辐照交联乙烯－四氟乙烯绝缘航空线制备与性能表征

2013-02-18王新营计初喜刘旌平

电线电缆 2013年4期

郑伟，王新营，严波，计初喜，刘旌平

(1.特种电缆技术国家重点实验室，上海200093;2.上海特缆电工科技有限公司，上海201300)

0 引言

在航空航天用电线电缆中，辐照交联电线有交联聚氯乙烯绝缘电线、辐照交联乙烯－四氟乙烯共聚物(X-ETFE)绝缘电线等，其中X-ETFE绝缘电线正是当今航空用电线中的两种主要线种之一［1］。

X-ETFE绝缘电线采用特殊的X-ETFE绝缘料，挤包成电线后，经电子束辐照而交联;X-ETFE除保持ETFE原有特性外，其温度等级提高到200℃。该电线一般采用薄壁绝缘结构，如单层绝缘电线的绝缘厚度为0.15 mm，故在相同载流量要求下，电线重量轻，这一点对航空航天飞行器来说是非常重要的，所以自上世纪70年代以来，这一线种一直深受航空航天业的青睐，目前无论是军用还是民用航空航天飞行器都大量使用这种电线［2］。

上海电缆研究所采用国产设备及原材料研发X-ETFE绝缘料，并制备出X-ETFE绝缘航空电线，经过一系列性能测试后，所制备的X-ETFE绝缘航空线满足相关标准要求。

1 航空线制备

1.1 原材料

上海电缆研究所自制四种X-ETFE绝缘料，分别为采用进口国外公司ETFE树脂的1#与2#绝缘料，采用国内公司ETFE树脂的3#与4#绝缘料。导体为20AWG线规镀锡铜绞合导体。

1.2 生产设备

具体航空线生产在上海特缆电工科技有限公司完成。氟塑料挤出采用 35单螺杆高温串挤设备。电子加速辐照器2.5 MeV。

1.3 生产过程

绝缘料在60～70℃下烘2～3 h;制备标准MIL-W-22759/32;挤出机温度220～330℃;配模工艺，内模1.5/3.3 mm、外模4.5 mm;收线速度不超过20 m/min;火花电压5.7 kV;成品外径1.270±0.05 mm。

航空线试制过程中，1#与2#绝缘料过程顺利，成品线径控制较为稳定，无击穿现象，且电线表面光滑、无缺陷，表观质量优良。

3#与4#绝缘料生产过程中成品线径误差较大，经过工艺调整后情况未能有明显好转，但线径仍然在标准要求的范围内。电线表面光滑，有少量的杂质出现，出现少量击穿现象，国产原料性能和质量稳定性不佳导致以上问题的出现。

针对试制样线，为摸索出适合的辐照剂量，设定了7档辐照剂量分别为4、6、8、10、12、14、16 Mrad。

2 航空线性能表征

X-ETFE绝缘航空线的主要标准为MIL-W-22759和GJB 773A—2000。在相应的标准中，对XETFE绝缘电线提出了很高的要求，制定了多项试验测试，这些试验包括机械、电气、浸油、高低温度测试等。根据项目组多年的研究与测试经验，其中大部分试验项目，对X-ETFE绝缘电线来说是没有太大问题的，用ETFE基体树脂作绝缘都能达到要求，但是其中有两项试验是很难达到的，即交联度验证测试和机械性能测试，这两项测试均与绝缘材料的交联度有关。

2.1 交联度验证试验

由于氟塑料的特殊性，X-ETFE很难像交联聚烯烃那样测凝胶含量或热延伸来确定其交联度，所以采取了交联度验证测试来确定其交联度，具体试验方法如下:把60 cm长的航空线试样两端各剥去2.5 cm绝缘，两端导体上挂上规定重量，然后把试样悬挂在规定直径的试棒上(如图1所示)，在300℃环境下放置7 h，冷却后将试样挂重去除，并在规定的试棒上对试样进行正反各两次的卷绕试验，肉眼观察有无开裂现象;然后将试样放入5%的盐水中浸泡5 h后，要求通过2 500 V、5 min的耐压试验，因为当ETFE未交联时，其熔点在270℃左右，而现在要经过300℃、7 h时的高温压力下试验，所以只有交联度达到相当程度，才能通过。

图1 交联度试验示意图

2.2 机械性能试验

航空线试样剥去外层绝缘，对绝缘进行力学性能测试。测试环境温度为20℃±5℃，拉伸速率为50 mm/min。

X-ETFE绝缘的力学性能，标准规定了相当高的要求。抗拉强度必须大于35 MPa，交联后绝缘的断裂伸长率会下降，国外X-ETFE绝缘电线的断裂伸长率指标定为不低于75%，对此类产品来说，这是非常高的要求，但作为高性能的航空航天用产品，这也是必要的。

3 结果与讨论

3.1 交联度验证试验

根据相关标准要求和前期实验总结，对本次试验的航空线主要进行了交联度验证试验，评估材料耐热性能的高低。为了保证试验的准确性，每种航空线取两根试样进行交联度验证试验，试验结果如表1所示。

表1 交联度验证试验结果

由表1可以看出，随着辐照剂量的提高，各批次航空线的交联度也随之提高，最后均能通过交联度验证试验。

1#与2#绝缘料随着辐照剂量的提高，耐压试验过程中的耐压程度也是逐渐提高，在辐照剂量4 Mrad时，耐压试验中电压稍有提高便立刻击穿;当辐照剂量提高到10 Mrad时，耐压试验已经能在电压2.5 kV条件下保持90 s，说明绝缘料内部的交联度有了显著的提高。当辐照剂量提高到12 Mrad及以上时，已经能够完全通过交联度验证试验。

相比于1#与2#绝缘料，3#与4#绝缘料在相同的辐照剂量下，交联程度明显不足，这两种绝缘料制备的航空线在16 Mrad辐照剂量下才能完全通过交联度验证，高于1#与2#的12 Mrad辐照剂量。

X-ETFE绝缘料在高能电子的辐照下，氟塑料在交联剂的作用下产生各种自由基，通过自由基的相互结合而形成新的连接键，形成空间网状的三维立体结构，其材料性能发生相应的变化:从可熔融变为不熔，耐高温性能及高温下的强度有明显的提高;分子间形成新的连接键，阻止了分子的相对滑移，刚性增加，蠕变行为减小;耐应力开裂性能有所提高。X-ETFE绝缘料熔点在255～275℃之间，辐照加工后绝缘料耐热性能有了显著的提高，所以能够满足高于材料熔点温度之上的性能测试(如交联度验证测试，温度要求为300℃)，且辐照剂量越高则交联度越高，交联度越高则材料的耐热性能越好。从测试中也可以体现出，随着辐照剂量的提高，四种航空线的耐热性能均显著提高，交联度验证测试均能够通过。

3.2 机械性能

在交联度验证试验通过的基础上，机械性能尤其是断裂伸长率满足标准要求尤为重要，因为交联度提高的前提下绝缘的断裂伸长率肯定会有显著的下降，同时要满足交联度和断裂伸长率这两方面矛盾的性能要求，对绝缘材料有着较高的要求。机械性能结果如表2所示。

表2 机械性能结果

由表2可以看出，随着辐照剂量的提高，四种绝缘料的抗拉强度有小幅度的提高，但是断裂伸长率有显著的下降，交联程度的提高导致分子链之间的滑动难度增大，降低了伸长率。

对于1#、2#绝缘料来说，当满足交联度验证时辐照剂量为12 Mrad，其抗拉强度与断裂伸长率分别为39.20 MPa、175%与38.80 MPa与160%，均满足标准要求的强度大于35 MPa和伸长率大于75%;但是当辐照剂量提高到16 Mrad时，伸长率下降到只有105%和90%，虽然仍满足标准要求，但为了满足其他性能的要求，辐照剂量还是不宜过高。

对于3#、4#绝缘料来说，当满足交联度验证时辐照剂量为16 Mrad，其抗拉强度与断裂伸长率分别为45.60 MPa、75%与48.00 MPa、70%，断裂伸长率已经不能满足标准要求了，说明在交联度达到要求的情况下，其内部分子链的滑动已经相当困难，不能满足伸长率的要求。

辐照加工在提高了材料耐热性能的条件下，也阻止了分子的相对滑移，刚性增加，蠕变行为减小，宏观上的体现便是材料断裂伸长率的显著降低，为了满足相关标准对机械性能的要求，辐照剂量必须控制在一定的范围之内，以满足耐热性能和机械性能这两个相互矛盾的性能要求。