航空絕緣電線(xiàn)耐動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)影響因素的討論

郭漢洋，吳 旼，桂觀(guān)群

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.機(jī)械工業(yè)電工材料及特種線(xiàn)纜產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，上海200093)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)航空工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，航空用電線(xiàn)電纜的研發(fā)和生產(chǎn)也得到長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前航空工業(yè)中的兩大高端線(xiàn)種為輻照交聯(lián)乙烯-四氟乙烯聚合物絕緣電線(xiàn)和聚四氟乙烯/聚酰亞胺復(fù)合薄膜絕緣電線(xiàn)，特別是后者，除了具有優(yōu)異的電氣、機(jī)械、耐化學(xué)性能外，更以外徑小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)而受到市場(chǎng)的青睞。

SAE AS22759系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是目前國(guó)際上通用的航空用電線(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，在其規(guī)定的聚四氟乙烯/聚酰亞胺復(fù)合薄膜絕緣電線(xiàn)的鑒定試驗(yàn)中包含一些特殊試驗(yàn)項(xiàng)目，其中一項(xiàng)為耐動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)。該試驗(yàn)?zāi)苣M室溫及工作溫度下電線(xiàn)在機(jī)械擠壓下的受損情況，以此評(píng)估電線(xiàn)的安全性能。

本文將描述航空絕緣電線(xiàn)動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)，并就絕緣電線(xiàn)的導(dǎo)體、絕緣以及試驗(yàn)溫度等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)方法

動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)應(yīng)按照ASTM D 3032中第22章的規(guī)定進(jìn)行，但是切刀端部鋼針的直徑改為(0.254±0.050)mm，切刀的形狀和尺寸如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)切刀

(1)試驗(yàn)設(shè)備。拉力試驗(yàn)機(jī)，上夾具固定標(biāo)準(zhǔn)切刀，下夾具安裝一個(gè)樣品支架，該支架包含一個(gè)水平的金屬臺(tái)面用以支撐試樣。拉力機(jī)配備一個(gè)高溫箱，高溫箱的尺寸能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)過(guò)程中拉力機(jī)的夾具在箱內(nèi)正常移動(dòng)，并將箱內(nèi)溫度控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。此外，拉力機(jī)還應(yīng)配備一個(gè)12 V(直流或交流)的檢驗(yàn)電路，該檢驗(yàn)電路兩端分別連接試樣的導(dǎo)體和標(biāo)準(zhǔn)切刀。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)切刀將電線(xiàn)的絕緣切破并與電線(xiàn)的導(dǎo)體導(dǎo)通時(shí)，檢驗(yàn)電路反饋至拉力機(jī)，使其自動(dòng)停止試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)過(guò)程中的最大應(yīng)力。

(2)試驗(yàn)步驟。將一端除去足夠長(zhǎng)度的絕緣電線(xiàn)放在樣品支架上，切刀垂直于電線(xiàn)。導(dǎo)體和切刀與檢測(cè)電路連接。啟動(dòng)拉力機(jī)，以5 mm/min的速度向下移動(dòng)切刀對(duì)試樣進(jìn)行擠壓。當(dāng)切刀切破絕緣并與導(dǎo)體導(dǎo)通時(shí)，停止試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)過(guò)程中的最大應(yīng)力。每測(cè)完一個(gè)點(diǎn)，將試樣向同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)90°并向前移動(dòng)25 mm，測(cè)試下一個(gè)點(diǎn)。每個(gè)試樣需要測(cè)試8個(gè)點(diǎn)，8次試驗(yàn)的算術(shù)平均值為電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)結(jié)果。如果需要進(jìn)行高溫下試驗(yàn)，應(yīng)在試驗(yàn)前將高溫箱升至規(guī)定的溫度并將試樣和試驗(yàn)裝置預(yù)熱一段時(shí)間以達(dá)到熱平衡。

1.2 技術(shù)要求

SAE AS22759系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三個(gè)典型線(xiàn)規(guī)(26 AWG、20 AWG和16 AWG)絕緣電線(xiàn)需要測(cè)試動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)。根據(jù)導(dǎo)體種類(lèi)的不同，最高試驗(yàn)溫度可為(260±5)℃(最高試驗(yàn)溫度為電線(xiàn)的額定工作溫度)，8個(gè)溫度點(diǎn)下測(cè)量結(jié)果的算數(shù)平均值應(yīng)不低于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2 機(jī)理分析

試驗(yàn)初期，受到切刀的擠壓之后，絞合導(dǎo)體的單線(xiàn)之間產(chǎn)生位移變化甚至變形，為絕緣層提供緩沖，即擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力被導(dǎo)體形變吸收。此過(guò)程中，雖然電線(xiàn)承受的應(yīng)力逐漸增加，但是絕緣層并未受到明顯的破壞。隨著切刀的持續(xù)擠壓，絞合導(dǎo)體的單線(xiàn)變形達(dá)到終點(diǎn)，無(wú)法再為絕緣提供緩沖，此時(shí)絕緣完全承受切刀施加的應(yīng)力，迅速破裂從而失效?？梢哉J(rèn)為，電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通能力由兩個(gè)分量組成，一個(gè)分量為絞合導(dǎo)體形變提供的緩沖應(yīng)力;另一個(gè)分量則是絕緣層自身承受的擠壓應(yīng)力。

對(duì)M22759/87-20-9電線(xiàn)(20 AWG線(xiàn)規(guī)，普通重量的鍍鎳銅導(dǎo)體)進(jìn)行動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)，原始試樣的絕緣厚度約為0.2 mm，外徑為1.3～1.4 mm。試驗(yàn)后，受擠壓處電線(xiàn)被壓扁至0.4～0.5 mm?？梢?jiàn)在試驗(yàn)過(guò)程中，導(dǎo)體的變形是非常明顯的，能夠提供較大的緩沖應(yīng)力。圖2為典型的M22759/87-20-9電線(xiàn)動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)曲線(xiàn)。

圖2 典型的動(dòng)態(tài)切通曲線(xiàn)

由圖2可見(jiàn)，試驗(yàn)初期，應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)，絞合導(dǎo)體的單絲由于壓力產(chǎn)生相互之間的位移變化。隨著切刀的向下擠壓程度的加深，曲線(xiàn)上出現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)，此時(shí)導(dǎo)體的絞合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生崩塌，單絲之間的變形基本結(jié)束，切刀擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力急劇增加。導(dǎo)體形變結(jié)束之后，絕緣直接承受切刀的擠壓，短時(shí)間內(nèi)即被切破，從而試驗(yàn)終止。

3 影響因素

導(dǎo)體、絕緣(包括絕緣的結(jié)構(gòu)以及絕緣薄膜的厚度)以及試驗(yàn)溫度等因素均會(huì)對(duì)電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通能力產(chǎn)生影響。

3.1 導(dǎo)體

導(dǎo)體形變提供的緩沖應(yīng)力是電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通能力的重要組成部分。導(dǎo)體形變的影響因素包括導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、鍍層厚度以及導(dǎo)體的材質(zhì)。由于相同規(guī)格聚四氟乙烯/聚酰亞胺復(fù)合薄膜絕緣電線(xiàn)所用的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)基本一致，且過(guò)薄的鍍層厚度對(duì)導(dǎo)體的機(jī)械性能影響較小，故導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和鍍層厚度的影響基本可以忽略，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響的因素主要為導(dǎo)體材質(zhì)。

航空絕緣電線(xiàn)的導(dǎo)體可以是有鍍層的銅導(dǎo)體和有鍍層的銅合金導(dǎo)體。銅導(dǎo)體材質(zhì)較軟，在擠壓情況下形變的程度更高，所能提供的緩沖分量也就越大，故銅導(dǎo)體電線(xiàn)耐動(dòng)態(tài)切通的能力明顯高于銅合金導(dǎo)體電線(xiàn)。對(duì)同一廠(chǎng)家生產(chǎn)的M22759/86-20-9電線(xiàn)(20 AWG線(xiàn)規(guī)，普通重量的鍍銀銅導(dǎo)體)和M22759/89-20-9電線(xiàn)(20 AWG線(xiàn)規(guī)，普通重量的鍍銀銅合金導(dǎo)體)進(jìn)行動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同導(dǎo)體電線(xiàn)耐動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

由表1可知，相同的溫度點(diǎn)下，鍍銀銅導(dǎo)體電線(xiàn)耐動(dòng)態(tài)切通的能力明顯高于鍍銀銅合金導(dǎo)體電線(xiàn)。隨著溫度的升高，二者之間的差異有被進(jìn)一步拉大的趨勢(shì)。

3.2 絕緣

(1)結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定三個(gè)規(guī)格電線(xiàn)的絕緣繞包搭蓋率在50.5%～54.0%之間，即電線(xiàn)的絕緣層大部分區(qū)域?yàn)?層聚酰亞胺薄膜和2層聚四氟乙烯薄膜組成，但是部分區(qū)域會(huì)存在3層搭蓋的現(xiàn)象。如果切刀與電線(xiàn)的接觸點(diǎn)恰好為3層搭蓋區(qū)域，則該點(diǎn)測(cè)得的動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)結(jié)果將明顯高于2層搭蓋區(qū)域。雖然標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)完一個(gè)點(diǎn)之后，將試樣向同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)90°，并向前移動(dòng)至少25 mm，但是該操作無(wú)法保證每個(gè)測(cè)試點(diǎn)絕緣薄膜厚度的均一性，進(jìn)而導(dǎo)致不同點(diǎn)所測(cè)的動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)結(jié)果具有較大的分散性。表2列出了典型的M22759/87-20-9電線(xiàn)(20AWG線(xiàn)規(guī)，普通重量的鍍鎳銅導(dǎo)體)的測(cè)試結(jié)果。從表2可以看出，單個(gè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果分散性較大，甚至可能出現(xiàn)兩倍以上的差別。因此，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每個(gè)電線(xiàn)均需測(cè)試8個(gè)點(diǎn)，并取算數(shù)平均值，以此來(lái)降低數(shù)據(jù)偏差過(guò)大可能導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差。

表2 M22759/87-20-9絕緣電線(xiàn)的動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)結(jié)果 (單位:lb)

(2)薄膜厚度

聚酰亞胺復(fù)合薄膜/聚四氟乙烯組合絕緣電線(xiàn)有輕型重量和普通重量?jī)煞N類(lèi)型，輕型重量電線(xiàn)所用的聚酰亞胺復(fù)合薄膜標(biāo)稱(chēng)厚度為30μm，而普通重量電線(xiàn)所用的聚酰亞胺復(fù)合薄膜標(biāo)稱(chēng)厚度為50 μm。聚酰亞胺復(fù)合薄膜越厚，能承受的機(jī)械應(yīng)力越大，為耐動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)提供的分量也更大。表3列出了同一廠(chǎng)家生產(chǎn)的M22759/86-20-9電線(xiàn)和M22759/91-20-9電線(xiàn)(20 AWG線(xiàn)規(guī)，輕型重量的鍍銀銅導(dǎo)體)的試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)表3也可以看出，較厚的聚酰亞胺復(fù)合薄膜可以提高電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通能力。

表3 M22759/86-20-9和M22759/91-20-9絕緣電線(xiàn)耐動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

3.3 溫度

航空絕緣電線(xiàn)需要測(cè)試高溫下的耐動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)。一般認(rèn)為，隨著溫度升高，絕緣材料的強(qiáng)度下降，故隨著溫度的增加，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)逐級(jí)降低。但對(duì)不同的電線(xiàn)，試驗(yàn)過(guò)程中可能存在不同的結(jié)果:(1)絕緣材料抗切刀切割的能力變?nèi)?，電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通能力隨之下降;(2)絕緣材料強(qiáng)度下降，對(duì)導(dǎo)體的束縛能力也有所降低。隨切刀擠壓，導(dǎo)體位移變化更加容易，導(dǎo)體形變終止之前可以提供更多的緩沖應(yīng)力。在此情況下，隨著溫度升高，電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通能力反而會(huì)提高。

溫度對(duì)電線(xiàn)耐動(dòng)態(tài)切通能力的影響可以通過(guò)表1、表2和表3所給出的試驗(yàn)結(jié)果得到驗(yàn)證。表1所列的銅合金導(dǎo)體電線(xiàn)，因?yàn)閷?dǎo)體的剛性過(guò)強(qiáng)，形變能力較小，故電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通能力主要由絕緣的機(jī)械強(qiáng)度提供。在高溫的動(dòng)態(tài)切通過(guò)程中，雖然絕緣的束縛力降低，但是導(dǎo)體形變所提供的緩沖分量并無(wú)明顯提高，而絕緣材料的機(jī)械強(qiáng)度則明顯下降，導(dǎo)致電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通能力隨溫度升高而顯著降低。而表1、表2和表3中所列的銅合金導(dǎo)體電線(xiàn)，因?yàn)閷?dǎo)體形變能力較大，隨著絕緣的束縛力下降，導(dǎo)體形變更加容易，提供的緩沖分量更高，所以高溫下測(cè)得的動(dòng)態(tài)切通試驗(yàn)結(jié)果反而明顯高于常溫。

4 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)和試驗(yàn)方法是電線(xiàn)電纜企業(yè)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品以及進(jìn)行生產(chǎn)的重要依據(jù)。耐動(dòng)態(tài)切通是考核聚四氟乙烯/聚酰亞胺復(fù)合薄膜組合絕緣電線(xiàn)性能非常重要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

除了本文所討論的導(dǎo)體材料、絕緣材料和結(jié)構(gòu)、溫度外，還有其他因素會(huì)影響到電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通能力。例如:適當(dāng)減少繞包過(guò)程中的絕緣薄膜張力可以降低其對(duì)導(dǎo)體的束縛能力，可以使得導(dǎo)體在試驗(yàn)過(guò)程中的變形更加容易，進(jìn)而有效提高電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通能力;但是過(guò)低的薄膜張力可能會(huì)損傷電線(xiàn)的其他性能，如絕緣剝離力、強(qiáng)迫水解、耐電弧等。因此，企業(yè)應(yīng)通過(guò)大量的驗(yàn)證工作以確定合適的生產(chǎn)工藝，在不損傷其他性能的基礎(chǔ)上，有效提高電線(xiàn)的耐動(dòng)態(tài)切通能力。

［1］SAE AS22759B—2011 Wire，electrical，fluoropolymer-insulated，copper or copper alloy［S］.

［2］ASTM D 3032—2010 Standard test methods for hookup wire insulation［S］.