新型聚酰亞胺復(fù)合材料無(wú)縫繞包電線磨損耐受性分析

付 磊，孫 穎

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽(yáng)110035;2.中國(guó)人民解放軍駐沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司 軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng)110034)

0 引言

航空電線是飛機(jī)布線系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，對(duì)飛機(jī)電氣系統(tǒng)的安全性、可靠性有著重要的影響。電線絕緣層的損壞會(huì)使得銅導(dǎo)體線芯暴露，進(jìn)而引起電弧、短路以及電磁輻射與干擾等問(wèn)題，造成飛機(jī)布線系統(tǒng)故障。根據(jù)美國(guó)海軍安全中心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在導(dǎo)致飛機(jī)布線系統(tǒng)故障的原因中，電線絕緣層擦傷約占全部故障的1/4。

1 四種航空電線的簡(jiǎn)介

聚酰亞胺是一種具有高介電強(qiáng)度和極高韌性的有機(jī)絕緣材料，在上世紀(jì)60年代被用于航空電線研制生產(chǎn)中。典型的絕緣材料結(jié)構(gòu)是聚酰亞胺/氟46(FEP)復(fù)合材料，并且形成了MIL-W-81381電線標(biāo)準(zhǔn)，一度被航空系統(tǒng)所廣泛采用。但在上世紀(jì)80年代后期，電氣工程師發(fā)現(xiàn)MIL-W-81381電線如處于潮濕環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致聚酰亞胺的長(zhǎng)聚合物鏈斷裂及絕緣層變脆、產(chǎn)生裂紋，發(fā)生水解現(xiàn)象，絕緣層機(jī)械性能及電絕緣性能下降。此后，航空系統(tǒng)開(kāi)始較少使用MIL-W-81381電線。

1978年美國(guó)防部頒布了MIL-W-22759/32-46(AS 22759/32-46)輻照交聯(lián)氟40(XETFE)航空電線標(biāo)準(zhǔn)，該電線各方面性能平衡，但在高溫下耐磨性能會(huì)下降。

1994年美國(guó)防部頒布了MIL-W-22759/80-92(AS 22759/80-92)聚酰亞胺復(fù)合材料繞包電線，其絕緣材料結(jié)構(gòu)是聚四氟乙烯/聚酰亞胺/聚四氟乙烯(PTFE/PI/PTFE)復(fù)合帶和聚四氟乙烯生料帶組合絕緣，增加了強(qiáng)制水解試驗(yàn)要求，但在海軍飛機(jī)中限制使用。

SAE于2010年頒布了最新的AS 22759/180-192聚酰亞胺復(fù)合材料無(wú)縫繞包電線標(biāo)準(zhǔn)，該電線是應(yīng)美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部和美國(guó)空軍的要求，在AS 22759/80-92電線標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上研制，增加了光滑外表面的要求，代表著航空電線新的技術(shù)發(fā)展方向。

本文將對(duì)新型聚酰亞胺復(fù)合材料無(wú)縫繞包電線及輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線的耐機(jī)械磨損性能進(jìn)行對(duì)比分析。

2 耐刮試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

(1)聚酰亞胺復(fù)合材料無(wú)縫繞包電線樣品。試驗(yàn)選取了符合AS 22759/187標(biāo)準(zhǔn)要求的Nexans公司生產(chǎn)的22AWG電線(HN2N22-9)，長(zhǎng)度為45 in(1 in=25.4 mm)，3個(gè)試驗(yàn)樣品。

(2)輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線樣品。試驗(yàn)選取了TE公司(原Raychem公司)生產(chǎn)的輻照交聯(lián)氟40(XETFE)22AWG電線(55PC0111-22)，長(zhǎng)度為45 in，3個(gè)試驗(yàn)樣品。

2.2 試驗(yàn)描述

(1)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

按照AS 22759/187電線標(biāo)準(zhǔn)要求，需按照SAE AS 4373/301完成電線耐刮試驗(yàn)，該試驗(yàn)方法用于評(píng)估絕緣電線在不同溫度下的磨損耐受性能。

(2)試驗(yàn)設(shè)備

磨損耐久性試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)設(shè)計(jì)為可以在水平位置穩(wěn)定地夾住樣品，將樣品縱向表面完全露出來(lái)。探針縱軸和樣品應(yīng)成正確的角度且探針磨損緣設(shè)置為90°底座，底座有半圓筒狀凹槽來(lái)配合探針。附加到探針上方夾具上的重量為(1.10±0.01)lb［1 lb=0.454 kg］，應(yīng)控制為垂直于電線絕緣表面。應(yīng)使用電驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置和計(jì)數(shù)器以得到準(zhǔn)確的平行于樣品軸向的摩擦沖程數(shù)。探針摩擦表面接觸到電線線芯導(dǎo)體后系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)停止。沖程長(zhǎng)度應(yīng)為0.40 in±0.05 in(10 mm±1 mm)，沖程頻率應(yīng)為每分鐘110沖程(55循環(huán)±10)。一個(gè)向前沖程和一個(gè)向后沖程組成一個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)臺(tái)還應(yīng)在樣品周圍設(shè)置圍欄，以在高溫試驗(yàn)中調(diào)節(jié)試驗(yàn)環(huán)境溫度。試驗(yàn)臺(tái)和探針見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 磨損耐久性試驗(yàn)臺(tái)

(3)試驗(yàn)過(guò)程

將試驗(yàn)樣品的一端絕緣層剝離并將電線線芯連接到電路探測(cè)設(shè)備，將周圍溫度調(diào)至23℃±2℃，開(kāi)始試驗(yàn)并持續(xù)至在絕緣電線導(dǎo)體和摩擦探針之間電氣導(dǎo)通，記錄穿透絕緣層所需的循環(huán)數(shù)。每個(gè)樣品進(jìn)行10次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)移動(dòng)4 in±0.4 in(100 mm±10 mm)并且以同樣的方向每次旋轉(zhuǎn)90°。每個(gè)樣品進(jìn)行3次試驗(yàn)。

圖2 摩擦探針

在試驗(yàn)臺(tái)附近圍欄施加熱源并使用熱電偶測(cè)量，使試驗(yàn)溫度分別保持70℃±2℃、150℃±2℃、200℃±2℃、260℃±2℃。熱電偶應(yīng)置于電線磨損位置1 in內(nèi)。開(kāi)始試驗(yàn)前允許圍欄以規(guī)定的溫度穩(wěn)定5 min，穩(wěn)定后，開(kāi)始試驗(yàn)并持續(xù)至在絕緣電線導(dǎo)體和摩擦探針之間電氣導(dǎo)通。記錄穿透絕緣層所需的循環(huán)次數(shù)。每個(gè)樣品在規(guī)定的溫度下進(jìn)行3次試驗(yàn)。

2.3 耐刮試驗(yàn)結(jié)果

AS 22759/187電線耐刮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 AS 22759/187電線耐刮試驗(yàn)結(jié)果 (單位:次)

表2 輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線耐刮試驗(yàn)結(jié)果(單位:次)

試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，AS 22759/187電線具有良好的耐磨損性能，并且150℃、200℃下的試驗(yàn)數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于70℃、23℃下的試驗(yàn)數(shù)值，表現(xiàn)出了聚酰亞胺材料所特有的一定高溫范圍內(nèi)隨溫度升高磨損耐受性能不降返升的特性;而輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線絕緣層的耐磨損性能隨著環(huán)境溫度的提高呈嚴(yán)重下降趨勢(shì)，在高溫環(huán)境下耐磨損性能較低。值得注意的是所選用的輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線樣本為單層絕緣電線，如選用雙層絕緣電線，我們有理由相信試驗(yàn)數(shù)值會(huì)有所提高，但總體而言較AS 22759/187電線仍有明顯的差距。

3 動(dòng)態(tài)切割試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)樣品

(1)聚酰亞胺復(fù)合材料無(wú)縫繞包電線樣品。試驗(yàn)選取了符合AS 22759/187標(biāo)準(zhǔn)要求的Nexans公司生產(chǎn)的20AWG電線(HN2N20-9)，長(zhǎng)度為36 in，3個(gè)試驗(yàn)樣品。

(2)輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線樣品。選取了Nexans公司生產(chǎn)的輻照交聯(lián)氟40(XETFE)20AWG電線(CM3N20-9)，長(zhǎng)36in，3個(gè)試驗(yàn)樣品。

3.2 試驗(yàn)描述

(1)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

按照AS 22759/187電線標(biāo)準(zhǔn)要求，需按照SAE AS 4373/703完成動(dòng)態(tài)切割試驗(yàn)，該試驗(yàn)方法用于衡量電線絕緣材料表面抗切削的能力，可在不同溫度下進(jìn)行。

(2)試驗(yàn)設(shè)備

使用一臺(tái)處于壓縮模式的拉伸測(cè)試儀;一臺(tái)記錄鎢碳合金刀片切透電線絕緣層所需載荷的記錄儀，鎢碳合金刀片見(jiàn)圖3;一套設(shè)計(jì)用于當(dāng)鎢碳合金刀片切透電線絕緣層并且接觸到線芯導(dǎo)體時(shí)停止測(cè)試設(shè)備繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的監(jiān)控電路;樣品支座應(yīng)是使樣品與切割刀片呈90°的一個(gè)金屬平面;試驗(yàn)臺(tái)還應(yīng)在樣品周圍設(shè)置圍欄以在高溫試驗(yàn)中調(diào)節(jié)試驗(yàn)環(huán)境溫度。

圖3 鎢碳合金刀片

(3)試驗(yàn)過(guò)程

將試驗(yàn)樣品的一端絕緣層剝離1 in，并將電線線芯連接到監(jiān)測(cè)電路上，當(dāng)?shù)镀型鸽娋€絕緣層并且接觸到線芯導(dǎo)體時(shí)停止切割動(dòng)作。將周圍溫度調(diào)至23℃±2℃開(kāi)始試驗(yàn)。以0.5 in/min的恒定速度移動(dòng)刀片通過(guò)電線絕緣層，直到接觸到線芯導(dǎo)體。在每個(gè)樣品上進(jìn)行4次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)移動(dòng)至少1 in，并且同方向上旋轉(zhuǎn)90°。切透所需的載荷為4次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

在試驗(yàn)臺(tái)附近圍欄施加熱源并使用熱電偶測(cè)量，使試驗(yàn)溫度分別保持150℃±2℃、200℃±2℃、260℃±2℃，按上述要求重復(fù)試驗(yàn)。每個(gè)樣品在規(guī)定的溫度下進(jìn)行3次試驗(yàn)。

3.3 動(dòng)態(tài)切割試驗(yàn)結(jié)果

AS 22759/187電線動(dòng)態(tài)切割試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3～表6。

表3 23℃動(dòng)態(tài)切割試驗(yàn)結(jié)果 (單位:lb)

表4 150℃動(dòng)態(tài)切割試驗(yàn)結(jié)果 (單位:lb)

表5 200℃動(dòng)態(tài)切割試驗(yàn)結(jié)果 (單位:lb)

表6 260℃動(dòng)態(tài)切割試驗(yàn)結(jié)果 (單位:lb)

輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線耐切割試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7～表8。

表7 23℃動(dòng)態(tài)切割試驗(yàn)結(jié)果 (單位:lb)

表8 150℃動(dòng)態(tài)切割試驗(yàn)結(jié)果 (單位:lb)

試驗(yàn)結(jié)果表明，AS 22759/187電線具有良好的抗切削性能，各溫度下的試驗(yàn)數(shù)值均明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求;而輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線在23℃下表現(xiàn)出了良好的抗切削性能，但在150℃溫度下電線絕緣層的抗切削能力已呈現(xiàn)嚴(yán)重下降趨勢(shì)，試驗(yàn)數(shù)值較低，故此未進(jìn)行200℃、260℃溫度下的試驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線在高溫環(huán)境下耐磨損性能較低，故此為保證飛機(jī)電氣系統(tǒng)工作的可靠性與安全性，飛機(jī)線束通常會(huì)選擇在電線外增加膠布套管等保護(hù)材料，這增加了飛機(jī)的重量;而新型聚酰亞胺復(fù)合材料無(wú)縫繞包電線不論常溫、高溫環(huán)境下都表現(xiàn)出了良好的磨損耐受性能，這大大提高了飛機(jī)布線系統(tǒng)的安全性和可靠性，并且可以取消電線外部的線束保護(hù)材料，減輕了飛機(jī)重量。