摘要：随着材料科技的进步与发展，特别是复合材料科技的进步，材料行业出现了一种PTFE/PI/PTFE复合材料。也因此，催生了一种新电线的出现，即由PTFE/PI/PTFE复合薄膜作为内绝缘，PTFE生料带作为外绝缘的电线。本文简述了该种电线的设计原理。
关键词：聚酰亚胺，复合绝缘，电线设计
1.引言
随着航空科技的进步与发展，航空产品对电线的要求越来越高，对航空用电线电缆的重量，电气性能，机械物理性能等提出了苛刻的要求。为此，人们开发出了以氟塑料为绝缘的各种电线电缆，尤其以XETFE为绝缘护套材料的电线电缆产品，广泛的应用于航空航天领域。然而，由于受XETFE材料本身的限制，以该材料为绝缘、护套的电缆，其长期工作温度只能达到200℃，不能满足更高温工作环境的要求，航空业需要一种新产品填补该空缺。随着材料科技的进步与发展，特别是复合材料科技的进步，材料行业出现了一种PTFE/PI/PTFE复合材料。也因此，催生了一种新电线的出现，即由PTFE/PI/PTFE复合薄膜作为内绝缘，PTFE生料带作为外绝缘的电线。本文从材料的性能着手分析，对该种电线的设计原理进行简要的阐述。
2.设计原理
2.1材料性能简介
2.1.1聚酰亚胺的材料性能
聚酰亚胺是所有有机高分子聚合物中综合性能最佳者之一。主要优点有：
（1）电绝缘性能较好，体积电阻率达1015Ω•cm以上，相对介电常数3.4左右，tgδ为0.002～0.003，耐电晕和局部放电，耐电弧达230s。高温下电绝缘性能无变化。
（2）耐热性好，连续使用温度达260℃，在-200℃～+400℃范围内，具有良好的力学性能，且耐热氧老化。不熔性聚酰亚胺具有优异的耐热性，无明显的熔点或软化点。
（3）耐辐照。在γ射线照射下，当剂量达3.56×107Gy时，抗张强度仍在原始值的89％以上，断裂伸长率只下降38％左右。在辐射场中，电绝缘性能稳定。
（4）耐有机溶剂，耐臭氧，防霉，耐腐蚀性好。
2.1.2 PTFE材料性能
聚四氟乙烯具有优良的耐热性，耐化学药品性，耐溶剂稳定性，高电绝缘性和表面不黏性。其主要性能有：
（1）物理性能
聚四氟乙烯熔点为327℃，但熔融后粘度很高，即使在360℃，其粘度也高达1010～1011Pa•s，仍然不能流动。聚四氟乙烯结晶度对电线的物理性能和力学性能有一定的影响。结晶度越大，聚四氟乙烯的密度也大。物理力学性能有所提高。聚四氟乙烯在310℃～315℃有最大的结晶速度。
（2）电绝缘性能
聚四氟乙烯在广阔的温度和频率范围内，具有优异的电绝缘性能。聚四氟乙烯的电绝缘性能很高，体积电阻率大于1018Ω•cm，即使长期浸于水中变化也不显著，随温度变化也不大，击穿场强可达200kv/mm。
聚四氟乙烯对电弧作用极为稳定，通常耐电弧性大于300s。但是，由于聚四氟乙烯中氟原子的负电性很高，1～2eV的电子就会使其游离分解，所以它的耐电晕性不佳。
（3）热性能
聚四氟乙烯具有相当高的耐热性和耐低温性能。虽然聚四氟乙烯在200℃时开始有微量的分解物出现，但从200℃～327℃以上，其分解速度非常缓慢，只是在400℃，才发生显著分解，每小时的重量损失约0.01％。在300℃下加热一个月，聚四氟乙烯的强度下降约10%～20％；在260℃长期加热，其抗拉强度基本不变；聚四氟乙烯在-200℃这样的极低温度下，不硬脆，仍具有令人满意的机械强度和柔软性。聚四氟乙烯的导热率较低。
（4）耐化学稳定性
聚四氟乙烯具有突出的耐化学稳定性。它不受强腐蚀性的化学试剂侵蚀，完全不受王水、氢氟酸、浓硫酸、氯磺酸、热浓硫酸、沸腾苛性钠溶液、氯气以及过氧化氢的作用，即使在高温条件下，聚四氟乙烯也具有很好的耐化学稳定性，只有高温下的氟元素和熔融的钾、钠等碱金属与之发生作用。
（5）力学性能
由于聚四氟乙烯大分子之间的相互引力较小，因此，它只有中等的抗张强度。其耐切割性不良。
（6）其他性能
聚四氟乙烯具有很好的耐湿性和耐水性，聚四氟乙烯本身透湿性和吸水性极微，放在水中浸泡24h后，其吸水性实际等于零。
耐气候优良。在大气环境中，由于聚四氟乙烯分子中不存在光敏基因，臭氧也不能与其作用，使其在炎热、高温度的热带和湿热带气候条件下，可以长期使用。
耐辐照性欠佳。吸收剂量达104Gy，发生显著分解。
2.2 电线材料选择及设计
2.2.1 导体材料
航空业目前应用比较成熟的导体种类有镀锡铜导体，镀银铜导体，镀镍铜导体，镀银铜合金导体，镀镍铜合金导体。
（1）导体材料性能分析
20℃时锡的直流电阻率为0.115Ω•mm2/m。易焊接。作为铜的保护层，可以提高铜线的抗腐蚀能力。锡在大气环境中极为稳定，在软水和淡水中不易受腐蚀，可防止铜在潮湿空气中表面被腐蚀而生成铜绿。但由于锡的熔点很低，232℃就熔化了，锡在高温下易氧化，且容易被氟强烈腐蚀。因此，镀锡铜耐温等级为150℃。
20℃时银的直流电阻率为0.159Ω•mm2/m。易焊接。银具有优良的导电性和导热性、耐腐蚀性，化学稳定性。可作为铜的保护层。银的熔点较高，为962℃。但高温时，银容易渗透到铜里去。镀银铜导体（薄镀层）耐温等级一般为200℃，最高可用于250℃场合。
20℃时镍的直流电阻率为0.0724Ω•mm2/m。不易焊接。镍在大气中稳定性好，即使在各种酸碱溶液、绝大多数无机盐和有机酸中，也有较高的稳定性。镍在常温下能生成NiO保护膜，加热500℃镍才开始明显氧化，因而具有高温抗氧化性。因此，镀镍层对铜具有很强的保护作用。镍的熔点为1455℃，可作为耐高温导体使用。镀镍铜导体（薄镀层）耐温等级一般为260℃。
镀银铜合金导体耐温等级为200℃，镀镍铜合金导体耐温等级为260℃，铜合金主要是以牺牲导体的直流电阻率和断裂伸长率，换取抗张强度等机械性能的提高。
（2）导体材料的选择
按使用温度选择：相同镀层厚度下，镀镍导体＞镀银导体＞镀锡导体
按直流电阻选择：相同镀层厚度下，镀镍铜合金＞镀银铜合金＞镀锡铜导体＞镀镍铜导体＞镀银铜导体
按是否焊接选择：需焊接选择镀锡和镀银导体。
2.2.2绝缘材料
前述材料性能介绍可知，聚酰亚胺材料（PI），PTFE材料，他们的性能都非常优异，但又各具缺点。由于这些缺点的存在，使用他们中任一种材料单独作为电线的绝缘，都会出现各种各样的问题，不能满足航空航天线缆的需求。由性能对比分析可知，PI和PTFE具有良好的优势互补性。为此，业界需要一种能将这两种材料性能集于一身的材料出现。材料复合则是获得这种材料的最为简单的办法。经过努力业界开发出PTFE/PI/PTFE这种复合材料，在一定程度上解决了PI不耐原子氧，PI不耐电弧传播，PTFE不耐切割，PI不耐水解的问题。
由于复合在PI上的PTFE厚度太薄，仅有该复合薄膜制成的电线，其耐原子氧，耐电弧传播，耐水解的性能依然留下巨大的安全隐患。为解决此问题，增加PTFE的厚度是解决该问题的关键方法。因此，设计该电线时采用双层绝缘，即内层采用PTFE/PI/PTFE复合薄膜绕包，外层PTFE生料带绕包。
2.3工艺设计
2.3.1绝缘绕包工艺
以AWG26～AGW10为例。绝缘绕包工艺，主要关系到绕包带的厚度即绕包的搭盖率，绕包带厚度见表1，搭盖率要求见表2。
2.3.2绝缘复合绝缘电线设计额定电压600V。现验证上述绕包工艺的电压安全裕度。PI的击穿强度＞40MV/m，PTFE生料带的击穿强度＞30KV/m。以AWG20为例，则该绕包线理论击穿电压最小值为：N=40×106V/mm×0.0165mm×2+30×103V/mm×（0.0139+0.051）mm×2=5214V
由此可见，该设计具有较高的安全裕度，其耐电压性能满足额定电压600V要求。
2.3.3绝缘烧结工艺
绝缘烧结工艺需要达到两个目的，一是使相互搭盖的PTFE/PI/PTFE粘连，另一个目的是使PTFE生料带烧结成整体，产生致密性并与PTFE/PI/PTFE薄膜中的PTFE层相结合。PTFE的熔点大约为327℃。理论上，只要烧结温度高于327℃，经过一定时间后，都会相互粘连。而要使绕包的PTFE/PI/PTFE薄膜粘连成整体，烧结温度为（380～410）℃。然而，由于复合薄膜带外绕包了一层PTFE生料带，PTFE的导热性较差，为减少烧结时间，提高生产效率，实际烧结温度可根据烧结速度做一定调整。
烧结工艺要求及达到该要求可采取的办法：
（1）烧结冷却后，外层PTFE应形成一个整体，且PTFE层应光滑，具有良好的硬度。
（2）烧结后应方便剥线。
（3）烧结后导体应不粘连。
由要求（1）可知，PTFE应形成一个整体，要求烧结时最高温度应高于327℃；由其要求须获得良好的光滑度和硬度，即要求冷却后，PTFE应具有良好的结晶度。由PTFE材料冷却特性可知，聚四氟乙烯在310～315℃由最大的结晶速度。烧结炉冷却段应选择此温度区间，以使电线绝缘层尽可能紧密，光滑和坚硬。
由要求（2）可知，烧结后方便剥线，即绝缘层不应粘连在导体上。直接与导体接触的PTFE/PI/PTFE薄膜，其PTFE层与导体紧密接触。要想绝缘层不粘连导体，则理论上要求，烧结时传到到导体表面的温度不应高于327℃。理论计算时，可由烧结炉的功率，烧结炉的温度，牵引速度，每个烧结温度区间长度，PTFE的热阻系数及厚度，PI的热阻系数及厚度，计算透到导体表面的温度。由于烧结炉的有效功率不能确定，要准确控制，具有相当的难度，该操作不可行。实际生产时，可用试验探索的方法，在电线结构，烧结区间长度确定的情况下，设定某一烧结温度，通过调节牵引速度改变电线在该温度下的烧结时间，烧结后剥线，多次试验后，可累计相关经验。然后，其他线规产品可由以下公式推算：
θ=ρT/2π×ln（D/d）×P×t……………………… （1）
θ为导体温升；ρT为材料热阻系数；D为绝缘外径；d为导体外径；P为有效功率；t为加热时间
由公式（1）可知，烧结炉温度固定，则P为常数；电线绝缘结构一定，则ρT也为常数。θ不变（为小于327℃的一个值），则不同线径的电线，只要改变烧结时间，即烧结去温度不变情况下，调整烧结炉牵引速度，就能达到相同的效果。
由要求（3）同样要求透过绝缘的热量不应过大，但镀锡导体及镀银导体要求不同，镀银导体可只小于327℃，而镀锡导体应圆圆咸鱼327℃，因为镀锡层的熔点为232℃。对于镀锡导体而言，控制更为严格。
2.4试验验证
作为飞行器平台信号传输及能量传输的重要电子元器件，聚酰亚胺复合绝缘电线熊能的安全性，可靠性需要有保证，因此，它必须经过一系列的实际工作环境的各种试验的检验。这些试验将会考验电线的电性能，热性能，机械性能，环境性能，可操作性等。
3.聚酰亚胺电线的性能特点
具有优异的电气绝缘性能和耐高低温（-65～260℃）性能。该产品具有机械强度高，耐电冲击和耐短时高温冲击，重量轻，外径小，化学性能稳定等特点以及耐酸、碱、油等溶剂侵蚀和优异的热老化性能。
4.小结
聚酰亚胺复合绝缘电线以其优异的电性能，机械物理性能，化学性能，在航空航天领域的应用越来越广泛，极大地满足了航空航天事业的发展。近年来我国国防和航空工业的迅速发展，将给聚酰亚胺复合绝缘导线的应用带来良好的机遇和挑战。
参考文献
[1]孙彩霞，王复东等.空间飞行器用电线电缆材料[J].绝缘材料，2004（2）：50-55.
[2]徐应鳞，沈建华等.《电线电缆手册》第2册.北京：机械工业出版社，2004年1月第二版.
论文作者:鞠晨雁
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/23
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