聚四氟乙烯繞包絕緣導線研究與應用

(蘇州華旃航天電器有限公司，江蘇蘇州，215129)

1 引言

聚四氟乙烯簡稱PTFE，是由四氟乙烯聚合而成，聚四氟乙烯絕緣導線是在導體外部通過推擠工藝或繞包工藝，將PTFE材料包裹在金屬導體外燒結成型作為絕緣層的一種導線。聚四氟乙烯絕緣導線具有良好的物理性能、電絕緣性能、熱性能、耐化學穩定性，已廣泛應用于航空、航天、兵器、電子等領域。目前，國內僅推擠工藝聚四氟乙烯絕緣導線存在軍用行業標準，繞包工藝聚四氟乙烯絕緣導線沒有統一的軍用標準，執行的均為導線生產廠家制定的企業標準，導線指標存在差異并且不規范，若設計選型不當或后續生產過程中的工藝方法不合理，則有可能在造成使用過程中的質量事故或埋下質量隱患。

本文通過對現有聚四氟乙烯導線標準的對比和分析，結合工程實例，確定了聚四氟乙烯繞包絕緣導線在設計選型和制造過程中需要重點關注的參數指標，為軍用產品線束設計和線束制造工藝制定提供借鑒。

2 名詞解釋

聚四氟乙烯繞包絕緣導線：將聚四氟乙烯薄膜繞包在導體外，再經高溫燒結熔封成型作為絕緣層的導線。

覆蓋率：金屬屏蔽編織層在導線外部覆蓋的百分比。

屏蔽編織角：金屬屏蔽編織絲與導線徑向夾角。

縮線：繞包線在受高溫應力時，繞包絕緣層發生收縮導致導體裸露在繞包層外的現象。

3 導線結構

軍用標準中聚四氟乙烯繞包絕緣導線(以下簡稱繞包線)的代號為“F42”，工程應用中多以國內導線廠家企標命名的導線代號進行選型和配套,導線代號為“AFR”。繞包線以普通線(見圖1a)、屏蔽線(見圖1b)兩種結構使用最為廣泛。圖1 中“1”為導體，“2”為聚四氟乙烯繞包絕緣層，“3”為編織屏蔽層。繞包線結構中的三個部分材料或指標的差異均會對后續制造工藝和使用產生較大影響，掌握導線的各項重要指標和適用環境，對于選擇合適的導線和工藝處理方法顯得尤為重要。

圖1 聚四氟乙烯繞包絕緣導線結構圖

4 導體

導線導體作為傳遞信號的最主要載體，導體材料是繞包線選擇的一項最重要指標。金屬導電率排列中，銀是導電率最優的金屬，其次是銅和鋁，但銀的價格昂貴，鋁的強度低，導體材料一般優選銅作為基材，銀材和鋁材導體只用在特殊場合。由于金屬銅在空氣中的易氧化性，當銅暴露在空氣中時易被氧化形成一層膜，主要成分是堿式碳酸銅CU2(OH)2CO3，俗稱銅綠，銅綠的導電性能很差，會對后續產品的電性能產品較大影響。通常在銅材的表面增加鍍層的方式，通過鍍層金屬的穩定性，不僅可以防止銅材發生氧化產生銅綠，還可以改善導線的導電性，增加導線散熱性、耐腐蝕性和高溫抗氧化能力。導體材料性能和鍍層情況見表1所示。

表1 導體材料性能對比表

工程中，導線需要連接系統中的元器件或印制線路后才能進行信號傳輸，焊接工藝和壓接工藝是最為常用的兩種連接工藝，無論是焊接還是壓接工藝均對導體性能有較高的要求：

a)采用焊接工藝時，鍍鎳銅芯導線可焊性較差，裸銅芯導線易氧化等特性，容易造成虛焊，一般優選鍍銀銅芯導線和鍍錫銅芯導線。在傳輸高頻信號時，由于信號傳輸的趨膚效應，選用鍍銀銅芯導線可獲得較好的傳輸性能；

b)采用壓接工藝時，用于壓接的導線導體應為多股絞合線，單股線不適用于壓接工藝，且導體材料的硬度應和壓接筒材料硬度相近。壓接工藝需要嚴格控制壓接點的壓接電阻，鍍鎳銅芯導線導體表面電阻大，裸銅芯導體和鍍錫銅芯導體易氧化形成氧化膜增大表面電阻，導致壓接電阻增大，均不適用于壓接工藝，鍍銀銅芯導體因其良好的電導率和穩定性，是壓接工藝首選的導線；

c)選用鍍銀銅芯線時，需采用柔軟環保無鹵的材料對裸露在外的鍍銀層進行防護，讓其完全包覆導線表層，以達到隔絕空氣的目的，避免空氣硫元素和濕氣引起鍍銀層變色。

5 編織屏蔽

導線作為連接電氣設備、傳輸電能或數據的重要載體，通常具有較長的物理尺寸，不但容易受到外界干擾源的電磁干擾，也可能作為干擾源向外發射干擾信號。因此，對電纜本身進行電磁屏蔽防護有助于減小電磁干擾，從而達到保護系統正常運行的目的。通常是在聚四氟乙烯繞包層外采用編織工藝，將鍍銀或鍍錫圓銅絲編織覆蓋在絕緣層外，形成金屬網狀結構，實現對導線內部傳輸信號的電磁防護，并要求圓銅絲編織密度不小于85%，除外徑大于7.9mm的導體外，編織角應大于等于50°，小于等于72°。在工程實施中，為了保證編織角α測量的精確性，需要先測量圓銅絲與導線軸向的夾角X(見圖2)，然后采用公式(1)進行換算。

圖2 夾角X示意圖

(1)

在編織錠數的一半m，每錠中圓銅線根數n，圓銅線直徑d，編織節距h，導體外徑D等編織參數不變的情況下，根據公式(2)、(3)，當編織角越大時，屏蔽編織密度越小，屏蔽編織層與聚四氟乙烯繞包層的貼合就越松，屏蔽層的松散容易造成在后續使用過程中屏蔽層的堆積和斷裂。堆積或斷裂的屏蔽層均會對屏蔽效果產生影響，降低屏蔽效能；當編織角越小時，屏蔽編織密度越大，屏蔽編織層與聚四氟乙烯繞包層貼合越緊密，相應物料成本也會增加。通過調整屏蔽編織角等參數，降低屏蔽編織密度也成為導線廠家降成本的一項主要措施，但也極大影響了導線的屏蔽效能。

(2)

(3)

圖3 屏蔽絲不規則示意圖

圖4 熱縮管防護示意圖

導線選型時，需要在保證屏蔽編織密度不小于85%的情況下，根據不同的使用環境選擇不同的編織角。屏蔽編織緊密的屏蔽線只適用于要求將屏蔽層端頭處理在膠體內部的情況，但屏蔽端頭編織絲的不規則性，容易造成短路或耐壓擊穿圖3。更多的情況是需要將屏蔽層的端頭進行沖胖處理，在屏蔽層內部和外部采用熱縮管進行防護，防止屏蔽絲散亂不規則情況，如圖4所示。結合(2)、公式(3)和大量的工程應用，電纜組件選型過程中聚四氟乙烯屏蔽導線可按表2選擇編織角，既充分考慮屏蔽編織密度的要求，又可在屏蔽層端頭內部穿套熱縮管進行防護，防止不規則的屏蔽絲扎傷導線或產生放電。

表2 屏蔽編織角與編制密度優選表

6 聚四氟乙烯繞包絕緣層

聚四氟乙烯繞包絕緣層是將聚四氟乙烯材料制棒，經車削壓延成半定向薄膜，然后繞包在導體外再燒結熔封形成的絕緣層。繞包層搭蓋率和縮線量是影響導線絕緣性能的兩個重要指標。采用單層繞包工藝時，搭蓋率不小于67%，采用多層繞包工藝時搭蓋率不小于20%，且要求相鄰層方向應相反，繞包層應無層間分離現象。縮線量應不大于表3。繞包線使用前應施加溫度應力，縮線量不滿足表3要求的，可進行二次施加溫度應力，但需增加施加時間，若還不滿足，可判定導線為不合格品，不得使用。

表3 縮線量參數表

7 結語

聚四氟乙烯繞包絕緣導線廣泛應用于航天、航空、兵器、電子等領域武器型號中，由于缺失統一的軍用行業標準，導線生產廠家通常根據自身的工藝水平和生產情況對導線指標進行了調整，導致行業內部聚四氟乙烯繞包絕緣導線各廠家間指標均存在差異。電纜組件設計人員和工藝人員需要充分掌握和確定繞包線的各項重要指標，才能在電纜組件設計過程中和工藝制定過程中選擇到符合電纜組件性能要求的導線并采取正確的工藝方法，避免由于繞包線選型錯誤或工藝方法不當導致的質量隱患或質量事故。