CN106057334A - 一种电线电缆用隔爆护套及其制造方法 - Google Patents

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CN106057334A CN201610625932.4A CN201610625932A CN106057334A CN 106057334 A CN106057334 A CN 106057334A CN 201610625932 A CN201610625932 A CN 201610625932A CN 106057334 A CN106057334 A CN 106057334A
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Abstract

本发明涉及一种电线电缆用隔爆护套及其制造方法，由铝合金基体材料与不锈钢圆管通过可陶瓷化耐高温粘接剂粘接而成，在制造时，通过铝合金熔体制备、铝合金熔体发泡处理、铝合金基体材料成型、可陶瓷化耐高温粘接剂制备、纳米微孔铝合金基体材料与不锈钢管复合等步骤制作得到隔爆护套。本发明大幅度提高其金属护套的机械性能，显著提高金属护套的耐高温能力，特别是极大地提高了金属护套在高温爆炸环境中耐热冲击的能力，显著地改善了电线电缆的隔爆性能，使电线电缆应用更安全。

Description

一种电线电缆用隔爆护套及其制造方法
技术领域
本发明属于输配电线路器材领域，尤其是涉及一种电线电缆用隔爆护套及其制造方法。
背景技术
随着我国工业自动化程度快速发展，实际应用对通讯、监控、检测、报警以及控制系统用线路安全性能的要求也越来越高。特别是对用于煤矿、石油、化工和纺织等领域中的线路，要求其具有在爆炸环境中依然保证线路正常运行的特性。如何应用新材料和新工艺制造能够在爆炸环境中保护电线电缆内部组件的高性能护套，意义重大。
中国专利CN203013326U公开了本质安全型合金护套防爆电缆，包括一电缆线芯，电缆线芯包括一导体线芯、一设置在导体线芯外的耐火保护层，电缆线芯的外部还设有一耐火隔离层，耐火隔离层与电缆线芯之间设有矿物质填充层，耐火隔离层的外部包覆有铝合金护套层。本实用新型实现了多重保护功能，保证了耐火电缆的本质安全。但是该专利采用铝合金作为护套层，纯铝的熔点仅为660.4℃，其主相合金的熔点则低于该温度，因此铝合金护套在660℃的温度下即成为熔体和液态，完全无法满足火灾、爆炸、高温环境的应用需求。该专利采用陶瓷硅橡胶层作为保护层和隔离层，陶瓷硅橡胶材料具有非常固定的瓷化温度点，当高温、爆炸或火灾环境的温度未达到该温度时，其不具有隔热的效果，且陶瓷硅橡胶材料作为一种橡胶复合材料，其含陶瓷成分的量极少，在高温中即便能够形成一定的陶瓷层，其完全不具备满足防爆级别的机械性能。因此该专利具有不足，不能满足实际应用需求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种保护线路内部组件不受损坏，保证线路完整运行的电线电缆用隔爆护套及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电线电缆用隔爆护套，由铝合金基体材料与不锈钢圆管通过可陶瓷化耐高温粘接剂粘接而成。
所述的铝合金基体材料包括以下重量百分比含量的组分：Fe 0.19％-0.25％，Cu0.18％-0.23％，Mg 1.2％-1.5％，Si 0.22％-0.25％，Mn 0.28％-0.35％，Zn 4.5％-4.8％，Zr 0.15％-0.22％，Ti 0.03％-0.05％，其余为铝，杂质≤0.01％。
所述的铝合金基体材料中均匀分布独立封闭的球形纳米微孔，微孔直径为22nm-28nm，微孔总体积占基体体积的百分比为88％-90％。
所述的铝合金基体材料的密度为0.27g/cm3-0.324g/cm3。
所述的可陶瓷化耐高温粘接剂的原料包括以下组分及重量份含量：含硼聚硅氮烷56-66、SiC 20-33.6、ZrO2 1.5-2.8、过氧化二异丙苯0.22-0.28、TiB2 5.28-7.28。
所述的PSNB相对分子质量为725-753；SiC、ZrO2、TiB2平均粒径为分别为0.3μm、0.1μm和2μm。
可陶瓷化耐高温粘接剂在800℃粘接强度不变，在1000℃时生成陶瓷层。
电线电缆用隔爆护套的制造方法，采用以下步骤：
步骤一：铝合金熔体制备
按重量百分比：Fe 0.19％-0.25％，Cu 0.18％-0.23％，Mg 1.2％-1.5％，Si0.22％-0.25％，Mn 0.28％-0.35％，Zn 4.5％-4.8％，Zr 0.15％-0.22％，Ti 0.03％-0.05％，其余为Al进行配料、熔化和调整；
步骤二：铝合金熔体发泡处理
熔体发泡处理：将增黏剂在720℃下高温烘烤，并以100r/min搅拌1h，将铝合金熔体加热至810℃，添加增黏剂、发泡剂，进行纳米微孔发泡处理；
步骤三：铝合金基体材料成型
将铝合金熔体保温静置，挤压成型；
步骤四：可陶瓷化耐高温粘接剂制备
按以下配方备料：含硼聚硅氮烷56-66、SiC 20-33.6、ZrO2 1.5-2.8、过氧化二异丙苯0.22-0.28、TiB2 5.28-7.28，混合均匀后经脱气处理，制备得到可陶瓷化耐高温粘接剂；
步骤五：纳米微孔铝合金基体材料与不锈钢管复合
在成型的铝合金基体与不锈钢圆管之间添加可陶瓷化耐高温粘接剂进行复合，以3℃/min的速率升温至150℃，保温70分钟，以4℃/min的速率冷却至室温，即制作得到电线电缆用隔爆护套。
所述的增黏剂为颗粒直径7μm-11μm的SiC、Al2O3按质量比为1:5混合得到，添加量为铝合金熔体的2.5wt％-2.7wt％。
所述的发泡剂为颗粒直径50μm-65μm的ZrH2，添加量为铝合金熔体的1.8wt％-2.1wt％。
制作得到的护套材料的单位重量能量吸收量为71MJ/kg-95MJ/kg。护套材料在25℃时的等效热导率为0.0528W/(m·k)-0.0651W/(m·k)，200℃-1000℃的热膨胀系数为2.65×10-6/K。
电线电缆用隔爆护套的厚度为5mm-10mm，其抗压强度为921M。
本发明所制备的电线电缆用隔爆护套在高温下具有极高的能量吸收性能，采用的铝合金护套材料中均匀分布独立、封闭的球形纳米微孔。当受到爆炸环境中的热冲击载荷时，材料产生压缩变形，而组织结构中均匀分布的球形纳米微孔会迅速以大变形量、低流动应力的方式如变形、坍塌、破裂等各种形式消耗大量的功；随着纳米微孔在外界应力作用下发生各种形式的变形，其边缘的应力状态从正应力转变为剪切应力，剪切应变引起粘滞性流动进而引起孔壁摩擦，通过分子振动或位错运动将外界能量耗散为热能。从而在较大的应变范围内保持应力不变，将外界冲击能量转化为材料变形所做的功或消耗的热能，从而具备良好的吸能性能。
第二，本发明还创新性地配制可陶瓷化耐高温粘接剂，在粘接纳米微孔铝合金基体与不锈钢管的同时，粘接剂在高温下可以形成隔热陶瓷层，进一步提高电线电缆组件在高温爆炸环境中的耐高温性能。
与现有技术相比，本发明制作得到的铝合金护套，密度小，机械强度高，塑性好，加工性能好，耐酸碱腐蚀，在高温下具有极低的热导率，可以在高温环境中承受热冲击，保护线路内部组件不受损坏，保证线路完整运行。
在保证电缆基本应用性能的前提下，大幅度提高其金属护套的机械性能，显著提高金属护套的耐高温能力，特别是极大地提高了电线电缆在高温爆炸环境中耐热冲击的能力，显著改善电线电缆的隔爆性能，使电线电缆应用更安全。
具体实施方式
为使本发明技术方案和优点更加清楚，通过以下几个具体实施例对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
1、按重量百分比：Fe 0.19％，Cu 0.18％，Mg 1.2％，Si 0.22％，Mn 0.28％，Zn4.5％，Zr 0.15％，Ti 0.03％，其余为Al进行配料、熔化和调整。
2、熔体发泡处理：将由颗粒直径7μm、混合比例1:5的SiC、Al2O3组合的增黏剂在720℃下高温烘烤，并以100r/min搅拌1h；将铝合金熔体加热至810℃，添加2.5％增黏剂，添加1.8％颗粒直径为50μm-65μm的ZrH2发泡剂，纳米微孔发泡处理。
3、将铝合金熔体保温静置，挤压成型；
4、按重量份含量配料：相对分子质量为725的PSNB(含硼聚硅氮烷)66、0.3μm的SiC25.34、0.1μm的ZrO2 2.1、DCP(过氧化二异丙苯)0.28、2μm的TiB2 6.28，混合均匀，脱气处理，制备可陶瓷化耐高温粘接剂。
5、在成型的纳米微孔铝合金基体与不锈钢圆管之间添加可陶瓷化耐高温粘接剂进行复合。以3℃/min的速率升温至150℃，保温70分钟，以4℃/min的速率冷却至室温。
6、所得纳米微孔铝合金护套成分按重量百分比：Fe 0.193％，Cu 0.185％，Mg1.22％，Si 0.23％，Mn 0.28％，Zn 4.5％，Zr 0.15％，Ti 0.03％，其余铝。
7、所得纳米微孔铝合金材料中，微孔平均直径为28nm，微孔体积占基体材料体积的88％，密度为0.324g/cm3。
8、所得护套材料的单位重量能量吸收量为71MJ/kg。
9、采用QTM-500型隔热测试仪，按GB/T 10294-2008对制得的材料进行测量，在25℃时的等效热导率为0.0651W/(m·k)。
10、护套的厚度为5mm，其抗压强度为921Mpa，抗拉强度1020Mpa,所制得电缆最小弯曲半径为18D。
实施例2：
1、按重量百分比：Fe 0.22％，Cu 0.20％，Mg 1.3％，Si 0.23％，Mn 0.32％，Zn4.6％，Zr 0.18％，Ti 0.04％，其余为Al进行配料、熔化和调整。
2、熔体发泡处理：将由颗粒直径9μm、混合比例1:5的SiC、Al2O3组合的增黏剂在720℃下高温烘烤，并以100r/min搅拌1h；将铝合金熔体加热至810℃，添加2.6％增黏剂，添加1.9％颗粒直径为50μm-65μm的ZrH2发泡剂，纳米微孔发泡处理。
3、将铝合金熔体保温静置，挤压成型；
4、按重量份含量配料：相对分子质量为737的PSNB(含硼聚硅氮烷)64、0.3μm的SiC26.9、0.1μm的ZrO2 2.3、DCP(过氧化二异丙苯)0.25、2μm的TiB2 6.55，混合均匀，脱气处理，制备可陶瓷化耐高温粘接剂。
5、在成型的纳米微孔铝合金基体与不锈钢圆管之间添加可陶瓷化耐高温粘接剂进行复合。以3℃/min的速率升温至150℃，保温70分钟，以4℃/min的速率冷却至室温。
6、所得纳米微孔铝合金护套成分按重量百分比：Fe 0.221％，Cu 0.198％，Mg1.29％，Si 0.231％，Mn 0.319％，Zn 4.6％，Zr 0.179％，Ti 0.04％，其余铝。
7、所得纳米微孔铝合金材料中，微孔平均直径为22nm，微孔体积占基体材料体积的90％，密度为0.27g/cm3。
8、所得护套材料的单位重量能量吸收量为95MJ/kg。
9、采用QTM-500型隔热测试仪，按GB/T 10294-2008对制得的材料进行测量，在25℃时的等效热导率为0.0528W/(m·k)。
10、护套的厚度为5mm，其抗压强度为1080Mpa，抗拉强度1228Mpa,所制得电缆最小弯曲半径为15D。
实施例3：
1、按重量百分比：Fe 0.25％，Cu 0.23％，Mg 1.5％，Si 0.25％，Mn 0.35％，Zn4.8％，Zr 0.22％，Ti 0.05％，其余为Al进行配料、熔化和调整。
2、熔体发泡处理：将由颗粒直径11μm、混合比例1:5的SiC、Al2O3组合的增黏剂在720℃下高温烘烤，并以100r/min搅拌1h；将铝合金熔体加热至810℃，添加2.7％增黏剂，添加2.1％颗粒直径为50μm-65μm的ZrH2发泡剂，纳米微孔发泡处理。
3、将铝合金熔体保温静置，挤压成型；
4、按重量份含量配料：相对分子质量为750的PSNB(含硼聚硅氮烷)59、0.3μm的SiC31.6、0.1μm的ZrO2 2.7、DCP(过氧化二异丙苯)0.28、2μm的TiB2 6.42，混合均匀，脱气处理，制备可陶瓷化耐高温粘接剂。
5、在成型的纳米微孔铝合金基体与不锈钢圆管之间添加可陶瓷化耐高温粘接剂进行复合。以3℃/min的速率升温至150℃，保温70分钟，以4℃/min的速率冷却至室温。
6、所得纳米微孔铝合金护套成分按重量百分比：Fe 0.251％，Cu 0.228％，Mg1.49％，Si 0.247％，Mn 0.348％，Zn 4.8％，Zr 0.22％，Ti 0.05％，其余铝。
7、所得纳米微孔铝合金材料中，微孔平均直径为25nm，微孔体积占基体材料体积的89％，密度为0.297g/cm3。
8、所得护套材料的单位重量能量吸收量为85MJ/kg。
9、采用QTM-500型隔热测试仪，按GB/T 10294-2008对制得的材料进行测量，在25℃时的等效热导率为0.0588W/(m·k)。
10、护套的厚度为5mm，其抗压强度为1121Mpa，抗拉强度1350Mpa,所制得电缆最小弯曲半径为15D。
实施例4：
一种电线电缆用隔爆护套，由铝合金基体材料与不锈钢圆管通过可陶瓷化耐高温粘接剂粘接而成。铝合金基体材料的密度为0.27g/cm3，包括以下重量百分比含量的组分：Fe 0.19％，Cu 0.18％，Mg 1.2％，Si 0.22％，Mn 0.28％，Zn 4.5％，Zr 0.15％，Ti0.03％，其余为铝，杂质≤0.01％。其中，铝合金基体材料中均匀分布独立封闭的球形纳米微孔，微孔直径为22nm，微孔总体积占基体体积的百分比为88％。可陶瓷化耐高温粘接剂的原料包括以下组分及重量份含量：含硼聚硅氮烷56、SiC 33.6、ZrO2 1.5、过氧化二异丙苯0.22、TiB2 5.28。其中，含硼聚硅氮烷相对分子质量为725；SiC、ZrO2、TiB2平均粒径为分别为0.3μm、0.1μm和2μm。可陶瓷化耐高温粘接剂在800℃粘接强度不变，在1000℃时生成陶瓷层。
电线电缆用隔爆护套的制造方法，采用以下步骤：
步骤一：铝合金熔体制备
按以上配比备料，并进行熔化和调整；
步骤二：铝合金熔体发泡处理
熔体发泡处理：将增黏剂在720℃下高温烘烤，并以100r/min搅拌1h，将铝合金熔体加热至810℃，添加增黏剂、发泡剂，进行纳米微孔发泡处理，其中，增黏剂为颗粒直径7μm的SiC、Al2O3按质量比为1:5混合得到，添加量为铝合金熔体的2.5wt％，发泡剂为颗粒直径50μm的ZrH2，添加量为铝合金熔体的1.8wt％；
步骤三：铝合金基体材料成型
将铝合金熔体保温静置，挤压成型；
步骤四：可陶瓷化耐高温粘接剂制备
按配方备料，混合均匀后经脱气处理，制备得到可陶瓷化耐高温粘接剂；
步骤五：纳米微孔铝合金基体材料与不锈钢管复合
在成型的铝合金基体与不锈钢圆管之间添加可陶瓷化耐高温粘接剂进行复合，以3℃/min的速率升温至150℃，保温70分钟，以4℃/min的速率冷却至室温，即制作得到电线电缆用隔爆护套。
制作得到的护套材料厚度为5mm，其抗压强度为921M。单位重量能量吸收量为71MJ/kg-95MJ/kg。护套材料在25℃时的等效热导率为0.0528W/(m·k)-0.0651W/(m·k)，200℃-1000℃的热膨胀系数为2.65×10-6/K。
实施例5：
一种电线电缆用隔爆护套，由铝合金基体材料与不锈钢圆管通过可陶瓷化耐高温粘接剂粘接而成。铝合金基体材料的密度为0.324g/cm3，包括以下重量百分比含量的组分：Fe 0.25％，Cu 0.23％，Mg 1.5％，Si 0.25％，Mn 0.35％，Zn 4.8％，Zr 0.22％，Ti0.05％，其余为铝，杂质≤0.01％。其中，铝合金基体材料中均匀分布独立封闭的球形纳米微孔，微孔直径为28nm，微孔总体积占基体体积的百分比为90％。可陶瓷化耐高温粘接剂的原料包括以下组分及重量份含量：含硼聚硅氮烷66、SiC 20、ZrO2 2.8、过氧化二异丙苯0.28、TiB2 7.28。其中，含硼聚硅氮烷相对分子质量为753；SiC、ZrO2、TiB2平均粒径为分别为0.3μm、0.1μm和2μm。可陶瓷化耐高温粘接剂在800℃粘接强度不变，在1000℃时生成陶瓷层。
电线电缆用隔爆护套的制造方法，采用以下步骤：
步骤一：铝合金熔体制备
按以上配比备料，并进行熔化和调整；
步骤二：铝合金熔体发泡处理
熔体发泡处理：将增黏剂在720℃下高温烘烤，并以100r/min搅拌1h，将铝合金熔体加热至810℃，添加增黏剂、发泡剂，进行纳米微孔发泡处理，其中，增黏剂为颗粒直径11μm的SiC、Al2O3按质量比为1:5混合得到，添加量为铝合金熔体的2.7wt％，发泡剂为颗粒直径65μm的ZrH2，添加量为铝合金熔体的2.1wt％；
步骤三：铝合金基体材料成型
将铝合金熔体保温静置，挤压成型；
步骤四：可陶瓷化耐高温粘接剂制备
按配方备料，混合均匀后经脱气处理，制备得到可陶瓷化耐高温粘接剂；
步骤五：纳米微孔铝合金基体材料与不锈钢管复合
在成型的铝合金基体与不锈钢圆管之间添加可陶瓷化耐高温粘接剂进行复合，以3℃/min的速率升温至150℃，保温70分钟，以4℃/min的速率冷却至室温，即制作得到电线电缆用隔爆护套。
制作得到的护套材料厚度为10mm，其抗压强度为921M。单位重量能量吸收量为71MJ/kg-95MJ/kg。护套材料在25℃时的等效热导率为0.0528W/(m·k)-0.0651W/(m·k)，200℃-1000℃的热膨胀系数为2.65×10-6/K。

Claims (9)

1.一种电线电缆用隔爆护套，其特征在于，该护套由铝合金基体材料与不锈钢圆管通过可陶瓷化耐高温粘接剂粘接而成。
2.根据权利要求1所述的一种电线电缆用隔爆护套，其特征在于，所述的铝合金基体材料包括以下重量百分比含量的组分：Fe 0.19％-0.25％，Cu0.18％-0.23％，Mg 1.2％-1.5％，Si 0.22％-0.25％，Mn 0.28％-0.35％，Zn 4.5％-4.8％，Zr 0.15％-0.22％，Ti0.03％-0.05％，其余为铝，杂质≤0.01％。
3.根据权利要求2所述的一种电线电缆用隔爆护套，其特征在于，所述的铝合金基体材料中均匀分布独立封闭的球形纳米微孔，微孔直径为22nm-28nm，微孔总体积占基体体积的百分比为88％-90％。
4.根据权利要求1所述的一种电线电缆用隔爆护套，其特征在于，所述的铝合金基体材料的密度为0.27g/cm3-0.324g/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种电线电缆用隔爆护套，其特征在于，所述的可陶瓷化耐高温粘接剂的原料包括以下组分及重量份含量：含硼聚硅氮烷56-66、SiC 20-33.6、ZrO21.5-2.8、过氧化二异丙苯0.22-0.28、TiB2 5.28-7.28。
6.根据权利要求5所述的一种电线电缆用隔爆护套，其特征在于，所述的PSNB相对分子质量为725-753；SiC、ZrO2、TiB2平均粒径为分别为0.3μm、0.1μm和2μm。
7.如权利要求1-6中任一项所述的电线电缆用隔爆护套的制造方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
步骤一：铝合金熔体制备
按重量百分比：Fe 0.19％-0.25％，Cu 0.18％-0.23％，Mg 1.2％-1.5％，Si0.22％-0.25％，Mn 0.28％-0.35％，Zn 4.5％-4.8％，Zr 0.15％-0.22％，Ti0.03％-0.05％，其余为Al进行配料、熔化和调整；
步骤二：铝合金熔体发泡处理
熔体发泡处理：将增黏剂在720℃下高温烘烤，并以100r/min搅拌1h，将铝合金熔体加热至810℃，添加增黏剂、发泡剂，进行纳米微孔发泡处理；
步骤三：铝合金基体材料成型
将铝合金熔体保温静置，挤压成型；
步骤四：可陶瓷化耐高温粘接剂制备
按以下配方备料：含硼聚硅氮烷56-66、SiC 20-33.6、ZrO2 1.5-2.8、过氧化二异丙苯0.22-0.28、TiB2 5.28-7.28，混合均匀后经脱气处理，制备得到可陶瓷化耐高温粘接剂；
步骤五：纳米微孔铝合金基体材料与不锈钢管复合
在成型的铝合金基体与不锈钢圆管之间添加可陶瓷化耐高温粘接剂进行复合，以3℃/min的速率升温至150℃，保温70分钟，以4℃/min的速率冷却至室温，即制作得到电线电缆用隔爆护套。
8.根据权利要求7所述的一种电线电缆用隔爆护套的制造方法，其特征在于，所述的增黏剂为颗粒直径7μm-11μm的SiC、Al2O3按质量比为1:5混合得到，添加量为铝合金熔体的2.5wt％-2.7wt％。
9.根据权利要求7所述的一种电线电缆用隔爆护套的制造方法，其特征在于，所述的发泡剂为颗粒直径50μm-65μm的ZrH2，添加量为铝合金熔体的1.8wt％-2.1wt％。
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