航空絕緣電線耐動態切通試驗影響因素的討論論文

關于航空絕緣電線耐動態切通試驗影響因素的討論論文

　　近年來，我國航空工業持續快速發展，航空用電線電纜的研發和生產也得到長足的進步。目前航空工業中的兩大高端線種為輻照交聯乙烯-四氟乙烯聚合物絕緣電線和聚四氟乙烯/聚酰亞胺復合薄膜絕緣電線，特別是后者，除了具有優異的電氣、機械、耐化學性能外，更以外徑小、質量輕等優點而受到市場的青睞。

　　SAE AS22759 系列產品標準是目前國際上通用的航空用電線產品標準，在其規定的聚四氟乙烯/聚酰亞胺復合薄膜絕緣電線的鑒定試驗中包含一些特殊試驗項目，其中一項為耐動態切通試驗。該試驗能模擬室溫及工作溫度下電線在機械擠壓下的受損情況，以此評估電線的安全性能。

　　本文將描述航空絕緣電線動態切通試驗，并就絕緣電線的導體、絕緣以及試驗溫度等因素對試驗結果的影響進行分析。

　　1 試驗介紹

　　1. 1 試驗方法

　　動態切通試驗應按照ASTM D 3032 中第22 章的規定進行，但是切刀端部鋼針的直徑改為( 0. 254 ± 0. 050 ) mm。

　　( 1) 試驗設備。拉力試驗機，上夾具固定標準切刀，下夾具安裝一個樣品支架，該支架包含一個水平的金屬臺面用以支撐試樣。拉力機配備一個高溫箱，高溫箱的尺寸能夠滿足試驗過程中拉力機的夾具在箱內正常移動，并將箱內溫度控制在標準規定的范圍內。此外，拉力機還應配備一個12 V( 直流或交流) 的檢驗電路，該檢驗電路兩端分別連接試樣的導體和標準切刀。試驗過程中，當切刀將電線的絕緣切破并與電線的導體導通時，檢驗電路反饋至拉力機，使其自動停止試驗并記錄試驗過程中的最大應力。

　　( 2) 試驗步驟。將一端除去足夠長度的絕緣電線放在樣品支架上，切刀垂直于電線。導體和切刀與檢測電路連接。啟動拉力機，以5 mm/min 的速度向下移動切刀對試樣進行擠壓。當切刀切破絕緣并與導體導通時，停止試驗并記錄試驗過程中的最大應力。每測完一個點，將試樣向同一個方向旋轉90°并向前移動25 mm，測試下一個點。每個試樣需要測試8 個點，8 次試驗的算術平均值為電線的耐動態切通試驗結果。如果需要進行高溫下試驗，應在試驗前將高溫箱升至規定的溫度并將試樣和試驗裝置預熱一段時間以達到熱平衡。

　　1. 2 技術要求

　　SAE AS22759 系列產品標準規定了三個典型線規( 26 AWG、20 AWG 和16 AWG) 絕緣電線需要測試動態切通試驗。根據導體種類的不同，最高試驗溫度可為( 260 ± 5) ℃( 最高試驗溫度為電線的額定工作溫度) ，8個溫度點下測量結果的算數平均值應不低于產品標準的規定。

　　2 機理分析

　　試驗初期，受到切刀的擠壓之后，絞合導體的單線之間產生位移變化甚至變形，為絕緣層提供緩沖，即擠壓產生的應力被導體形變吸收。此過程中，雖然電線承受的應力逐漸增加，但是絕緣層并未受到明顯的破壞。隨著切刀的持續擠壓，絞合導體的單線變形達到終點，無法再為絕緣提供緩沖，此時絕緣完全承受切刀施加的應力，迅速破裂從而失效�？梢哉J為，電線的耐動態切通能力由兩個分量組成，一個分量為絞合導體形變提供的緩沖應力; 另一個分量則是絕緣層自身承受的擠壓應力。

　　對M22759 /87-20-9 電線( 20 AWG 線規，普通重量的鍍鎳銅導體) 進行動態切通試驗，原始試樣的絕緣厚度約為0. 2 mm，外徑為1. 3 ～ 1. 4 mm。試驗后，受擠壓處電線被壓扁至0. 4 ～ 0. 5 mm。可見在試驗過程中，導體的變形是非常明顯的，能夠提供較大的緩沖應力。

　　試驗初期，應力緩慢增長，絞合導體的單絲由于壓力產生相互之間的位移變化。隨著切刀的向下擠壓程度的加深，曲線上出現一個波動，此時導體的絞合結構產生崩塌，單絲之間的變形基本結束，切刀擠壓產生的應力急劇增加。導體形變結束之后，絕緣直接承受切刀的擠壓，短時間內即被切破，從而試驗終止。

　　3 影響因素

　　導體、絕緣( 包括絕緣的結構以及絕緣薄膜的厚度) 以及試驗溫度等因素均會對電線的耐動態切通能力產生影響。

　　3. 1 導體

　　導體形變提供的緩沖應力是電線的耐動態切通能力的重要組成部分。導體形變的影響因素包括導體結構、鍍層厚度以及導體的材質。由于相同規格聚四氟乙烯/聚酰亞胺復合薄膜絕緣電線所用的導體結構基本一致，且過薄的鍍層厚度對導體的機械性能影響較小，故導體結構和鍍層厚度的影響基本可以忽略，對試驗結果產生較大影響的因素主要為導體材質。

　　航空絕緣電線的導體可以是有鍍層的銅導體和有鍍層的銅合金導體。銅導體材質較軟，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，故銅導體電線耐動態切通的能力明顯高于銅合金導體電線。對同一廠家生產的M22759 /86-20-9 電線( 20 AWG 線規，普通重量的鍍銀銅導體) 和M22759 /89-20-9 電線( 20 AWG 線規，普通重量的鍍銀銅合金導體) 進行動態切通試驗，測試結果可知，相同的溫度點下，鍍銀銅導體電線耐動態切通的能力明顯高于鍍銀銅合金導體電線。隨著溫度的升高，二者之間的差異有被進一步拉大的趨勢。

　　3. 2 絕緣

　　( 1) 結構

　　產品標準規定三個規格電線的絕緣繞包搭蓋率在50. 5% ～ 54. 0% 之間，即電線的絕緣層大部分區域為2 層聚酰亞胺薄膜和2 層聚四氟乙烯薄膜組成，但是部分區域會存在3 層搭蓋的現象。如果切刀與電線的接觸點恰好為3 層搭蓋區域，則該點測得的動態切通試驗結果將明顯高于2 層搭蓋區域。雖然標準規定測完一個點之后，將試樣向同一個方向旋轉90°，并向前移動至少25 mm，但是該操作無法保證每個測試點絕緣薄膜厚度的均一性，進而導致不同點所測的動態切通試驗結果具有較大的分散性。表2 列出了典型的M22759 /87-20-9 電線( 20AWG 線規，普通重量的鍍鎳銅導體) 的測試結果。從表2 可以看出，單個點的測試結果分散性較大，甚至可能出現兩倍以上的差別。因此，標準規定每個電線均需測試8 個點，并取算數平均值，以此來降低數據偏差過大可能導致的試驗誤差。

　　( 2) 薄膜厚度

　　聚酰亞胺復合薄膜/聚四氟乙烯組合絕緣電線有輕型重量和普通重量兩種類型，輕型重量電線所用的聚酰亞胺復合薄膜標稱厚度為30 μm，而普通重量電線所用的聚酰亞胺復合薄膜標稱厚度為50μm。聚酰亞胺復合薄膜越厚，能承受的機械應力越大，為耐動態切通試驗提供的分量也更大。表3 列出了同一廠家生產的M22759 /86-20-9 電線和M22759 /91-20-9 電線( 20 AWG 線規，輕型重量的鍍銀銅導體) 的試驗結果。可以看出，較厚的聚酰亞胺復合薄膜可以提高電線的耐動態切通能力。

　　3. 3 溫度

　　航空絕緣電線需要測試高溫下的耐動態切通試驗。一般認為，隨著溫度升高，絕緣材料的強度下降，故隨著溫度的增加，產品標準規定的指標逐級降低。但對不同的電線，試驗過程中可能存在不同的結果: ( 1) 絕緣材料抗切刀切割的能力變弱，電線的耐動態切通能力隨之下降; ( 2) 絕緣材料強度下降，對導體的束縛能力也有所降低。隨切刀擠壓，導體位移變化更加容易，導體形變終止之前可以提供更多的緩沖應力。在此情況下，隨著溫度升高，電線的耐動態切通能力反而會提高。

　　溫度對電線耐動態切通能力的影響可以通過試驗結果得到驗證。銅合金導體電線，因為導體的剛性過強，形變能力較小，故電線的耐動態切通能力主要由絕緣的機械強度提供。在高溫的動態切通過程中，雖然絕緣的束縛力降低，但是導體形變所提供的緩沖分量并無明顯提高，而絕緣材料的機械強度則明顯下降，導致電線的耐動態切通能力隨溫度升高而顯著降低。銅合金導體電線，因為導體形變能力較大，隨著絕緣的束縛力下降，導體形變更加容易，提供的緩沖分量更高，所以高溫下測得的動態切通試驗結果反而明顯高于常溫。

　　4 結束語

　　產品標準規定的技術指標和試驗方法是電線電纜企業開發產品以及進行生產的重要依據。耐動態切通是考核聚四氟乙烯/聚酰亞胺復合薄膜組合絕緣電線性能非常重要的一項技術指標。

　　除了本文所討論的導體材料、絕緣材料和結構、溫度外，還有其他因素會影響到電線的耐動態切通能力。例如: 適當減少繞包過程中的絕緣薄膜張力可以降低其對導體的束縛能力，可以使得導體在試驗過程中的變形更加容易，進而有效提高電線的耐動態切通能力; 但是過低的薄膜張力可能會損傷電線的其他性能，如絕緣剝離力、強迫水解、耐電弧等。因此，企業應通過大量的驗證工作以確定合適的生產工藝，在不損傷其他性能的基礎上，有效提高電線的耐動態切通能力。

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