浅谈聚酞亚胺复合绝缘导线的研制论文
0引言
聚酞亚胺复合绝缘导线是航空航天领域的重要电子元器件之一，主要用于航空航天及其电子设备等特殊环境及安全可靠性要求高的场合，其具有耐高低温冲击、耐高能电子辐射、耐各种油品及溶剂、耐氧化、耐弯曲、抗开裂等特点，且外径小，重量轻，机械强度高。随着我国新一代商用飞机及军用飞机的研制开发和生产，对聚酞亚胺复合绝缘导线的需求量猛增。由于受到生产技术制约、原材料性能不稳定的影响，国内电缆生产厂家很难保证该类导线性能指标的一致性，因此导致该类导线长期依赖进口，价格高昂，交货周期长。为改变目前的情况，本公司开展了聚酞亚胺复合绝缘导线的自主研制。
1主要性能指标
依据SAE AS22759/87B标准规定，本公司所研制的聚酞亚胺复合绝缘导线主要性能要求合格。
2结构设计和材料选择
为了满足260℃环境使用要求，聚酞亚胺复合绝缘导线的导体常采用多股镀镍软铜线同心绞合。聚酞亚胺复合绝缘导线采用的复合绝缘结构可综合发挥不同绝缘材料的性能优点，实现材料性能的互补，满足绝缘导线重量轻、外径小、电性能好、机械强度高、耐高温、耐酸碱、耐老化、耐弯曲、耐环境性等性能要求。
该复合绝缘结构的内绝缘层常采用聚酞亚胺薄膜。聚酞亚胺薄膜具有优越的电性能及较高的机械强度，密度较小，耐高低温，耐高能电子辐射等特点，广泛使用于航空航天领域。但由纯聚酞亚胺薄膜绕包的导线存在不阻燃，不耐水解，绝缘层很难与内导体剥离等缺点，尤其是其所组成的线路系统容易发生串弧现象。因此，为了避免上述问题，通过多方调研反复试验，改用了双而涂覆改良型聚四氟乙烯的聚酞亚胺复合薄膜，这种导线用聚酞亚胺复合薄膜轻型标称厚度仅为0. 0 3mm，普通型厚度为0. 05 mm;在绕包烧结时，外表面涂层(聚四氟乙烯)与外绝缘间能够相互粘连，提高聚酞亚胺薄膜的熔封效果;内表面极薄的0.%2 5mm聚四氟乙烯涂层提高了与内导体之间的可剥性;内外表面涂层还提高了聚酞亚胺材料的耐水性能及阻燃性，并有效弥补了不耐串弧性这一弱点，同时又不影响其电性能。
该复合绝缘结构的外绝缘层采用聚四氟乙烯生料带绕包。聚四氟乙烯具有耐高低温、耐老化、耐各种溶剂、阻燃等特点，并且有优异的密封性，经烧结处理后，能与内层聚酞亚胺复合薄膜的表面涂层(聚四氟乙烯)粘结，提高了产品绝缘层的紧密性，进一步提高了绝缘的可靠性。
3关键生产工艺
聚酞亚胺复合绝缘导线的生产工艺流程较为简单，具体包括导体绞合——绕包内绝缘——绕包外绝缘——烧结——复绕——成品检验。其中绕包、烧结工艺对绝缘导线的电性能、机械物理性能、外径、重量以及耐环境性等性能有较大的影响，是生产聚酞亚胺复合绝缘导线的关键工艺。
3. 1导体绞合
通常导体绞合结构分为正规绞合与同向束合两种。根据该导线产品的特点以及相关方案论证，采用了同向束合结构。在导体绞合过程中，采用紧压模具将绞线进行紧压，在相同电性能下，导体外径仅为正规绞合导体外径的9600，使导体截而积占导线截而积的90%以上，从而减小了导线外径。同时，为克服同向束合紧压绞合导体结构没有正规绞合导体外观圆整，以及由此引起的与薄膜绕包绝缘剥离力较大等问题，我们在同向紧压结构基础上，借鉴了正规绞合的工艺形式，形成了一种同心同向紧压绞合工艺。该工艺通过调整导体在绞合过程中的内外层节径比，以及各层紧压模具的配合，最终确保了绞合后的紧压导体外观较圆整，结构稳定。在之后的聚酞亚胺复合绝缘导线电性能测试时，导体直流电阻完全符合设计要求。
3. 2绕包
绕包搭盖率的控制将直接影响聚酞亚胺复合绝缘导线的质量。如果绕包搭盖率过小，将导致导线电性能(耐电压、绝缘电阻)不合格;绕包搭盖率过大，将会使导线重量超标。根据设计要求，内、外绝缘的薄膜绕包搭盖率宜为(50. 5-54.0)%这对绕包工艺提出了很高的要求。以24AWU导线为例，导体标称外径为0. 60 mm，如果采用宽5 mm聚酞亚胺复合薄膜绕包，则薄膜绕包节距仅允许有0. 08 mm的偏差。对影响绕包搭盖率的相关生产设备因素进行了分析，可见切膜机及绕包机的加工精度对绕包搭盖率的控制非常关键，其主要工艺参数包括薄膜宽度、薄膜厚度、牵引速度、绕包速度、绕包张力等。
在上述工艺参数中绕包张力最容易被忽视，但其非常关键。早期，在完成设备调试并确定其它工艺参数之后，进行的多次样品试制总是无法将薄膜绕包搭盖率控制在设定范围内，且剥离力也不均匀。为此，我们对样品搭盖率规律性改变的现象进行再次分析，终于发现问题在于绕包张力的设置，不同规格产品，绕包的薄膜宽度不同，绕包张力也应随之调整。如果设定的绕包张力过大，则绕包时薄膜易被拉伸变形造成导线外径不均，绝缘出现色差，绝缘层难以与导体剥离，严重时会造成薄膜断裂(尤其绕包外绝缘聚四氟乙烯生料带时)，这不仅影响了导线外观，而且还会使导线绝缘性能劣化;如果设定的绕包张力太小，则绕包时过松的薄膜容易造成导线外径不均，绝缘起皱，绕包节距不均，松套等现象，同样影响导线的外观和电性能。为了解决这一难点，我们根据绕包盘内外圈直径、薄膜带宽、薄膜带厚以及绕包转速，计算绕包带力矩，获得绕包头力矩，以此更新设备软件功能的设定进行补偿，从而使绕包张力恒定，并控制在合理水平上。
3. 3烧结
烧结工序是对绕包的内、外绝缘层进行熔封，最终使内、外绝缘层熔合成一体，以提高导线外层强度。烧结质量不仅影响到导线的外观和机械物理性能，而且与导线的电性能、耐环境性也密切相关。在烧结工序中烧结温度的设定非常关键。烧结温度太高，会使内、外绝缘层烧结过度，出现变脆，起皮等现象;烧结温度过低，会出现内、外绝缘层烧结不牢，容易剥离，同时致使外绝缘层(聚四氟乙烯层)的机械强度未能获得提高。
聚酞亚胺复合绝缘导线绝缘层是由双而涂覆改良型聚四氟乙烯的聚酞亚胺复合薄膜与聚四氟乙烯生料带两种不同的材料共同绕包而成，烧结时内层聚酞亚胺复合薄膜通过涂覆于两而的聚四氟乙烯薄层进行自熔封并与外层聚四氟乙烯生料带熔封成型。但内层聚酞亚胺复合薄膜和外层聚四氟乙烯生料带的烧结熔封温度及时间各不相同，在烧结炉中内层聚酞亚胺复合薄膜在450℃保持12、即可熔封成型，而外层的聚四氟乙烯生料带烧结则较难，在相同的温度下则需要保持3 min才可熔封成型。为使外层聚四氟乙烯生料带烧结成型，导线需要在高温烧结炉中保持较长的时间，但这会使内层聚酞亚胺复合薄膜因烧结时间过长而变硬、变脆，紧紧包裹在导体上，使绝缘与导体间难以剥离;如果减少高温保持时间，内层聚酞亚胺复合薄膜可烧结成型，但外层聚四氟乙烯生料带则会因未完全烧结成型而缺乏强度，未完全烧结成型的熔融聚四氟乙烯生料带的瓢度较高，使得绝缘在剥离时同样较难，且同时降低了导线的机械强度。为了解决上述问题，我们采取了增加烧结温度，同时减少烧结时间的方法，以达到内、外层绝缘材料同时烧结成型。
我们针对不同规格的聚酞亚胺复合绝缘导线进行了大量的烧结工艺试验，以期获得相应的烧结温度、牵引速度。绕包线规格为24AWU导线，速度为4 m/min的聚酞亚胺复合绝缘导线烧结温度梯度曲线，可见该曲线主要分为以下几个阶段:a.烧结预热段。聚四氟乙烯的熔点是430℃，在此温度以上其结晶结构消失，转变为透明的无定型凝胶状态，并伴随比体积增大25%。在预热段过程中，由于聚四氟乙烯的热导率较低，在熔点以上温度，体积变化较大，而内导体吸热又快，使得绝缘层升温速度缓慢，因此我们将预热段温度设定成从480℃开始，逐渐加温至560℃，以确保导线绝缘层表面温度在预热段内达到430℃左右。b.烧结熔封段。由于聚四氟乙烯材料的烧结熔封温度上限为460℃，因此我们将烧结熔封段的最高温度设定为580℃，使绝缘层表面温度从430℃迅速升高至460℃，实现充分烧结封熔。c.烧结后结晶段。绝缘层材料分子的结晶度对导线的物理和力学性能有着一定的影响，结晶度越大，其物理力学性能越高，反之亦然。通常绝缘层材料分子的结晶程度与烧结后的冷却速度有关，极其缓慢的冷却速度有助于分子材料的重结晶，使得结晶度较高，相反如果迅速冷却，则能阻比无定型凝胶的重结晶，使得结晶度较低。但聚四氟乙烯材料即使处于最快的冷却速率下，结晶度也会在50%左右，可见其对冷却速度不太敏感，烧结后聚四氟乙烯结晶度一般都在50%-70%之间。由于聚四氟乙烯在430-460℃温度范围内有最大的结晶速度，因此我们将结晶段温度设定为550℃，确保绝缘层表面温度为430-460℃。聚酞亚胺复合绝缘导线按上述烧结温度曲线烧结熔封后，所测得的绝缘可剥性和绝缘耐磨性有了很大的提高。
4性能测试
通过对聚酞亚胺复合绝缘导线的结构设计和材料选择，以及对导体绞合、绕包、烧结工艺的摸索，掌握了产品的关键性工艺技术，成功研制了聚酞亚胺复合绝缘导线。我们对试制的HYY87样品进行了相关性能测试，可见各项性能均达到了的设计要求，且达到国外同类产品水平。
虽然我国航空高端线缆生产企业对聚酞亚胺复合绝缘导线的研制还处于初始阶段，市场占有率处于空白状态，但为满足我国自主研制大型运输机及客机的大量需求，必须加快步伐，早日实现自主研发，自主生产，自主创新。在聚酞亚胺复合绝缘导线的研制过程中，我们通过新材料的应用，确保了产品电气性能和机械物理性能的良好，提高了产品的可靠性，使其可在恶劣环境条件下使用，满足现代航空航天装备发展的需求。一个螺旋管形状，螺旋管的直径小于内部的同轴电缆外径，使钢丝缠绕的螺旋管产生一个径向箍紧力，帖服紧包在内部的同轴电缆上，最终实现了上述销装钢丝端部不加束缚，也不允许松散工艺要求。
5结束语
针对深水同轴电缆的特殊要求，我们通过对电缆结构设计和选材、结构尺寸的确定、关键工艺的控制，最终研制出该深水同轴电缆。我们对试制的深水同轴电缆样品进行的试验，结果表明产品在深水高压强环境下具有稳定的电气性能，适用于海洋勘探的苛刻环境，防水性好、承载能力强、抗疲劳弯曲性能好、强度高、弹性好，可有效抵抗和减缓外界机械应力的作用对电缆内部的损伤，并且电缆外径较小，只有12 mm，线密度为450 kg/km。可见，该深水同轴电缆性能达到了预期的设计要求，满足了使用要求。
深水同轴电缆的研发包含了一定的技术含量，电缆的性价比较高，具有一定的发展前景，对推动我国海洋开发事业的发展有重要意义。
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