車(chē)用以太網(wǎng)導(dǎo)線的研制

肖 鳳 ，陳嶺峰 ，林橋水 ，張曉略 ，韓志東 ，王永亮

（1.泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201208；2.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

隨著車(chē)載互聯(lián)及智能化的發(fā)展，出現(xiàn)了更多的數(shù)據(jù)傳輸和交互，以往的LIN/CAN/MOST通信等無(wú)法滿足需求，而車(chē)載以太網(wǎng)，一種用以太網(wǎng)連接車(chē)內(nèi)電子單元的局域網(wǎng)技術(shù)，能夠滿足汽車(chē)制造商對(duì)車(chē)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的需求，適應(yīng)汽車(chē)網(wǎng)聯(lián)化等所需要的帶寬。以太網(wǎng)經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷程，是現(xiàn)今局域網(wǎng)中最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)車(chē)用以太網(wǎng)能夠?yàn)榛ヂ?lián)、信息娛樂(lè)和安全領(lǐng)域中的新應(yīng)用提供所需的帶寬，將不同網(wǎng)絡(luò)島嶼連接起來(lái)，提供更強(qiáng)的兼容性和抗干擾性。至2025年，80%的汽車(chē)將使用車(chē)用以太網(wǎng)技術(shù)。

2011年博通推出了BroadR-Reach單對(duì)線車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)，利用單對(duì)非屏蔽雙絞線 （UTP） 和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)PHY組件（Port Physical Layer） 組成車(chē)內(nèi)以太網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)100 Mb/s速率全雙工數(shù)據(jù)傳輸，此互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)除可傳輸數(shù)據(jù)外，還支持POE功能 （Power over Ethernet），即雙絞線在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)還可以為連接終端供電，省去了終端外接電源，降低了供電的復(fù)雜度。

以太網(wǎng)導(dǎo)線常用的為非屏蔽雙絞線 （UTP）、屏蔽雙絞線 （STP） 及屏蔽平行線 （SPP），非屏蔽雙絞線易安裝、成本低。本文是通過(guò)對(duì)非屏蔽雙絞線絕緣材料的制備獲得滿足性能要求的以太網(wǎng)導(dǎo)線。

車(chē)載以太網(wǎng)導(dǎo)線制造的關(guān)鍵在于保持導(dǎo)線在宏觀和微觀結(jié)構(gòu)尺寸的精確和極小的偏差。同時(shí)，為了滿足傳輸和EMC的要求，絕緣材料應(yīng)符合設(shè)計(jì)的介電性能要求，并滿足阻燃、機(jī)械、加工、溫度等級(jí)的需求。為此，需從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決其材料相容性、阻燃性、介電性能的可控性等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)車(chē)載以太網(wǎng)導(dǎo)線用絕緣材料，滿足車(chē)載以太網(wǎng)導(dǎo)線對(duì)絕緣材料的需求，獲得100Mb/s的車(chē)載以太網(wǎng)導(dǎo)線。為汽車(chē)領(lǐng)域提供滿足網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求的絕緣材料和導(dǎo)線產(chǎn)品方案，對(duì)以后更高的帶寬研究提供一定的指導(dǎo)。

1 絕緣材料的開(kāi)發(fā)

車(chē)載以太網(wǎng)導(dǎo)線的核心技術(shù)就在于兩個(gè)對(duì)絞在一起的單對(duì)非屏蔽雙絞線，其制造技術(shù)關(guān)鍵之一在于絕緣材料的性能。絕緣材料的介電常數(shù)是影響導(dǎo)線性能的關(guān)鍵因素。

1.1 基料

現(xiàn)有技術(shù)中，滿足100℃溫度等級(jí)的汽車(chē)線纜材料多采用聚氯乙烯 （PVC） 材料和交聯(lián)聚乙烯 （XLPE） 材料。PVC材料的優(yōu)點(diǎn)是阻燃性能和加工性能優(yōu)良、價(jià)格較低，缺點(diǎn)是其在加工、使用和廢棄過(guò)程中存在較大的環(huán)境危害。XLPE材料具有環(huán)境友好的特點(diǎn)，但交聯(lián)后材料無(wú)法重復(fù)使用，由于加工成本高以及較高的介電常數(shù)而存在較大限制。聚丙烯（PP） 作為一種熱塑性塑料，價(jià)格便宜，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的加工性、耐熱性和電絕緣性能。PP在5大通用塑料中產(chǎn)量位居第3，僅次于PE和PVC，是目前發(fā)展速度、產(chǎn)量增加最快的塑料之一。PP具有優(yōu)異的電氣絕緣性能，可在100℃以上長(zhǎng)期使用。

1.2 功能填料及加工性

為滿足100Mb/s的特性阻抗需求，需合理控制絕緣材料的介電常數(shù)。為滿足絕緣材料的機(jī)械性能、老化性能、阻燃性能、加工性能等的要求，需在材料中引入大量的極性物質(zhì)，這在一定程度上使絕緣材料的介電常數(shù)顯著增加，難以滿足車(chē)載以太網(wǎng)導(dǎo)線的要求。為此，在配方中引入復(fù)合介電填料 （DF），實(shí)現(xiàn)了對(duì)介電常數(shù)的調(diào)控，如圖1所示，隨介電填料用量的增加，絕緣材料的介電常數(shù)表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在介電填料用量為4%時(shí)，相比于未加介電填料的絕緣材料，介電常數(shù)下降了9.6%。

絕緣材料中涉及到多種組分，在獲得具有一定介電常數(shù)的絕緣材料的同時(shí)，各組分在基體中的分散性是影響材料性能均一性的關(guān)鍵因素。為保證材料的分散性，借助相容原理和表面改性，實(shí)現(xiàn)了如圖2所示的分散特性。可以看出，無(wú)機(jī)粒子均勻分散在樹(shù)脂基體中，分散性較好。

圖1 復(fù)合介電填料 （DF） 的用量對(duì)絕緣材料介電性能常數(shù)的影響

圖2 絕緣材料的SEM圖片

熔體粘度與材料的組成及分散均勻性相關(guān)，最終影響絕緣材料的加工性能。在制造絕緣材料的過(guò)程中，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的材料分段取樣，利用轉(zhuǎn)矩流變儀對(duì)不同階段的樣品進(jìn)行了熔體粘度測(cè)試，材料的流變特性如圖3所示。可以看出，兩個(gè)階段的絕緣材料具有極其相似的粘度曲線，說(shuō)明絕緣材料具有良好的擠出穩(wěn)定性。絕緣材料是導(dǎo)線制造的基礎(chǔ)，絕緣線芯的品質(zhì)直接影響了導(dǎo)線的性能。為了保證絕緣線徑達(dá)到幾何尺寸和最佳品質(zhì)，絕緣材料的擠出穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用。對(duì)于絕緣材料而言，其熔體粘度的穩(wěn)定性能夠反映絕緣材料的均勻性及加工穩(wěn)定性。

圖3 絕緣材料的流變特性

基于相容性與相結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、共混增韌機(jī)理、阻燃機(jī)理與協(xié)效阻燃技術(shù)、電介質(zhì)理論與方法，所獲得的聚丙烯基絕緣材料具有如下性能：拉伸強(qiáng)度16.5MPa，斷裂伸長(zhǎng)率560%，介電常數(shù)2.65，氧指數(shù)26，其電氣性能、老化性能等均符合車(chē)載以太網(wǎng)導(dǎo)線的要求。

2 導(dǎo)線的研制

車(chē)載以太網(wǎng)導(dǎo)線制造關(guān)鍵是保持導(dǎo)線在宏觀和微觀上結(jié)構(gòu)尺寸的精確和盡可能小的偏差。其中，絕緣材料的介電常數(shù)、導(dǎo)體直徑、導(dǎo)體中心距以及對(duì)絞絞距在導(dǎo)線制造中具有重要的作用，采用所開(kāi)發(fā)的絕緣材料，對(duì)導(dǎo)線制造工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。

2.1 導(dǎo)體制造

導(dǎo)體的圓整度是制造關(guān)注的重要參數(shù)，如果導(dǎo)體圓整度較低，會(huì)造成電場(chǎng)畸變，影響電場(chǎng)的分布，以致影響導(dǎo)線的性能。采用圓形銅導(dǎo)線，采用絞合緊壓工藝制造導(dǎo)體，獲得了導(dǎo)體外徑為0.75±0.1mm、導(dǎo)體電阻為52.5mΩ/m、結(jié)構(gòu)為A7/max0.27的導(dǎo)體。

2.2 單芯線制造

絕緣外徑對(duì)特性阻抗影響較大，在絕緣擠出過(guò)程中，將絕緣外徑控制在1.28±0.015以內(nèi)；調(diào)整絕緣的圓整度，通過(guò)擠出工藝中擠塑模套模孔、擠塑溫度等參數(shù)調(diào)整圓整度；控制絕緣的同心度，絕緣偏心會(huì)影響導(dǎo)線的工作電容和電感，絕緣的同心度在90%以上。

2.3 雙絞線制造

絞對(duì)的主要目的是利用交叉效應(yīng)來(lái)減小線組間的串音。對(duì)于退扭式絞對(duì)在滿足一定條件時(shí)，還可以在一定程度上減少絕緣偏心及其他絕緣線芯徑向上的不均勻缺陷。利用退扭成纜機(jī)將單芯線絞合成雙絞線，采用了對(duì)絞節(jié)距為12mm和20mm，所得雙絞線的特性阻抗和回波損耗如圖4、圖5所示。對(duì)絞節(jié)距為12mm的導(dǎo)線的回波損耗滿足設(shè)計(jì)要求，而對(duì)絞節(jié)距為20mm的導(dǎo)線則不滿足要求。保證單芯線的均勻性和對(duì)稱(chēng)性，盡可能降低線對(duì)間電容不平衡，是提高線對(duì)抗干擾能力的基礎(chǔ)。衡量雙絞線“對(duì)稱(chēng)性”的參數(shù)是不平衡衰減。雙絞線的絕緣外徑的不同、絞合節(jié)距的不同、導(dǎo)體的電性能差異、兩導(dǎo)體對(duì)外界環(huán)境的不同都是引起不平衡衰減的原因，決定了雙絞線在較高頻率工作的性能。選擇對(duì)絞節(jié)距為12mm，在充分退扭的條件下，能夠獲得滿足對(duì)稱(chēng)要求的導(dǎo)線，如圖6所示。

3 結(jié)論

采用所研制的具有一定介電常數(shù)的聚丙烯基絕緣材料，通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)以及對(duì)導(dǎo)體直徑、絕緣外徑、對(duì)絞節(jié)距等參數(shù)的調(diào)控，降低電纜結(jié)構(gòu)周期性偏差或缺陷，在滿足導(dǎo)線尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)UTP的傳輸性能，獲得車(chē)用以太網(wǎng)導(dǎo)線。生產(chǎn)過(guò)程中主要工序?yàn)閱涡揪€生產(chǎn)和對(duì)絞生產(chǎn)工序。通過(guò)對(duì)銅導(dǎo)體直徑和絕緣厚度加以控制，能夠滿足特性阻抗和回波損耗的參數(shù)要求。在對(duì)絞工序上使用退扭對(duì)絞機(jī)，可使偏心引起的兩導(dǎo)線間距變化控制在一個(gè)對(duì)絞節(jié)距中，選擇合理的對(duì)絞節(jié)距 （12mm），可以實(shí)現(xiàn)不平衡衰減值達(dá)到傳輸要求。

圖4 節(jié)距不同的雙絞線的特性阻抗

圖5 節(jié)距不同的雙絞線的回波損耗

圖6 節(jié)距為12mm的雙絞線的LCL和LCTL