XETFE絕緣電線電纜的技術(shù)現(xiàn)狀和國產(chǎn)化探討

        交聯(lián)乙烯-四氟乙烯(XETFE) 絕緣電線電纜具有耐溫等級高、機械性能好、耐老化、耐化學溶劑等優(yōu)異性能，以及體積小、重量輕等特點，主要應(yīng)用于可靠性要求高、安裝空間小、重量要求輕的各種特殊場所，尤其在航空航天上的應(yīng)用日益廣泛。但長期以來國內(nèi)市場全部依賴進口，價格昂貴。隨著技術(shù)進步和國產(chǎn)化的進展，近幾年來國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的XETFE 絕緣電線電纜已逐漸進入航空領(lǐng)域。但是目前一些設(shè)計人員及用戶對國內(nèi)生產(chǎn)的電纜產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性仍心存疑慮。

        實際上，國產(chǎn)XETFE 絕緣電線電纜在2004年已開始在飛機上小批量使用，隨著國產(chǎn)化的需要和國內(nèi)技術(shù)的不斷提高及完善，該產(chǎn)品國內(nèi)使用量逐漸增加。本文主要介紹了XETFE絕緣電線電纜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、主要性能及國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，并對有關(guān)技術(shù)和制造過程中的若干問題進行分析與探討，包括產(chǎn)品標準、材料、擠出設(shè)備及制造工藝等。

1 、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及主要性能

    1.1 絕緣單線

        XETFE 絕緣電線電纜有輕型和普通型兩種，因此絕緣單線的絕緣層相應(yīng)有單層絕緣和雙層絕緣兩種結(jié)構(gòu)。輕型絕緣單線的絕緣標稱厚度為0.13 mm，普通型絕緣單線的絕緣標稱厚度為0.20 mm。絕緣單線直徑與重量有嚴格的要求。

    1.2 電纜

        電纜包括單芯、多芯、單層絕緣、雙層絕緣、帶或不帶屏蔽，有或無護套等，通常由1 ～ 4 根絕緣單線組成，絕緣及護套均采用交聯(lián)乙烯-四氟乙烯共聚物材料擠出并經(jīng)輻照交聯(lián)而成，屏蔽層采用鍍錫銅線或鍍銀銅線、鍍鎳銅線編織，其編織密度至少為85%。

    1.3 輻照交聯(lián)

        XETFE 絕緣電線電纜的絕緣及護套均需通過輻照交聯(lián)才能滿足標準要求，因此輻照技術(shù)是影響最終產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素。輻照交聯(lián)后的產(chǎn)品主要在下列性能上有顯著提高:

        (1) 產(chǎn)品耐溫等級從150℃提高到200℃;

        (2) 可以經(jīng)受300℃、7 h 的交聯(lián)程度驗證試驗;

        (3) 耐老化性能提高;

        (4) 提高了絕緣和護套的抗張強度。

    1.4 產(chǎn)品主要性能

        產(chǎn)品主要性能如表1 所示。

試驗項目      試驗條件及性能指標

表一       XETFE 絕緣電線電纜性能表

絕緣電阻      ≥1.5 × 10³MΩ·km

絕緣表面電阻      ≥1.3 × 10(四次方）MΩ·mm

機械性能     

絕緣抗張強度      ≥34．5 MPa

絕緣斷裂伸長率  單層絕緣≥75%; 雙層絕緣: 內(nèi)層≥125%，雙層總絕緣≥75%

護套抗張強度      ≥34．5 MPa

護套斷裂伸長率  ≥50%

老化      

電線       200 ℃ × 500 h，鍍銀及鍍鎳銅導體230 ℃ ×500 h，老化后卷繞試驗不開裂，浸水電壓不擊穿

電纜       230 ℃ × 96 h，老化后卷繞試驗不開裂

交聯(lián)程度驗證     

絕緣       300 ℃ × 7 h 后，卷繞試驗不開裂，浸水電壓不擊穿

護套       300 ℃ × 6 h 后，卷繞試驗不開裂

絕緣收縮      鍍錫銅導體200 ℃ × 6 h，鍍銀及鍍鎳銅導體230 ℃ × 6 h，絕緣收縮量≤3． 2 mm

絕緣浸吸性 

染色液浸進距離  ≤57．2 mm

電線浸液      試驗用液體有噴氣燃油、航空潤滑油、航空液壓油、異丙醇、汽油等，在規(guī)定的溫度下浸泡規(guī)定的時間后，直徑增率≤5%，卷繞試驗不開裂，浸水電壓不擊穿

電線耐潮濕  加熱2 h，高溫下6 h，冷卻16 h) 為1 次循環(huán)，共15 次循環(huán)，360 h，絕緣電阻≥1524MΩ·km

電線冒煙      鍍錫銅導體200 ℃ × 15 min，鍍銀及鍍鎳銅導體250 ℃ × 15 min，無可見的煙

電線耐熱沖擊      鍍錫銅導體150 ℃ × 30 min ～ － 55 ℃ × 30min，鍍銀及鍍鎳銅導體200 ℃ × 30 min ～ －55 ℃ × 30 min 共4 個循環(huán)周期，測量值變化≤1．5 mm ～ 2．5 mm

高溫卷繞     

電線       鍍錫銅導體200 ℃ × 2 h，鍍銀及鍍鎳銅導體313 ℃ × 2 h，卷繞試驗不開裂

電纜       230 ℃ × 4 h，卷繞試驗不開裂

低溫卷繞     

電線       － 65 ℃ × 4 h，卷繞試驗不開裂，浸水電壓不擊穿

電纜       － 55 ℃ × 4 h，卷繞試驗不開裂

粘連      

電線       鍍錫銅導體200 ℃ × 24 h，鍍銀及鍍鎳銅導體230 °C × 24 h，相鄰圈或相鄰層不粘連

電纜       鍍錫銅導體150 ℃ × 6 h，鍍銀及鍍鎳銅導體200 ℃ × 6 h，相鄰圈或相鄰層不粘連

燃燒      

電線       供火時間30 s，延燃時間≤3 s，延燃度≤76 mm，紙巾無燃焰

電纜       供火時間30 s，延燃時間≤30 s，延燃長度≤76 mm，紙巾無燃焰

2 、產(chǎn)品標準現(xiàn)狀分析

        不管是國外還是國內(nèi)，XETFE 絕緣電線電纜均是參照采用美國軍用標準MIL-W-22759。該標準由通用規(guī)范與詳細規(guī)范構(gòu)成，其中通用規(guī)范MIL-W-22759《銅或銅合金芯含氟聚合物絕緣電線》主要規(guī)定了含氟聚合物絕緣電線的技術(shù)要求、檢驗要求和試驗方法，適用于含氟聚合物(包括PTFE、FEP、ETFE、PVDF 等) 絕緣電線; 詳細規(guī)范MIL-W-22759 /32～ MIL-W-22759 /46 則具體規(guī)定了鍍錫銅導體、鍍銀銅導體、鍍鎳銅導體、鍍銀高強度銅合金導體及鍍鎳高強度銅合金導體XETFE 絕緣輕型電線和普通型電線的結(jié)構(gòu)要求、性能要求、試驗項目及試驗條件。

        我國于2000 年4 月發(fā)布的GJB 773 系列標準，其中GJB 773A《航空航天用含氟聚合物絕緣電線電纜通用規(guī)范》基本上是參照MIL-W-22759 制訂的，而詳細規(guī)范GJB 773A/20、GJB 773A/21、GJB 773A/22、GJB 773A/23 則分別規(guī)定了鍍錫銅芯和鍍銀銅芯XETFE 絕緣輕型電線電纜、鍍錫銅芯和鍍銀銅芯XETFE 絕緣普通型電線電纜具體的技術(shù)要求及試驗要求。從標準結(jié)構(gòu)及標準型式上該系列標準與MIL-W-22759 基本上保持一致，但存在著以下一些不足與差異:

        (1) 鍍鎳導體、鍍銀高強度銅合金導體及鍍鎳高強度銅合金導體未包括在內(nèi);

        (2) 導線規(guī)格表述方式不同，導致導體截面難以吻合: MIL-W-22759 采用英制單位，導線規(guī)格用美國線規(guī)(AWG) 表示，GJB 773A 采用的是國內(nèi)線纜行業(yè)慣用的公制單位;

        (3) 導體結(jié)構(gòu)與MIL 標準不一致。

        XETFE 絕緣電線電纜用戶主要是飛機制造廠，由于此前這些航空用戶一直采用的是符合美國標準的線纜，因此作為替代進口的產(chǎn)品也必須沿用美國標準，從而導致GJB 773A 未能被用戶使用。目前作為國內(nèi)生產(chǎn)廠來說，為了滿足國內(nèi)市場的需求，各企業(yè)參照采用MIL-W-22759 制訂了自己的企業(yè)標準。由此產(chǎn)生的問題，一是各生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量水平的差異使得產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)和性能指標差異較大; 二是由于沒有統(tǒng)一的標準，造成用戶驗收試驗時的混亂與困惑，這樣又導致一些用戶自己制訂產(chǎn)品標準。我們期待能有一個適用的行業(yè)產(chǎn)品標準來規(guī)范市場。

 

3 、技術(shù)水平現(xiàn)狀分析

    3.1 導體材料

        導體材料包括鍍錫銅導體、鍍銀銅導體、鍍鎳銅導體及鍍銀高強度銅合金導體、鍍鎳高強度銅合金導體，其主要性能參見表2、表3。其中前3 種導體國內(nèi)已能滿足要求，但高強度銅合金導體目前仍依賴進口。

 

        注: 導體規(guī)格AWG 為美國線規(guī)。歐美各國的導體常采用英制單位(英寸) ，而我國采用公制單位(毫米) ，所以表中導體規(guī)格AWG與相對應(yīng)的導體結(jié)構(gòu)并不完全一致，例如26AWG 線規(guī)導體直徑為15.94 密耳(千分之一英寸為一密耳) ，換算后為0.4049 mm。但是，導體結(jié)構(gòu)為19 /0.10 mm 導體直徑為0.5 mm，所以兩者不是等同，而是相當，以下各表相同。

    

    3.2 絕緣及護套材料

        絕緣及護套均采用XETFE 共聚物材料，其主要性能如表4 所示。目前只能依賴于進口。

 

    3.3 擠出裝備

        目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家多是采用23 所設(shè)計制造的專用高溫擠出設(shè)備，基本可以滿足要求。對于雙層絕緣，通常只能采用二次擠出。國外采用的是先進的串列式高溫擠出生產(chǎn)線制造，可一次擠出雙層絕緣，并實現(xiàn)在線檢測與控制的精確制造。

    3.4 輻照技術(shù)

        ETFE 材料采用輻照交聯(lián)改性技術(shù)，可提高電線絕緣的耐溫等級、機械強度及耐老化、耐輻射等性能，使產(chǎn)品滿足航空航天電線的高機械強度、耐高溫、耐輻射、耐各種航空航天用油的極端復(fù)雜的惡劣環(huán)境下使用要求; 其各項技術(shù)性能可達到美國軍用標準的要求。

        輻照技術(shù)包括輻照裝備與輻照工藝。我公司從俄羅斯引進的電子加速器，具有當今國際先進水平，再配置以特殊設(shè)計的束下裝置、收放線裝置、張力裝置等，組成了國內(nèi)先進的輻照交聯(lián)生產(chǎn)線，為該產(chǎn)品的生產(chǎn)創(chuàng)造了必要的條件。輻照工藝包括輻照劑量、電子束能量、束流、輻照速度及后處理等，其中影響最大的為輻照劑量。

        同其他材料不同的是，ETFE 材料對輻照劑量非常敏感，隨著輻照劑量的增加，材料的交聯(lián)度提高而斷裂伸長率急劇下降，輻照劑量過大，可能導致絕緣或護套的斷裂伸長率達不到標準要求，而輻照劑量過小，則交聯(lián)程度驗證試驗不合格，因此如何解決這一對矛盾是輻照技術(shù)水平高低的一個體現(xiàn)。產(chǎn)品標準規(guī)定的交聯(lián)程度驗證試驗用于檢驗成品電線是否已很好交聯(lián)，其試驗條件十分苛刻: 在試驗時取一定長度的絕緣線芯試樣，兩端導體分別掛上規(guī)定重量的砝碼，試樣中部懸掛在規(guī)定直徑的試棒上，放入預(yù)先加熱到300 ℃的熱烘箱中7 h。取出試樣1 h后將試樣卷繞在試棒上，正反向各卷繞兩次，絕緣表面應(yīng)無開裂。之后試樣應(yīng)通過浸水電壓試驗(2.5kV/5 min) 。迄今為止，在國內(nèi)生產(chǎn)廠家中，絕大多數(shù)廠家無輻照設(shè)備，只能外包，這不利于產(chǎn)品質(zhì)量的控制和穩(wěn)定。

    3.5 擠出工藝

        擠出工藝是一個較復(fù)雜的技術(shù)問題，它與生產(chǎn)設(shè)備、模具、生產(chǎn)工藝以及原材料等都有密切關(guān)系。選擇和確定最佳工藝參數(shù)，對于確保產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率是十分重要的。由于XETFE 材料是用純ETFE 樹脂加上其它成分，完全改變了ETFE 的熔融和流動，在擠出機筒中XETFE 很容易發(fā)生交聯(lián)和降解。因此要控制好擠出溫度和擠出速度等工藝參數(shù)，需要通過大量的工藝試驗來進行研究。其次，對于擠出模具通常采用擠管式模具，在設(shè)計模具尺寸時應(yīng)考慮兩個重要參數(shù)———拉伸比(DDR) 與拉伸平衡比(DRB) 的合理選擇。通常DDR 值控制在15 ～ 25 范圍，DRB 值控制在1.04 ～ 1.07 范圍內(nèi)。

        絕緣線芯的同心度也是一個重要的控制指標，好的擠出裝備和工藝應(yīng)能將同心度控制在90% 以上。

4 、進步與差距

        (1) XETFE 絕緣電線電纜屬于特種線纜，長期以來國內(nèi)市場被國外廠家壟斷。近幾年來，在國家大力提倡國產(chǎn)化的大環(huán)境下，國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品技術(shù)水平有了很大發(fā)展和提高，經(jīng)過多年的積累和發(fā)展，該電纜的制造技術(shù)已逐漸成熟，產(chǎn)品已能達到國外同類產(chǎn)品的先進水平，可以滿足國內(nèi)用戶的使用要求。

        (2) 國內(nèi)以23 所為首的設(shè)備制造廠，通過對進口設(shè)備的消化吸收以及多年來的不斷改進和完善，近幾年來在擠出裝備上有著長足的進步，憑著自身的性價比，已在線纜廠得到推廣使用。但是國內(nèi)設(shè)備的穩(wěn)定性及制造精度仍有待于改進。

        (3) 電線電纜專用材料是線纜行業(yè)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。至今XETFE 材料全部依賴進口，國產(chǎn)化尚未解決，嚴重制約該產(chǎn)品在我國的未來發(fā)展和國產(chǎn)化進程。

        (4) 輻照技術(shù)對該產(chǎn)品的性能和質(zhì)量的影響至關(guān)重要，還需要潛心進行系統(tǒng)研究。

        (5) 國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，雖然工藝方法基本一樣，技術(shù)水平卻有很大差別。聲稱能生產(chǎn)該產(chǎn)品的廠家不少，但大多數(shù)僅處于樣品試制或小批量生產(chǎn)階段，目前形成規(guī)模生產(chǎn)的只有為數(shù)不多的幾家業(yè)。 XETFE 絕緣電線電纜是一種綜合性能優(yōu)良的高技術(shù)高品質(zhì)導線，生產(chǎn)廠家應(yīng)放眼長遠，努力創(chuàng)建屬于自己的技術(shù)和品牌，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量和制造水平，以利于該產(chǎn)品乃至整個特種高溫線纜的產(chǎn)業(yè)健康和可持續(xù)發(fā)展。

5 、結(jié)束語

        國內(nèi)生產(chǎn)的XETFE 絕緣電線電纜已能滿足使用要求。隨著航空業(yè)建設(shè)的發(fā)展及國產(chǎn)化的進展，國內(nèi)電纜的市場在不斷擴大，但要全面實現(xiàn)國產(chǎn)化尚待時日。

        筆者致力于XETFE 絕緣電線電纜的研究開發(fā)及市場推廣已有六年多，深感國產(chǎn)化道路的艱辛。不僅在于該產(chǎn)品的制造水平與國外同類產(chǎn)品還存在著差距，還在于用戶對該產(chǎn)品國產(chǎn)化應(yīng)用的一些成見。因此，實現(xiàn)XETFF 絕緣電線電纜的國產(chǎn)化，不但需要電纜生產(chǎn)企業(yè)的參與和投入，更需要廣大電纜用戶對國內(nèi)產(chǎn)品的關(guān)心和支持

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