CN103413597B - 航空航天用高温导线及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

航空航天用高温导线及其生产工艺，属于电缆技术领域。其特征是，由镀镍铜包铝软绞线导体线芯上薄壁挤包聚醚醚酮内绝缘层，再在聚醚醚酮内绝缘层上无缝绕包长纤维丝包层构成。本发明采用丝绕包层，提高了导线的抗串弧、抗切通性能及可靠性。本发明制得的导线重量轻、外径小、耐高温、耐溶剂、阻燃性好、耐湿性佳。

Description

航空航天用高温导线及其生产工艺

技术领域

本发明涉及一种导线的结构及其生产工艺，特别是一种航空航天用高温导线及其生产工艺，属于电缆技术领域。

背景技术

航空航天用电线电缆是军用线缆中等级最高、性能最优越、安全性要求最苛刻的产品之一，包括飞机、卫星、火箭和其他飞行器上用的各种电线电缆。由于这些产品长期在高空甚至外太空运行，故要求其具有外径小、重量轻、耐高低温、耐摩擦、耐油、阻燃及易于安装等优点。随着飞机和飞行器运行速度的提高，位于飞机发动机区域的连接电缆其耐温等级的要求也逐步提高，按导体镀层的不同其耐温等级也已提高至200℃或260℃。

现在用于飞机高温区域（如发动机）的连接导线主要有以下两种结构形式：

第1种为含氟聚合物“挤出型”绝缘导线。符合温度要求的绝缘材料主要有“可熔性聚四氟乙烯（PFA）”或“辐照交联乙烯—四氟乙烯共聚物（XETFE）”，但该类导线存在以下缺陷：①可熔性聚四氟乙烯绝缘导线的机械强度低、耐辐照性能差，特别是材料的比重大，即使选用“薄壁”型也不能满足机载或星载线缆的“减重”需求；②虽然辐照交联乙烯—四氟乙烯共聚物绝缘导线的材料比重较小，但单层“薄壁”型的抗串弧性能不佳，导线的可靠性较差，而双层导线的尺寸和重量也不能满足要求，并且由于该类导线的绝缘层必须经过辐照交联才能实现其性能，故导线的生产周期及性价比也没有显著的市场竞争优势；③含氟聚合物绝缘导线由于材料具有严重的静电吸附性，其易于积累灰尘或其他杂质，从而可能造成沉降物污染飞机电气元件，因此导线“上机”后也不能满足清洁的要求。

第2种为复合材料“绕包型”绝缘导线。结构形式主要为“聚酰亚胺挤出层外绕包聚四氟乙烯生胶带（需熔封）”或“聚酰亚胺外涂覆可溶性聚四氟乙烯复合带绕包层外绕包聚四氯乙烯生胶带（需熔封）”，该类导线也存在以下缺陷：①前者由于聚酰亚胺材料具有严重的吸水性，加之聚四氟乙烯外绕包层的耐磨性较差（安装时易受到损伤）且不耐辐照，用于机载或星载显然不合适；②后者由于现阶段难于实现“无缝绕包”，即使聚四氟乙烯外绕包层经过熔封，也不能保证导线通过抗串弧、抗切通等试验，并且由于“绕包”型绝缘层本身的缺陷，小规格（一般为22AWG及以下）导线的导体必须设计为高强度合金，故其技术经济性也不高。

为了规避上述导线可靠性差的缺陷，国内外也有结构优化方案的报道，主要为在导线外设置编织护层，虽然在一定程度上可以对绝缘层进行有效的“防护”，但由于小规格导线编织层易松散的缺点导致成品导线尺寸仍旧“超差”，由于编织覆盖率的因素，产品的可靠性仍旧不能满足航空航天对线缆的高要求。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种重量轻、外径小、耐高温、耐溶剂、阻燃耐湿的航空航天用高温导线及其生产工艺。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：航空航天用高温导线，其特征是，由镀镍铜包铝软绞线导体线芯上薄壁挤包聚醚醚酮内绝缘层，再在聚醚醚酮内绝缘层上无缝绕包长纤维丝包层构成。

所述长纤维为高强度不断丝的长纤维丝。

所述聚醚醚酮内绝缘层厚度为0.10-0.15mm。

航空航天用高温导线的生产方法，其特征是，包括以下步骤：

1）将镀镍铜包铝软绞线导体线芯放入预热生产线中的组合式导体预热装置进行预热，组合式导体预热装置设有3段加热区，根据需要增加预热生产线的长度，第1段加热区采用自然热传导方式，温度控制较最终设定温度低10℃；第2段加热区采用吹风热传导方式，温度控制较最终设定温度低5℃；第3段加热区采用加强对流热传导方式，温度控制较最终设定温度高5℃；并在组合式导体预热装置出口处对线芯的温度进行远红外多点捕捉，通过反馈电路指示第3段加热区的工作状态；

2）对整条生产线的稳定性进行控制，在挤出模具的模芯尾部设置衬套，其外部尺寸与模芯内部尺寸相同，根据需要延长模芯的内部承径，在预热过的线芯上薄壁挤包聚醚醚酮内绝缘层；所述聚醚醚酮内绝缘层厚度为0.10-0.15mm；

3）选用高强度的不断丝长纤维丝在聚醚醚酮内绝缘层上绕包丝包层，自纤维丝的放线轴至绕包头之间设置多个纳米级引线眼模，避免纤维丝在绕包前受到损伤；在绕包摇篮上设置1根喂线导杆，喂线导杆与摇篮运动同步；在纤维丝的放线轴和导线出线端处均设置压线装置，并通过电气感应保证压线装置与放线轴同步起动、同步停止；在纤维丝的放线轴处设置张力感应装置，通过反馈电路驱使丝包张力电机工作，最终在聚醚醚酮内绝缘层上无缝绕包不断丝长纤维外层，制得航空航天用高温导线。

本发明内层采用高性能聚醚醚酮（PEEK）绝缘料并“薄壁”挤出，最薄处厚度为0.10mm，优于国际上航空航天用导线0.15mm的“薄壁”要求，PEEK的综合性能极优；外层采用不断丝长纤维并“无缝”绕包，既符合航空航天导线“重量轻、外径小”的要求，而且可以避免导线安装时内绝缘层受到的丝毫损伤，使得成品导线“抗串弧、抗切通”等性能得以确保并清洁环保。根据导线的耐高温及机载、星载的“减重”要求，导体采用镀镍铜包铝软绞线，在铜包铝上设置镀镍层。

由于PEEK绝缘料为结晶型材料，分子链较长，材料的流动性较差，加之挤出温度范围较窄，并且需要“薄壁”挤出，因此内绝缘层的挤出是工艺实施的难点之一。本发明主要从以下几方面进行了工艺验证及改进：

①线芯预热。由于PEEK为结晶型材料，加之挤出温度高，为了降低常温导体与熔融绝缘层之间的“温差”对绝缘层机械及电气性能的影响，必须对线芯进行预热。常规预热方式有传导式和感应式：前者虽然加热功率不受导体电阻的影响，但加热的均匀性及温控精度不能满足航空航天线缆的挤出要求；后者加热功率受导体电阻的直接影响，不能实现高速挤出，而且需要价格昂贵的专业化设备。本发明设计了一套组合式导体预热装置，适当增加了预热生产线的长度，通过3段加热区实现线芯的高效、稳定的预热：第1段采用自然热传导方式，温度控制较最终设定温度低10℃左右；第2段采用吹风热传导方式，温度控制较最终设定温度低5℃左右；第3段采用加强对流热传导方式，温度控制较最终设定温度高5℃左右；并在装置出口处对线芯的温度进行远红外多点捕捉，通过反馈电路指示第3段的工作状态。

②挤出模具改造。PEEK绝缘料挤出温度范围极窄，加之“薄壁”挤出，本发明除了必须设计、选用专门的螺杆并对整条生产线的稳定性进行控制外，同时对挤出模具进行改进，在模芯的尾部设计了衬套，其外部尺寸与模芯内部尺寸相当，既保证了内绝缘层“薄壁”挤出的稳定性，同时也在一定程度上缓解了“冷”导体对“热”模芯的降温，规避了材质温控范围窄的不足；适当延长了模芯的内部“承径”，这可以很好地避免内绝缘层挤出时导体对挤出模具“热平衡”的破坏，从而切实保证了挤出层温控的高精度。

由于PEEK分子链较长，材料的流动性较差，其对模具的要求很高，采用常规的挤出方式，如挤管式、挤压式或半挤管式均易出现出料不稳的现象，严重地将导致无法正常挤出，本发明补“挤管式”料流在模口处压力不稳的不足、补“挤压式”料流在模套“承径”处易受到阻力的缺陷，取消了“挤管式”的模芯嘴及“挤压式”的模套承径，从而保证内绝缘层挤出时料流更顺畅、塑化更完美。

针对纤维丝绕包层（丝包层），本发明从以下几方面进行了研究和验证：

①选用高强度的“不断丝”长纤维，具有比重小、强度高、耐高低温、耐溶剂、阻燃及不吸潮等优点，并且该纤维丝具有加工时不断丝的特点，满足了航空航天用丝包线的需求。

②为了改善丝包层的加工质量，确保成品导线能够通过抗串弧、抗切通等试验，本发明对丝绕包设备进行了如下改进，固化了最有效的绕包工艺：

a.自纤维丝的放线轴至绕包头之间设置了多个“纳米”级引线眼模，避免了纤维丝在绕包前可能受到的任何机械损伤；

b.在绕包摇篮上设计了1根特殊的“喂线”导杆，该导杆与摇篮的运动同步，能够始终保证最科学的绕包角，避免了绕包角过小带来的生产效率不高和绕包角过大不能实现“无缝”绕包的不足；

c.在纤维丝的放线轴和导线出线端处均设计了压线装置，并通过电气感应保证其“同步起动、同步停止”，保证生产过程中不会由于停车造成丝包层质量出现波动；

d.在纤维丝的放线轴处设计了“张力”感应装置，通过反馈电路驱使丝包张力电机工作，从而保证生产过程中张力可随纤维丝数量的减少而瞬时变化，丝包层的紧密度最科学。

本发明制得的导线重量轻，由于内层及外层不断丝长纤维的比重小（PEEK的比重约为1.30g/cm³，分别约为XETFE和PFA的77%和61%左右），加之丝包层厚度薄，成品导线的重量满足机载和星载的“减重”要求；本发明制得的导线外径小，由于PEEK具有极高的体积电阻及介电强度（“薄壁”型导线也具有可靠的电气特性），并且不断丝长纤维具有高强度和耐磨性（可采用极少束纤维进行“丝包”），故成品导线的外径较小；本发明制得的导线耐高温，由于内外层材料均为耐高低温材料（PEEK的热变形温度高达316℃、不断丝长纤维从427℃才开始碳化），成品导线长期使用温度高达260℃（瞬时使用温度不低于300℃）；本发明制得的导线耐溶剂，PEEK及不断丝长纤维几乎不溶于世界上任何酸、碱、盐及有机溶剂，故成品导线的耐溶剂特别是航空航天用溶液性能无可比拟；本发明制得的导线阻燃性好，不添加任何阻燃剂的PEEK具有优异的自熄性，不断丝长纤维不仅阻燃即使在火焰的直接烘烤下也仅会碳化，成品导线能够通过UL标准规定的94V-0级阻燃试验；本发明制得的导线耐湿性佳，由于内外层材料具有极低的吸水性，成品导线能够通过MIL-W-22759规定的耐潮性能试验。

本发明采用丝绕包层（丝包层），提高了导线的抗串弧、抗切通性能及可靠性。采用自然热传导、吹风热传导及加强对流热传导3区段提高线芯预热效率和精度的方法；采用在模芯的尾部设计衬套、延长模芯的内部“承径”及“无嘴”模芯和无“承径”模套的工艺设计，实现PEEK内绝缘层的挤出；采用在放线轴至绕包头之间设置“纳米”级引线眼模、在绕包摇篮上设计“喂线”导杆、在放线轴和导线出线端均设计压线装置及在放线轴处设计“瞬时”张力感应装置的工艺方法，提高了导线丝包层的质量。

附图说明

图1为本发明制得的航空航天用高温导线的结构示意图；

图中：1铜包铝、2镀镍层、3内绝缘层、4丝包层、5镀镍铜包铝软绞线导体。

具体实施方式

航空航天用高温导线，由镀镍铜包铝软绞线导体5线芯上薄壁挤包聚醚醚酮内绝缘层3，再在聚醚醚酮内绝缘层上无缝绕包长纤维丝包层4构成。

长纤维为高强度不断丝的长纤维丝。聚醚醚酮内绝缘层厚度为0.10-0.15mm。镀镍铜包铝软绞线为在铜包铝1上设置镀镍层2构成。

航空航天用高温导线的生产工艺，包括以下步骤：

1）将镀镍铜包铝软绞线导体线芯放入预热生产线中的组合式导体预热装置进行预热，组合式导体预热装置设有3段加热区，根据需要增加预热生产线的长度，第1段加热区采用自然热传导方式，温度控制较最终设定温度低10℃；第2段加热区采用吹风热传导方式，温度控制较最终设定温度低5℃；第3段加热区采用加强对流热传导方式，温度控制较最终设定温度高5℃；并在组合式导体预热装置出口处对线芯的温度进行远红外多点捕捉，通过反馈电路指示第3段加热区的工作状态；

2）对整条生产线的稳定性进行控制，在挤出模具的模芯尾部设置衬套，其外部尺寸与模芯内部尺寸相同，根据需要延长模芯的内部承径，在预热过的线芯上薄壁挤包聚醚醚酮内绝缘层；所述聚醚醚酮内绝缘层最薄处厚度为0.10mm；

3）选用高强度的不断丝长纤维丝在聚醚醚酮内绝缘层上绕包丝包层，自纤维丝的放线轴至绕包头之间设置多个纳米级引线眼模，避免纤维丝在绕包前受到损伤；在绕包摇篮上设置1根喂线导杆，喂线导杆与摇篮运动同步；在纤维丝的放线轴和导线出线端处均设置压线装置，并通过电气感应保证压线装置与放线轴同步起动、同步停止；在纤维丝的放线轴处设置张力感应装置，通过反馈电路驱使丝包张力电机工作，最终在聚醚醚酮内绝缘层上无缝绕包不断丝长纤维外层，制得航空航天用高温导线。

Claims (2)

1.一种航空航天用高温导线，包括聚醚醚酮内绝缘层，其特征是，由经过预热的镀镍铜包铝软绞线导体线芯上薄壁挤包聚醚醚酮内绝缘层，再在聚醚醚酮内绝缘层上无缝绕包高强度不断丝的长纤维丝包层构成，所述聚醚醚酮内绝缘层厚度为0.10-0.15mm。

2.一种航空航天用高温导线的生产方法，其特征是，包括以下步骤：

1）将镀镍铜包铝软绞线导体线芯放入预热生产线中的组合式导体预热装置进行预热，组合式导体预热装置设有3段加热区，根据需要增加预热生产线的长度，第1段加热区采用自然热传导方式，温度控制较最终设定温度低10℃；第2段加热区采用吹风热传导方式，温度控制较最终设定温度低5℃；第3段加热区采用加强对流热传导方式，温度控制较最终设定温度高5℃；并在组合式导体预热装置出口处对线芯的温度进行远红外多点捕捉，通过反馈电路指示第3段加热区的工作状态；

2）对整条生产线的稳定性进行控制，在挤出模具的模芯尾部设置衬套，其外部尺寸与模芯内部尺寸相同，根据需要延长模芯的内部承径，在预热过的线芯上薄壁挤包聚醚醚酮内绝缘层；所述聚醚醚酮内绝缘层厚度为0.10-0.15mm；

3）选用高强度的不断丝长纤维丝在聚醚醚酮内绝缘层上绕包丝包层，自纤维丝的放线轴至绕包头之间设置多个纳米级引线眼模，避免纤维丝在绕包前受到损伤；在绕包摇篮上设置1根喂线导杆，喂线导杆与摇篮运动同步；在纤维丝的放线轴和导线出线端处均设置压线装置，并通过电气感应保证压线装置与放线轴同步起动、同步停止；在纤维丝的放线轴处设置张力感应装置，通过反馈电路驱使丝包张力电机工作，最终在聚醚醚酮内绝缘层上无缝绕包不断丝长纤维外层，制得航空航天用高温导线。