CN107785102A - 一种稳相电缆及其电缆芯和制造方法 - Google Patents

一种稳相电缆及其电缆芯和制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种稳相电缆及其电缆芯和制造方法，所述稳相电缆包括电缆芯(1)，套设在电缆芯(1)外部的绝缘层(2)，编织包裹在绝缘层(2)外部的导电编织层(3)，通过热镀锡包裹在导电编织层(3)外部的锡层(4)，套设在锡层(4)外部的护套(5)；电缆芯(1)由包覆复合导体芯(6)以及镀附在包覆复合导体芯(6)外部的镀银层(7)组成。本发明的稳相电缆及其电缆芯的机械相位稳定性优越，实用性强。

Description

一种稳相电缆及其电缆芯和制造方法
技术领域
本发明涉及电缆领域，尤其涉及一种稳相电缆及其电缆芯和制造方法。
背景技术
稳相电缆不仅要具有温度范围宽、使用频率高、衰减低、驻波系数小、以及屏蔽性能好等一般半柔电缆的优异性能，同时还要具备优良的相位稳定性。因此在火箭、卫星、通信、导航、电子对抗、测控设备等使用射频信号的传输系统中得到了越来越广泛的应用。然而，现有稳相电缆的电缆芯中，铜的比重较大，这导致稳相电缆重量大，成本高。同时，随着4G、5G移动通信的应用，对传输信号精度要求的提高，现有稳相电缆的机械相位稳定性已不满足现有需要。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出了一种稳相电缆及其电缆芯和制造方法。
本发明所提出的技术方案如下：
本发明提出了一种稳相电缆，包括电缆芯，套设在电缆芯外部的绝缘层，编织包裹在绝缘层外部的导电编织层，通过热镀锡包裹在导电编织层外部的锡层，套设在锡层外部的护套；电缆芯由包覆复合导体芯以及镀附在包覆复合导体芯外部的镀银层组成。
本发明上述的稳相电缆中，镀银层厚度为1.2μm-2μm。
本发明上述的稳相电缆中，包覆复合导体芯直径为0.5mm-3mm。
本发明上述的稳相电缆中，包覆复合导体芯为挤压包覆铜层复合铜芯、挤压包覆铜层复合铝芯或者挤压包覆铜层复合钢芯。
本发明还提出了一种电缆芯，由包覆复合导体芯以及镀附在包覆复合导体芯外部的镀银层组成；镀银层厚度为1.2μm-2μm。
本发明上述的电缆芯中，包覆复合导体芯为挤压包覆铜层复合铜芯、挤压包覆铜层复合铝芯或者挤压包覆铜层复合钢芯。
本发明还提出了一种稳相电缆的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1、将铜带包覆环绕在铝芯外形成管状铜层，管状铜层与铝芯之间留有0.1mm-1mm的间隙；再对管状铜层在包覆环绕时所形成的缝隙进行焊接，形成铜包覆铝芯线；然后，将铜包覆铝芯线进行30％-90％减面率的拉拔，再通过减径模具减径，得到挤压包覆铜层复合铝芯；
步骤S2、在挤压包覆铜层复合铝芯的外部镀附形成镀银层；将聚四氟乙烯与助挤油混合成糊状包覆料，然后利用柱塞挤出成型法在150℃-200℃下将糊状包覆料包覆在镀银层上，从而制成预制电缆芯线；接着将预制电缆芯线在300℃-400℃下热处理2min-3min，以使糊状包覆料烧结形成绝缘层；
步骤S3、在绝缘层外部编织形成导电编织层；然后通过热镀锡在导电编织层外部形成锡层；
步骤S4、将护套料在100℃-400℃下熔融，然后，将熔融的护套料挤出包覆在锡层上形成护套。
本发明上述的稳相电缆的制造方法中，在步骤S3中，采用高速编织机将镀锡铜丝包覆在绝缘层上，从而形成导电编织层，其中，编织密度在99％以上。
本发明上述的稳相电缆的制造方法中，在步骤S3中，在250℃-320℃对导电编织层外部进行热镀锡，再经过急冷至室温，从而形成锡层。
本发明的稳相电缆及其电缆芯和制造方法一方面采用热镀锡的方式实现对导电编织层的包覆，使部分锡渗透到导电编织层的内层，从而实现对导电编织层间空隙的填补，将绝缘层外部的空气充分排除，另一方面，通过确保挤压包覆铜层和铝芯之间的过渡层晶粒的细化，确保绝缘层内部不会因电缆芯的机械变形而产生空隙。本发明的稳相电缆及其电缆芯的机械相位稳定性优越，实用性强。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1示出了本发明实施例的稳相电缆的结构示意图；
图2示出了图1所示的稳相电缆的电缆芯的结构示意图；
图3示出了一种通过外界压力挤压而形成的铜复合铝芯的过渡层的SEM图；
图4示出了本发明实施例的挤压包覆铜层复合铝芯的过渡层的SEM图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出了一种稳相电缆，包括电缆芯1，套设在电缆芯1外部的绝缘层2，编织包裹在绝缘层2外部的导电编织层3，通过热镀锡包裹在导电编织层3外部的锡层4，套设在锡层4外部的护套5；如图2所示，电缆芯1由包覆复合导体芯6以及镀附在包覆复合导体芯6外部的镀银层7组成。
根据导体的“趋附效应”原理，在高频下，交流电几乎只在导体表面流通，因此只要导体承受集肤效应的表层厚度达到交流电穿透的深度，即可满足导电要求。依据非磁性材料的导电层厚度计算公式，有：
其中，δ表示导电层厚度；
σ表示导电层材料的电导率；
f表示交流电的频率；
根据计算式(1)，在4G信号条件下，交流电的频率取2620MHz(4G的上行频率)，对于电缆芯1，其镀银层7材料银的电导率为63MS/m；于是，镀银层7厚度至少大于1.2μm；同时，考虑稳相电缆性价比问题，镀银层7厚度为1.2μm-2μm。优选地，包覆复合导体芯6直径为0.5mm-3mm。
进一步地，包覆复合导体芯6为挤压包覆铜层复合铜芯、挤压包覆铜层复合铝芯或者挤压包覆铜层复合钢芯。下面以挤压包覆铜层复合铝芯为例，详细描述采用包覆复合导体芯6的优越性。
由于移动通信的传输频率为100MHz以上，根据计算式(1)可以得到，在100MHz的交流电的传输过程中，挤压包覆铜层厚度至少为6.6μm，同时，考虑到电缆芯1的直径一般大于0.5mm，在本实施例的挤压包覆铜层复合铝芯中，挤压包覆铜层厚度与铝芯半径之比为0.049-0.14。在此情况下，电缆芯的成本降低50％以上，这对于稳相电缆的减重和成本降低提供了很大的帮助。同时，根据本实施例的挤压包覆铜层复合铝芯的设计，挤压包覆铜层的厚度远远超出移动通信传输频率要求的最小厚度，另外，根据研究，当频率超过5MHz时，交流电阻衰减在两种不同导体中没有明显区别，因此在100MHz以上的高频传输过程中，信号在纯铜电缆芯中的损耗与在挤压包覆铜层复合铝芯电缆芯中损耗基本一致。
挤压包覆铜层和铝芯之间的过渡层对挤压包覆铜层复合铝芯的性能至关重要，一方面，过渡层是挤压包覆铜层和铝芯之间结合牢固的保证，另一方面，过渡层又是挤压包覆铜层复合铝芯弯曲脆裂的诱因。只有当过渡层足够厚，才能保证内金属层牢牢的结合在一起，但是，对于通过常规外界压力挤压而形成的铜复合铝芯来说，其过渡层晶粒粗大且结构松散，如图3所示，极易在外界应力作用下发生脆裂，过渡层越厚，越容易弯曲开裂，这种铜复合铝芯的过渡层也被称为“脆性层”。而在本实施例中，对常规挤压包覆的复合工艺做了改变，采用“等温包覆”工艺制成挤压包覆铜层复合铝芯；具体地，其将挤压包覆铜层和铝芯之间的过渡层的厚度控制在2～5μm，并且细化晶粒，如图4所示，形成紧密的铜铝过渡层，不仅使得挤压包覆铜层和铝芯可以牢固粘合在一起，而且增强挤压包覆铜层复合铝芯的弯曲柔软性，从而提供稳相电缆的机械相位稳定性。同时，正是因为本实施例提供的高性能包覆复合导体芯6具有更好的柔软性，在电缆生产，特别是大尺寸电缆的生产过程中，更容易被校直，而通信电缆内传输的信号对导体表面的缺陷极其敏感，使用本专利导体生产的电缆，其回波损耗指标相对会更好。
进一步地，对于本实施例的稳相电缆，根据电磁场理论，通信电缆中所有传输的能量都沿电缆轴向以横向电磁波形式传输，相位是指相对于电磁波，特定时刻在这个波循环中的位置，通常以度(°)作为单位。而在通信传输中，一般在特定的电缆长度来确定相位，通过比较多个同一长度电缆的相位值来描述电缆的相位稳定性。相位的公式为：
P＝L/(VF×λ/360) (2)
其中，P表示电缆的相位值；
L表示电缆的物理长度；
VF表示电缆的传输速率；
λ表示电缆特定频率下的波长；
进一步地，有：
e表示稳相电缆电缆芯和由导电编织层3与锡层4构成的外部导体层之间物质的介电常数，一般地，有：
ε＝xε绝缘+yε空气
其中，ε表示稳相电缆电缆芯和由导电编织层3与锡层4构成的外部导体层之间物质的介电常数；
ε绝缘表示稳相电缆的绝缘层2的介电常数；
ε空气表示空气的介电常数；
x表示在稳相电缆电缆芯和由导电编织层3与锡层4构成的外部导体层之间物质中，绝缘层2所占体积含量；
y表示在稳相电缆电缆芯和由导电编织层3与锡层4构成的外部导体层之间物质中，空气所占体积含量；
可以看出，稳相电缆的相位稳定性完全由电缆芯和由导电编织层3与锡层4构成的外部导体层之间绝缘层和空气的介电常数综合决定。
对于本实施例的稳相电缆，其绝缘层的介电常数通过控制材料的烧结工艺，可以确保稳定；这样，只需保证在稳相电缆电缆芯和由导电编织层3与锡层4构成的外部导体层之间的空气含量稳定即可。而对于在稳相电缆电缆芯和由导电编织层3与锡层4构成的外部导体层之间的空气，在本实施例中，一方面采用热镀锡的方式实现对导电编织层3的包覆(在实际生产过程中，采用了连续多次热镀锡的工艺实现对导电编织层3的完全包覆)，使部分锡渗透到导电编织层3的内层，从而实现对导电编织层3间空隙的填补，将绝缘层外部的空气充分排除，另一方面，通过确保挤压包覆铜层和铝芯之间的过渡层晶粒的细化，确保绝缘层内部不会因电缆芯的机械变形而产生空隙。这样，本实施例的稳相电缆的机械相位稳定性就确保了。
申请人还对包覆复合导体芯6采用挤压包覆铜层复合铝芯的稳相电缆(记为样品1)和电缆芯采用镀银纯铜芯的稳相电缆(记为样品2)的性能进行了测试，如下表1所示。
表1
进一步地，申请人结合包覆复合导体芯6的生产工艺对稳相电缆的制造方法进行了改良，提出了一种稳相电缆的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1、将铜带包覆环绕在铝芯外形成管状铜层，管状铜层与铝芯之间留有0.1mm-1mm的间隙；再对管状铜层在包覆环绕时所形成的缝隙进行焊接，形成铜包覆铝芯线；然后，将铜包覆铝芯线进行30％-90％减面率的拉拔，再通过减径模具减径，得到挤压包覆铜层复合铝芯；
步骤S2、在挤压包覆铜层复合铝芯的外部镀附形成镀银层7；将聚四氟乙烯与助挤油混合成糊状包覆料，然后利用柱塞挤出成型法在150℃-200℃下将糊状包覆料包覆在镀银层7上，从而制成预制电缆芯线；接着将预制电缆芯线在300℃-400℃下热处理2min-3min，以使糊状包覆料烧结形成绝缘层2；在本步骤中，在形成预制电缆芯线的过程中，通过150℃-200℃可以在挤压包覆铜层复合铝芯的铜铝之间形成1μm-5μm过渡层(主要是CuAl2)；在形成绝缘层2的过程中，通过300℃-400℃下热处理2min-3min，能够使过渡层的厚度限定在5μm-10μm。在这里，过渡层的厚度不能太厚，也不能太薄。若过渡层的厚度太厚，会增大包覆复合导体芯6的脆性，给稳相电缆造成一定的脆裂危险，还会在稳相电缆弯曲过程中导致包覆复合导体芯6表面变形；而稳相电缆内的传输信号对电缆芯表面的缺陷极其敏感，包覆复合导体芯6表面变形会给稳相电缆驻波，衰减等性能带来不良影响，同时还影响稳相电缆机械相位的稳定性。
步骤S3、在绝缘层2外部编织形成导电编织层3；然后通过热镀锡在导电编织层3外部形成锡层4；在本步骤中，采用高速编织机将镀锡铜丝包覆在绝缘层2上，从而形成导电编织层3，其中，编织密度在99％以上；同时，锡层4的形成过程中采用了急冷步骤，具体来说，在250℃-320℃对导电编织层3外部进行热镀锡，再经过急冷至室温，从而形成锡层4。在这里，通过急冷步骤，一方面可以使锡层4晶粒细化，提高锡层的延展性，减少电缆弯曲时带来的外导体变形；另一方面减少热镀锡过程的热量对包覆复合导体芯6过渡层厚度的不良影响。
步骤S4、将护套料在100℃-400℃下熔融，然后，将熔融的护套料挤出包覆在锡层4上形成护套5。
申请人对采用上述制造方法所制造的稳相电缆(记为样品3)和样品2在20次弯曲后的性能进行了测试，如下表2所示。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种稳相电缆，其特征在于，包括电缆芯(1)，套设在电缆芯(1)外部的绝缘层(2)，编织包裹在绝缘层(2)外部的导电编织层(3)，通过热镀锡包裹在导电编织层(3)外部的锡层(4)，套设在锡层(4)外部的护套(5)；电缆芯(1)由包覆复合导体芯(6)以及镀附在包覆复合导体芯(6)外部的镀银层(7)组成。
2.根据权利要求1所述的稳相电缆，其特征在于，镀银层(7)厚度为1.2μm-2μm。
3.根据权利要求1所述的稳相电缆，其特征在于，包覆复合导体芯(6)直径为0.5mm-3mm。
4.根据权利要求1所述的稳相电缆，其特征在于，包覆复合导体芯(6)为挤压包覆铜层复合铜芯、挤压包覆铜层复合铝芯或者挤压包覆铜层复合钢芯。
5.一种电缆芯，其特征在于，由包覆复合导体芯(6)以及镀附在包覆复合导体芯(6)外部的镀银层(7)组成；镀银层(7)厚度为1.2μm-2μm。
6.根据权利要求5所述的电缆芯，其特征在于，包覆复合导体芯(6)为挤压包覆铜层复合铜芯、挤压包覆铜层复合铝芯或者挤压包覆铜层复合钢芯。
7.一种稳相电缆的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将铜带包覆环绕在铝芯外形成管状铜层，管状铜层与铝芯之间留有0.1mm-1mm的间隙；再对管状铜层在包覆环绕时所形成的缝隙进行焊接，形成铜包覆铝芯线；然后，将铜包覆铝芯线进行30％-90％减面率的拉拔，再通过减径模具减径，得到挤压包覆铜层复合铝芯；
步骤S2、在挤压包覆铜层复合铝芯的外部镀附形成镀银层(7)；将聚四氟乙烯与助挤油混合成糊状包覆料，然后利用柱塞挤出成型法在150℃-200℃下将糊状包覆料包覆在镀银层(7)上，从而制成预制电缆芯线；接着将预制电缆芯线在300℃-400℃下热处理2min-3min，以使糊状包覆料烧结形成绝缘层(2)；
步骤S3、在绝缘层(2)外部编织形成导电编织层(3)；然后通过热镀锡在导电编织层(3)外部形成锡层(4)；
步骤S4、将护套料在100℃-400℃下熔融，然后，将熔融的护套料挤出包覆在锡层(4)上形成护套(5)。
8.根据权利要求7所述的稳相电缆的制造方法，其特征在于，在步骤S3中，采用高速编织机将镀锡铜丝包覆在绝缘层(2)上，从而形成导电编织层(3)，其中，编织密度在99％以上。
9.根据权利要求7所述的稳相电缆的制造方法，其特征在于，在步骤S3中，在250℃-320℃对导电编织层(3)外部进行热镀锡，再经过急冷至室温，从而形成锡层(4)。
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