交联乙烯-四氟乙烯XETFE绝缘电线国内研究开发前景

交联乙烯-四氟乙烯XETFE绝缘电线国内研究开发前景

摘要: 介绍了交联乙烯-四氟乙烯(XETFE) 绝缘电线电缆的结构、性能及产品技术现状，对产品标准、材料及制造工艺等进行分析和探讨，使电缆用户对该产品有进一步的认识。国产电缆目前已能满足使用要求，完全可替代同类进口产品。

0 、引言
        交联乙烯-四氟乙烯(XETFE) 绝缘电线电缆具有耐温等级高、机械性能好、耐老化、耐化学溶剂等优异性能，以及体积小、重量轻等特点，主要应用于可靠性要求高、安装空间小、重量要求轻的各种特殊场所，尤其在航空航天上的应用日益广泛。但长期以来国内市场全部依赖进口，价格昂贵。随着技术进步和国产化的进展，近几年来国内企业生产的XETFE 绝缘电线电缆已逐渐进入航空领域。但是目前一些设计人员及用户对国内生产的电缆产品质量及可靠性仍心存疑虑。
        实际上，国产XETFE 绝缘电线电缆在2004年已开始在飞机上小批量使用，随着国产化的需要和国内技术的不断提高及完善，该产品国内使用量逐渐增加。本文主要介绍了XETFE绝缘电线电缆产品的结构特点、主要性能及国内技术现状，并对有关技术和制造过程中的若干问题进行分析与探讨，包括产品标准、材料、挤出设备及制造工艺等。

1 、产品结构特点及主要性能
    1.1 绝缘单线
        XETFE 绝缘电线电缆有轻型和普通型两种，因此绝缘单线的绝缘层相应有单层绝缘和双层绝缘两种结构。轻型绝缘单线的绝缘标称厚度为0.13 mm，普通型绝缘单线的绝缘标称厚度为0.20 mm。绝缘单线直径与重量有严格的要求。
    1.2 电缆
        电缆包括单芯、多芯、单层绝缘、双层绝缘、带或不带屏蔽，有或无护套等，通常由1 ～ 4 根绝缘单线组成，绝缘及护套均采用交联乙烯-四氟乙烯共聚物材料挤出并经辐照交联而成，屏蔽层采用镀锡铜线或镀银铜线、镀镍铜线编织，其编织密度至少为85%。
    1.3 辐照交联
        XETFE 绝缘电线电缆的绝缘及护套均需通过辐照交联才能满足标准要求，因此辐照技术是影响最终产品性能的关键因素。辐照交联后的产品主要在下列性能上有显著提高:
        (1) 产品耐温等级从150℃提高到200℃;
        (2) 可以经受300℃、7 h 的交联程度验证试验;
        (3) 耐老化性能提高;
        (4) 提高了绝缘和护套的抗张强度。
    1.4 产品主要性能
        产品主要性能如表1 所示。

2 、产品标准现状分析
        不管是国外还是国内，XETFE 绝缘电线电缆均是参照采用美国军用标准MIL-W-22759。该标准由通用规范与详细规范构成，其中通用规范MIL-W-22759《铜或铜合金芯含氟聚合物绝缘电线》主要规定了含氟聚合物绝缘电线的技术要求、检验要求和试验方法，适用于含氟聚合物(包括PTFE、FEP、ETFE、PVDF 等) 绝缘电线; 详细规范MIL-W-22759 /32～ MIL-W-22759 /46 则具体规定了镀锡铜导体、镀银铜导体、镀镍铜导体、镀银高强度铜合金导体及镀镍高强度铜合金导体XETFE 绝缘轻型电线和普通型电线的结构要求、性能要求、试验项目及试验条件。
        我国于2000 年4 月发布的GJB 773 系列标准，其中GJB 773A《航空航天用含氟聚合物绝缘电线电缆通用规范》基本上是参照MIL-W-22759 制订的，而详细规范GJB 773A/20、GJB 773A/21、GJB 773A/22、GJB 773A/23 则分别规定了镀锡铜芯和镀银铜芯XETFE 绝缘轻型电线电缆、镀锡铜芯和镀银铜芯XETFE 绝缘普通型电线电缆具体的技术要求及试验要求。从标准结构及标准型式上该系列标准与MIL-W-22759 基本上保持一致，但存在着以下一些不足与差异:
        (1) 镀镍导体、镀银高强度铜合金导体及镀镍高强度铜合金导体未包括在内;
        (2) 导线规格表述方式不同，导致导体截面难以吻合: MIL-W-22759 采用英制单位，导线规格用美国线规(AWG) 表示，GJB 773A 采用的是国内线缆行业惯用的公制单位;
        (3) 导体结构与MIL 标准不一致。
        XETFE 绝缘电线电缆用户主要是飞机制造厂，由于此前这些航空用户一直采用的是符合美国标准的线缆，因此作为替代进口的产品也必须沿用美国标准，从而导致GJB 773A 未能被用户使用。目前作为国内生产厂来说，为了满足国内市场的需求，各企业参照采用MIL-W-22759 制订了自己的企业标准。由此产生的问题，一是各生产企业技术水平、产品质量水平的差异使得产品技术参数和性能指标差异较大; 二是由于没有统一的标准，造成用户验收试验时的混乱与困惑，这样又导致一些用户自己制订产品标准。我们期待能有一个适用的行业产品标准来规范市场。

3 、技术水平现状分析
    3.1 导体材料
        导体材料包括镀锡铜导体、镀银铜导体、镀镍铜导体及镀银高强度铜合金导体、镀镍高强度铜合金导体，其主要性能参见表2、表3。其中前3 种导体国内已能满足要求，但高强度铜合金导体目前仍依赖进口。

        注: 导体规格AWG 为美国线规。欧美各国的导体常采用英制单位(英寸) ，而我国采用公制单位(毫米) ，所以表中导体规格AWG与相对应的导体结构并不完全一致，例如26AWG 线规导体直径为15.94 密耳(千分之一英寸为一密耳) ，换算后为0.4049 mm。但是，导体结构为19 /0.10 mm 导体直径为0.5 mm，所以两者不是等同，而是相当，以下各表相同。

    3.2 绝缘及护套材料
        绝缘及护套均采用XETFE 共聚物材料，其主要性能如表4 所示。目前只能依赖于进口。
 
    3.3 挤出装备
        目前国内生产厂家多是采用23 所设计制造的专用高温挤出设备，基本可以满足要求。对于双层绝缘，通常只能采用二次挤出。国外采用的是先进的串列式高温挤出生产线制造，可一次挤出双层绝缘，并实现在线检测与控制的精确制造。
    3.4 辐照技术
        ETFE 材料采用辐照交联改性技术，可提高电线绝缘的耐温等级、机械强度及耐老化、耐辐射等性能，使产品满足航空航天电线的高机械强度、耐高温、耐辐射、耐各种航空航天用油的极端复杂的恶劣环境下使用要求; 其各项技术性能可达到美国军用标准的要求。
        辐照技术包括辐照装备与辐照工艺。我公司从俄罗斯引进的电子加速器，具有当今国际先进水平，再配置以特殊设计的束下装置、收放线装置、张力装置等，组成了国内先进的辐照交联生产线，为该产品的生产创造了必要的条件。辐照工艺包括辐照剂量、电子束能量、束流、辐照速度及后处理等，其中影响最大的为辐照剂量。
        同其他材料不同的是，ETFE 材料对辐照剂量非常敏感，随着辐照剂量的增加，材料的交联度提高而断裂伸长率急剧下降，辐照剂量过大，可能导致绝缘或护套的断裂伸长率达不到标准要求，而辐照剂量过小，则交联程度验证试验不合格，因此如何解决这一对矛盾是辐照技术水平高低的一个体现。产品标准规定的交联程度验证试验用于检验成品电线是否已很好交联，其试验条件十分苛刻: 在试验时取一定长度的绝缘线芯试样，两端导体分别挂上规定重量的砝码，试样中部悬挂在规定直径的试棒上，放入预先加热到300 ℃的热烘箱中7 h。取出试样1 h后将试样卷绕在试棒上，正反向各卷绕两次，绝缘表面应无开裂。之后试样应通过浸水电压试验(2.5kV/5 min) 。迄今为止，在国内生产厂家中，绝大多数厂家无辐照设备，只能外包，这不利于产品质量的控制和稳定。
    3.5 挤出工艺
        挤出工艺是一个较复杂的技术问题，它与生产设备、模具、生产工艺以及原材料等都有密切关系。选择和确定最佳工艺参数，对于确保产品性能和生产效率是十分重要的。由于XETFE 材料是用纯ETFE 树脂加上其它成分，完全改变了ETFE 的熔融和流动，在挤出机筒中XETFE 很容易发生交联和降解。因此要控制好挤出温度和挤出速度等工艺参数，需要通过大量的工艺试验来进行研究。其次，对于挤出模具通常采用挤管式模具，在设计模具尺寸时应考虑两个重要参数———拉伸比(DDR) 与拉伸平衡比(DRB) 的合理选择。通常DDR 值控制在15 ～ 25 范围，DRB 值控制在1.04 ～ 1.07 范围内。
        绝缘线芯的同心度也是一个重要的控制指标，好的挤出装备和工艺应能将同心度控制在90% 以上。

4 、进步与差距
        (1) XETFE 绝缘电线电缆属于特种线缆，长期以来国内市场被国外厂家垄断。近几年来，在国家大力提倡国产化的大环境下，国内生产的产品技术水平有了很大发展和提高，经过多年的积累和发展，该电缆的制造技术已逐渐成熟，产品已能达到国外同类产品的先进水平，可以满足国内用户的使用要求。
        (2) 国内以23 所为首的设备制造厂，通过对进口设备的消化吸收以及多年来的不断改进和完善，近几年来在挤出装备上有着长足的进步，凭着自身的性价比，已在线缆厂得到推广使用。但是国内设备的稳定性及制造精度仍有待于改进。
        (3) 电线电缆专用材料是线缆行业赖以生存和发展的物质基础。至今XETFE 材料全部依赖进口，国产化尚未解决，严重制约该产品在我国的未来发展和国产化进程。
        (4) 辐照技术对该产品的性能和质量的影响至关重要，还需要潜心进行系统研究。
        (5) 国内企业生产的产品质量参差不齐，虽然工艺方法基本一样，技术水平却有很大差别。声称能生产该产品的厂家不少，但大多数仅处于样品试制或小批量生产阶段，目前形成规模生产的只有为数不多的几家业。 XETFE 绝缘电线电缆是一种综合性能优良的高技术高品质导线，生产厂家应放眼长远，努力创建属于自己的技术和品牌，不断提升产品质量和制造水平，以利于该产品乃至整个特种高温线缆的产业健康和可持续发展。

5 、结束语
        国内生产的XETFE 绝缘电线电缆已能满足使用要求。随着航空业建设的发展及国产化的进展，国内电缆的市场在不断扩大，但要全面实现国产化尚待时日。
        笔者致力于XETFE 绝缘电线电缆的研究开发及市场推广已有六年多，深感国产化道路的艰辛。不仅在于该产品的制造水平与国外同类产品还存在着差距，还在于用户对该产品国产化应用的一些成见。因此，实现XETFF 绝缘电线电缆的国产化，不但需要电缆生产企业的参与和投入，更需要广大电缆用户对国内产品的关心和支持