輻照交聯乙烯－四氟乙烯絕緣航空線制備與性能表征

鄭 偉，王新營，嚴 波，計初喜，劉旌平

(1.特種電纜技術國家重點實驗室，上海200093;2.上海特纜電工科技有限公司，上海201300)

0 引言

在航空航天用電線電纜中，輻照交聯電線有交聯聚氯乙烯絕緣電線、輻照交聯乙烯－四氟乙烯共聚物(X-ETFE)絕緣電線等，其中X-ETFE絕緣電線正是當今航空用電線中的兩種主要線種之一［1］。

X-ETFE絕緣電線采用特殊的X-ETFE絕緣料，擠包成電線后，經電子束輻照而交聯;X-ETFE除保持ETFE原有特性外，其溫度等級提高到200℃。該電線一般采用薄壁絕緣結構，如單層絕緣電線的絕緣厚度為0.15 mm，故在相同載流量要求下，電線重量輕，這一點對航空航天飛行器來說是非常重要的，所以自上世紀70年代以來，這一線種一直深受航空航天業的青睞，目前無論是軍用還是民用航空航天飛行器都大量使用這種電線［2］。

上海電纜研究所采用國產設備及原材料研發X-ETFE絕緣料，并制備出X-ETFE絕緣航空電線，經過一系列性能測試后，所制備的X-ETFE絕緣航空線滿足相關標準要求。

1 航空線制備

1.1 原材料

上海電纜研究所自制四種X-ETFE絕緣料，分別為采用進口國外公司ETFE樹脂的1#與2#絕緣料，采用國內公司ETFE樹脂的3#與4#絕緣料。導體為20AWG線規鍍錫銅絞合導體。

1.2 生產設備

具體航空線生產在上海特纜電工科技有限公司完成。氟塑料擠出采用 35單螺桿高溫串擠設備。電子加速輻照器2.5 MeV。

1.3 生產過程

絕緣料在60～70℃下烘2～3 h;制備標準MIL-W-22759/32;擠出機溫度220～330℃;配模工藝，內模1.5/3.3 mm、外模4.5 mm;收線速度不超過20 m/min;火花電壓5.7 kV;成品外徑1.270±0.05 mm。

航空線試制過程中，1#與2#絕緣料過程順利，成品線徑控制較為穩定，無擊穿現象，且電線表面光滑、無缺陷，表觀質量優良。

3#與4#絕緣料生產過程中成品線徑誤差較大，經過工藝調整后情況未能有明顯好轉，但線徑仍然在標準要求的范圍內。電線表面光滑，有少量的雜質出現，出現少量擊穿現象，國產原料性能和質量穩定性不佳導致以上問題的出現。

針對試制樣線，為摸索出適合的輻照劑量，設定了7檔輻照劑量分別為4、6、8、10、12、14、16 Mrad。

2 航空線性能表征

X-ETFE絕緣航空線的主要標準為MIL-W-22759和GJB 773A—2000。在相應的標準中，對XETFE絕緣電線提出了很高的要求，制定了多項試驗測試，這些試驗包括機械、電氣、浸油、高低溫度測試等。根據項目組多年的研究與測試經驗，其中大部分試驗項目，對X-ETFE絕緣電線來說是沒有太大問題的，用ETFE基體樹脂作絕緣都能達到要求，但是其中有兩項試驗是很難達到的，即交聯度驗證測試和機械性能測試，這兩項測試均與絕緣材料的交聯度有關。

2.1 交聯度驗證試驗

由于氟塑料的特殊性，X-ETFE很難像交聯聚烯烴那樣測凝膠含量或熱延伸來確定其交聯度，所以采取了交聯度驗證測試來確定其交聯度，具體試驗方法如下:把60 cm長的航空線試樣兩端各剝去2.5 cm絕緣，兩端導體上掛上規定重量，然后把試樣懸掛在規定直徑的試棒上(如圖1所示)，在300℃環境下放置7 h，冷卻后將試樣掛重去除，并在規定的試棒上對試樣進行正反各兩次的卷繞試驗，肉眼觀察有無開裂現象;然后將試樣放入5%的鹽水中浸泡5 h后，要求通過2 500 V、5 min的耐壓試驗，因為當ETFE未交聯時，其熔點在270℃左右，而現在要經過300℃、7 h時的高溫壓力下試驗，所以只有交聯度達到相當程度，才能通過。

圖1 交聯度試驗示意圖

2.2 機械性能試驗

航空線試樣剝去外層絕緣，對絕緣進行力學性能測試。測試環境溫度為20℃±5℃，拉伸速率為50 mm/min。

X-ETFE絕緣的力學性能，標準規定了相當高的要求。抗拉強度必須大于35 MPa，交聯后絕緣的斷裂伸長率會下降，國外X-ETFE絕緣電線的斷裂伸長率指標定為不低于75%，對此類產品來說，這是非常高的要求，但作為高性能的航空航天用產品，這也是必要的。

3 結果與討論

3.1 交聯度驗證試驗

根據相關標準要求和前期實驗總結，對本次試驗的航空線主要進行了交聯度驗證試驗，評估材料耐熱性能的高低。為了保證試驗的準確性，每種航空線取兩根試樣進行交聯度驗證試驗，試驗結果如表1所示。

表1 交聯度驗證試驗結果

由表1可以看出，隨著輻照劑量的提高，各批次航空線的交聯度也隨之提高，最后均能通過交聯度驗證試驗。

1#與2#絕緣料隨著輻照劑量的提高，耐壓試驗過程中的耐壓程度也是逐漸提高，在輻照劑量4 Mrad時，耐壓試驗中電壓稍有提高便立刻擊穿;當輻照劑量提高到10 Mrad時，耐壓試驗已經能在電壓2.5 kV條件下保持90 s，說明絕緣料內部的交聯度有了顯著的提高。當輻照劑量提高到12 Mrad及以上時，已經能夠完全通過交聯度驗證試驗。

相比于1#與2#絕緣料，3#與4#絕緣料在相同的輻照劑量下，交聯程度明顯不足，這兩種絕緣料制備的航空線在16 Mrad輻照劑量下才能完全通過交聯度驗證，高于1#與2#的12 Mrad輻照劑量。

X-ETFE絕緣料在高能電子的輻照下，氟塑料在交聯劑的作用下產生各種自由基，通過自由基的相互結合而形成新的連接鍵，形成空間網狀的三維立體結構，其材料性能發生相應的變化:從可熔融變為不熔，耐高溫性能及高溫下的強度有明顯的提高;分子間形成新的連接鍵，阻止了分子的相對滑移，剛性增加，蠕變行為減小;耐應力開裂性能有所提高。X-ETFE絕緣料熔點在255～275℃之間，輻照加工后絕緣料耐熱性能有了顯著的提高，所以能夠滿足高于材料熔點溫度之上的性能測試(如交聯度驗證測試，溫度要求為300℃)，且輻照劑量越高則交聯度越高，交聯度越高則材料的耐熱性能越好。從測試中也可以體現出，隨著輻照劑量的提高，四種航空線的耐熱性能均顯著提高，交聯度驗證測試均能夠通過。

3.2 機械性能

在交聯度驗證試驗通過的基礎上，機械性能尤其是斷裂伸長率滿足標準要求尤為重要，因為交聯度提高的前提下絕緣的斷裂伸長率肯定會有顯著的下降，同時要滿足交聯度和斷裂伸長率這兩方面矛盾的性能要求，對絕緣材料有著較高的要求。機械性能結果如表2所示。

表2 機械性能結果

由表2可以看出，隨著輻照劑量的提高，四種絕緣料的抗拉強度有小幅度的提高，但是斷裂伸長率有顯著的下降，交聯程度的提高導致分子鏈之間的滑動難度增大，降低了伸長率。

對于1#、2#絕緣料來說，當滿足交聯度驗證時輻照劑量為12 Mrad，其抗拉強度與斷裂伸長率分別為39.20 MPa、175%與38.80 MPa與160%，均滿足標準要求的強度大于35 MPa和伸長率大于75%;但是當輻照劑量提高到16 Mrad時，伸長率下降到只有105%和90%，雖然仍滿足標準要求，但為了滿足其他性能的要求，輻照劑量還是不宜過高。

對于3#、4#絕緣料來說，當滿足交聯度驗證時輻照劑量為16 Mrad，其抗拉強度與斷裂伸長率分別為45.60 MPa、75%與48.00 MPa、70%，斷裂伸長率已經不能滿足標準要求了，說明在交聯度達到要求的情況下，其內部分子鏈的滑動已經相當困難，不能滿足伸長率的要求。

輻照加工在提高了材料耐熱性能的條件下，也阻止了分子的相對滑移，剛性增加，蠕變行為減小，宏觀上的體現便是材料斷裂伸長率的顯著降低，為了滿足相關標準對機械性能的要求，輻照劑量必須控制在一定的范圍之內，以滿足耐熱性能和機械性能這兩個相互矛盾的性能要求。

4 結論

(1)四種絕緣料制備的航空線的可加工性能均較優良，可以在較寬泛的加工窗口下生產航空線，且產品的表觀性能較好。

(2)進口ETFE樹脂制備的X-ETFE絕緣料可加工性能優良，制成的航空線表觀質量與性能優良。

(3)國產ETFE樹脂制備的X-ETFE絕緣料可加工性能良好，制備的航空線表觀質量較好，性能方面交聯度驗證測試能夠通過，但是力學性能勉強符合標準要求，需要進一步提升與改進。

(4)本項目研制生產的輻照交聯乙烯－四氟乙烯共聚物絕緣料性能優良，經過制線并輻照加工后，可以滿足航空線標準MIL-W-22759和GJB 773A—2000的性能要求。

［1］黃淑貞，張兆文.XETFE絕緣電線電纜的技術現狀和國產化探討［J］.電線電纜，2011(4):1-4.

［2］劉旌平，張賢靈，張敬平.輻照交聯乙烯四氟乙烯絕緣電線后處理工藝條件的選擇［J］.電線電纜，2010(6):4-6.