(nèi)外表面涂層還提高了聚酞亞胺材料的耐水性能及阻燃性，并有效彌補了不耐串弧性這一弱點，同時又不影響其電性能。

　　該復合絕緣結構的外絕緣層采用聚四氟乙烯生料帶繞包。聚四氟乙烯具有耐高低溫、耐老化、耐各種溶劑、阻燃等特點，并且有優(yōu)異的密封性，經(jīng)燒結處理后，能與內(nèi)層聚酞亞胺復合薄膜的表面涂層(聚四氟乙烯)粘結，提高了產(chǎn)品絕緣層的緊密性，進一步提高了絕緣的可靠性。

　　3關鍵生產(chǎn)工藝

　　聚酞亞胺復合絕緣導線的生產(chǎn)工藝流程較為簡單，具體包括導體絞合——繞包內(nèi)絕緣——繞包外絕緣——燒結——復繞——成品檢驗。其中繞包、燒結工藝對絕緣導線的電性能、機械物理性能、外徑、重量以及耐環(huán)境性等性能有較大的影響，是生產(chǎn)聚酞亞胺復合絕緣導線的關鍵工藝。

　　3. 1導體絞合

　　通常導體絞合結構分為正規(guī)絞合與同向束合兩種。根據(jù)該導線產(chǎn)品的特點以及相關方案論證，采用了同向束合結構。在導體絞合過程中，采用緊壓模具將絞線進行緊壓，在相同電性能下，導體外徑僅為正規(guī)絞合導體外徑的9600，使導體截而積占導線截而積的90%以上，從而減小了導線外徑。同時，為克服同向束合緊壓絞合導體結構沒有正規(guī)絞合導體外觀圓整，以及由此引起的與薄膜繞包絕緣剝離力較大等問題，我們在同向緊壓結構基礎上，借鑒了正規(guī)絞合的工藝形式，形成了一種同心同向緊壓絞合工藝。該工藝通過調整導體在絞合過程中的內(nèi)外層節(jié)徑比，以及各層緊壓模具的配合，最終確保了絞合后的緊壓導體外觀較圓整，結構穩(wěn)定。在之后的聚酞亞胺復合絕緣導線電性能測試時，導體直流電阻完全符合設計要求。

　　3. 2繞包

　　繞包搭蓋率的控制將直接影響聚酞亞胺復合絕緣導線的質量。如果繞包搭蓋率過小，將導致導線電性能(耐電壓、絕緣電阻)不合格;繞包搭蓋率過大，將會使導線重量超標。根據(jù)設計要求，內(nèi)、外絕緣的薄膜繞包搭蓋率宜為(50. 5-54.0)%這對繞包工藝提出了很高的要求。以24AWU導線為例，導體標稱外徑為0. 60 mm，如果采用寬5 mm聚酞亞胺復合薄膜繞包，則薄膜繞包節(jié)距僅允許有0. 08 mm的偏差。對影響繞包搭蓋率的相關生產(chǎn)設備因素進行了分析，可見切膜機及繞包機的加工精度對繞包搭蓋率的控制非常關鍵，其主要工藝參數(shù)包括薄膜寬度、薄膜厚度、牽引速度、繞包速度、繞包張力等。

　　在上述工藝參數(shù)中繞包張力最容易被忽視，但其非常關鍵。早期，在完成設備調試并確定其它工藝參數(shù)之后，進行的多次樣品試制總是無法將薄膜繞包搭蓋率控制在設定范圍內(nèi)，且剝離力也不均勻。為此，我們對樣品搭蓋率規(guī)律性改變的現(xiàn)象進行再次分析，終于發(fā)現(xiàn)問題在于繞包張力的設置，不同規(guī)格產(chǎn)品，繞包的薄膜寬度不同，繞包張力也應隨之調整。如果設定的繞包張力過大，則繞包時薄膜易被拉伸變形造成導線外徑不均，絕緣出現(xiàn)色差，絕緣層難以與導體剝離，嚴重時會造成薄膜斷裂(尤其繞包外絕緣聚四氟乙烯生料帶時)，這不僅影響了導線外觀，而且還會使導線絕緣性能劣化;如果設定的繞包張力太小，則繞包時過松的薄膜容易造成導線外徑不均，絕緣起皺，繞包節(jié)距不均，松套等現(xiàn)象，同樣影響導線的外觀和電性能。為了解決這一難點，我們根據(jù)繞包盤內(nèi)外圈直徑、薄膜帶寬、薄膜帶厚以及繞包轉速，計算繞包帶力矩，獲得繞包頭力矩，以此更新設備軟件功能的設定進行補償，從而使繞包張力恒定，并控制在合理水平上。

　　3. 3燒結

　　燒結工序是對繞包的內(nèi)、外絕緣層進行熔封，最終使內(nèi)、外絕緣層熔合成一體，以提高導線外層強度。燒結質量不僅影響到導線的外觀和機械物理性能，而且與導線的電性能、耐環(huán)境性也密切相關。在燒結工序中燒結溫度的設定非常關鍵。燒結溫度太高，會使內(nèi)、外絕緣層燒結過度，出現(xiàn)變脆，起皮等現(xiàn)象;燒結溫度過低，會出現(xiàn)內(nèi)、外絕緣層燒結不牢，容易剝離，同時致使外絕緣層(聚四氟乙烯層)的機械強度未能獲得提高。

　　聚酞亞胺復合絕緣導線絕緣層是由雙而涂覆改良型聚四氟乙烯的聚酞亞胺復合薄膜與聚四氟乙烯生料帶兩種不同的材料共同繞包而成，燒結時內(nèi)層聚酞亞胺復合薄膜通過涂覆于兩而的聚四氟乙烯薄層進行自熔封并與外層聚四氟乙烯生料帶熔封成型。但內(nèi)層聚酞亞胺復合薄膜和外層聚四氟乙烯生料帶的燒結熔封溫度及時間各不相同，在燒結爐中內(nèi)層聚酞亞胺復合薄膜在450℃保持12、即可熔封成型，而外層的聚四氟乙烯生料帶燒結則較難，在相同的溫度下則需要保持3 min才可熔封成型。為使外層聚四氟乙烯生料帶燒結成型，導線需要在高溫燒結爐中保持較長的時間，但這會使內(nèi)層聚酞亞胺復合薄膜因燒結時間過長而變硬、變脆，緊緊包裹在導體上，使絕緣與導體間難以剝離;如果減少高溫保持時間，內(nèi)層聚酞亞胺復合薄膜可燒結成型，但外層聚四氟乙烯生料帶則會因未完全燒結成型而缺乏強度，未完全燒結成型的熔融聚四氟乙烯生料帶的瓢度較高，使得絕緣在剝離時同樣較難，且同時降低了導線的機械強度。為了解決上述問題，我們采取了增加燒結溫度，同時減少燒結時間的方法，以達到內(nèi)、外層絕緣材料同時燒結成型。

　　我們針對不同規(guī)格的聚酞亞胺復合絕緣導線進行了大量的燒結工藝試驗，以期獲得相應的燒結溫度、牽引速度。繞包線規(guī)格為24AWU導線，速度為4 m/min的聚酞亞胺復合絕緣導線燒結溫度梯度曲線，可見該曲線主要分為以下幾個階段:a.燒結預熱段。聚四氟乙烯的熔點是430℃，在此溫度以上其結晶結構消失，轉變?yōu)橥该鞯臒o定型凝膠狀態(tài)，并伴隨比體積增大25%。在預熱段過程中，由于聚四氟乙烯的熱導率較低，在熔點以上溫度，體積變化較大，而內(nèi)導體吸熱又快，使得絕緣層升溫速度緩慢，因此我們將預熱段溫度設定成從480℃開始，逐漸加溫至560℃，以確保導線絕緣層表面溫度在預熱段內(nèi)達到430℃左右。b.燒結熔封段。由于聚四氟乙烯材料的燒結熔封溫度上限為460℃，因此我們將燒結熔封段的最高溫度設定為580℃，使絕緣層表面溫度從430℃迅速升高至460℃，實現(xiàn)充分燒結封熔。c.燒結后結晶段。絕緣層材料分子的結晶度對導線的物理和力學性能有著一定的影響，結晶度越大，其物理力學性能越高，反之亦然。通常絕緣層材料分子的結晶程度與燒結后的冷卻速度有關，極其緩慢的冷卻速度有助于分子材料的重結晶，使得結晶度較高，相反如果迅速冷卻，則能阻比無定型凝膠的重結晶，使得結晶度較低。但聚四氟乙烯材料即使處于最快的冷卻速率下，結晶度也會在50%左右，可見其對冷卻速度不太敏感，燒結后聚四氟乙烯結晶度一般都在50%-70%之間。由于聚四氟乙烯在430-460℃溫度范圍內(nèi)有最大的結晶速度，因此我們將結晶段溫度設定為550℃，確保絕緣層表面溫度為430-460℃。聚酞亞胺復合絕緣導線按上述燒結溫度曲線燒結熔封后，所測得的絕緣可剝性和絕緣耐磨性有了很大的提高。

　　4性能測試

　　通過對聚酞亞胺復合絕緣導線的結構設計和材料選擇，以及對導體絞合、繞包、燒結工藝的摸索，掌握了產(chǎn)品的關鍵性工藝技術，成功研制了聚酞亞胺復合絕緣導線。我們對試制的HYY87樣品進行了相關性能測試，可見各項性能均達到了的設計要求，且達到國外同類產(chǎn)品水平。

　　雖然我國航空高端線纜生產(chǎn)企業(yè)對聚酞亞胺復合絕緣導線的研制還處于初始階段，市場占有率處于空白狀態(tài)，但為滿足我國自主研制大型運輸機及客機的大量需求，必須加快步伐，早日實現(xiàn)自主研發(fā)，自主生產(chǎn)，自主創(chuàng)新。在聚酞亞胺復合絕緣導線的研制過程中，我們通過新材料的應用，確保了產(chǎn)品電氣性能和機械物理性能的良好，提高了產(chǎn)品的可靠性，使其可在惡劣環(huán)境條件下使用，滿足現(xiàn)代航空航天裝備發(fā)展的需求。一個螺旋管形狀，螺旋管的直徑小于內(nèi)部的同軸電纜外徑，使鋼絲纏繞的螺旋管產(chǎn)生一個徑向箍緊力，帖服緊包在內(nèi)部的同軸電纜上，最終實現(xiàn)了上述銷裝鋼絲端部不加束縛，也不允許松散工藝要求。

　　5結束語

　　針對深水同軸電纜的特殊要求，我們通過對電纜結構設計和選材、結構尺寸的確定、關鍵工藝的控制，最終研制出該深水同軸電纜。我們對試制的深水同軸電纜樣品進行的試驗，結果表明產(chǎn)品在深水高壓強環(huán)境下具有穩(wěn)定的電氣性能，適用于海洋勘探的苛刻環(huán)境，防水性好、承載能力強、抗疲勞彎曲性能好、強度高、彈性好，可有效抵抗和減緩外界機械應力的作用對電纜內(nèi)部的損傷，并且電纜外徑較小，只有12 mm，線密度為450 kg/km。可見，該深水同軸電纜性能達到了預期的設計要求，滿足了使用要求。

　　深水同軸電纜的研發(fā)包含了一定的技術含量，電纜的性價比較高，具有一定的發(fā)展前景，對推動我國海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展有重要意義。

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