航空絕緣電線耐動態(tài)切通試驗影響因素的討論

郭漢洋，吳 旼，桂觀群

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

0 引言

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

SAE AS22759系列產(chǎn)品標準是目前國際上通用的航空用電線產(chǎn)品標準，在其規(guī)定的聚四氟乙烯/聚酰亞胺復(fù)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(tài)切通試驗。該試驗?zāi)苣M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(tài)切通試驗，并就絕緣電線的導(dǎo)體、絕緣以及試驗溫度等因素對試驗結(jié)果的影響進行分析。

1 試驗介紹

1.1 試驗方法

動態(tài)切通試驗應(yīng)按照ASTM D 3032中第22章的規(guī)定進行，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 標準切刀

(1)試驗設(shè)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(nèi)正常移動，并將箱內(nèi)溫度控制在標準規(guī)定的范圍內(nèi)。此外，拉力機還應(yīng)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(dǎo)體和標準切刀。試驗過程中，當(dāng)切刀將電線的絕緣切破并與電線的導(dǎo)體導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(dāng)切刀切破絕緣并與導(dǎo)體導(dǎo)通時，停止試驗并記錄試驗過程中的最大應(yīng)力。每測完一個點，將試樣向同一個方向旋轉(zhuǎn)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(shù)平均值為電線的耐動態(tài)切通試驗結(jié)果。如果需要進行高溫下試驗，應(yīng)在試驗前將高溫箱升至規(guī)定的溫度并將試樣和試驗裝置預(yù)熱一段時間以達到熱平衡。

1.2 技術(shù)要求

SAE AS22759系列產(chǎn)品標準規(guī)定了三個典型線規(guī)(26 AWG、20 AWG和16 AWG)絕緣電線需要測試動態(tài)切通試驗。根據(jù)導(dǎo)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(jié)果的算數(shù)平均值應(yīng)不低于產(chǎn)品標準的規(guī)定。

2 機理分析

試驗初期，受到切刀的擠壓之后，絞合導(dǎo)體的單線之間產(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。此過程中，雖然電線承受的應(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(yīng)力，迅速破裂從而失效。可以認為，電線的耐動態(tài)切通能力由兩個分量組成，一個分量為絞合導(dǎo)體形變提供的緩沖應(yīng)力;另一個分量則是絕緣層自身承受的擠壓應(yīng)力。

對M22759/87-20-9電線(20 AWG線規(guī)，普通重量的鍍鎳銅導(dǎo)體)進行動態(tài)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(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電線動態(tài)切通試驗曲線。

圖2 典型的動態(tài)切通曲線

由圖2可見，試驗初期，應(yīng)力緩慢增長，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，曲線上出現(xiàn)一個波動，此時導(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，短時間內(nèi)即被切破，從而試驗終止。

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)以及試驗溫度等因素均會對電線的耐動態(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)力是電線的耐動態(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)合薄膜絕緣電線所用的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)基本一致，且過薄的鍍層厚度對導(dǎo)體的機械性能影響較小，故導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和鍍層厚度的影響基本可以忽略，對試驗結(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)體電線耐動態(tài)切通的能力明顯高于銅合金導(dǎo)體電線。對同一廠家生產(chǎn)的M22759/86-20-9電線(20 AWG線規(guī)，普通重量的鍍銀銅導(dǎo)體)和M22759/89-20-9電線(20 AWG線規(guī)，普通重量的鍍銀銅合金導(dǎo)體)進行動態(tài)切通試驗，測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同導(dǎo)體電線耐動態(tài)切通試驗試驗結(jié)果比對

由表1可知，相同的溫度點下，鍍銀銅導(dǎo)體電線耐動態(tài)切通的能力明顯高于鍍銀銅合金導(dǎo)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(jié)構(gòu)

產(chǎn)品標準規(guī)定三個規(guī)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(qū)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(qū)域會存在3層搭蓋的現(xiàn)象。如果切刀與電線的接觸點恰好為3層搭蓋區(qū)域，則該點測得的動態(tài)切通試驗結(jié)果將明顯高于2層搭蓋區(qū)域。雖然標準規(guī)定測完一個點之后，將試樣向同一個方向旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致不同點所測的動態(tài)切通試驗結(jié)果具有較大的分散性。表2列出了典型的M22759/87-20-9電線(20AWG線規(guī)，普通重量的鍍鎳銅導(dǎo)體)的測試結(jié)果。從表2可以看出，單個點的測試結(jié)果分散性較大，甚至可能出現(xiàn)兩倍以上的差別。因此，標準規(guī)定每個電線均需測試8個點，并取算數(shù)平均值，以此來降低數(shù)據(jù)偏差過大可能導(dǎo)致的試驗誤差。

表2 M22759/87-20-9絕緣電線的動態(tài)切通試驗結(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(fù)合薄膜標稱厚度為30μm，而普通重量電線所用的聚酰亞胺復(fù)合薄膜標稱厚度為50 μm。聚酰亞胺復(fù)合薄膜越厚，能承受的機械應(yīng)力越大，為耐動態(tài)切通試驗提供的分量也更大。表3列出了同一廠家生產(chǎn)的M22759/86-20-9電線和M22759/91-20-9電線(20 AWG線規(guī)，輕型重量的鍍銀銅導(dǎo)體)的試驗結(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的耐動態(tài)切通能力。

表3 M22759/86-20-9和M22759/91-20-9絕緣電線耐動態(tài)切通試驗試驗結(jié)果比對

3.3 溫度

航空絕緣電線需要測試高溫下的耐動態(tài)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(chǎn)品標準規(guī)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(jié)果:(1)絕緣材料抗切刀切割的能力變?nèi)酰娋€的耐動態(tài)切通能力隨之下降;(2)絕緣材料強度下降，對導(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，電線的耐動態(tài)切通能力反而會提高。

溫度對電線耐動態(tài)切通能力的影響可以通過表1、表2和表3所給出的試驗結(jié)果得到驗證。表1所列的銅合金導(dǎo)體電線，因為導(dǎo)體的剛性過強，形變能力較小，故電線的耐動態(tài)切通能力主要由絕緣的機械強度提供。在高溫的動態(tài)切通過程中，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明顯提高，而絕緣材料的機械強度則明顯下降，導(dǎo)致電線的耐動態(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，因為導(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，所以高溫下測得的動態(tài)切通試驗結(jié)果反而明顯高于常溫。

4 結(jié)束語

產(chǎn)品標準規(guī)定的技術(shù)指標和試驗方法是電線電纜企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品以及進行生產(chǎn)的重要依據(jù)。耐動態(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性能非常重要的一項技術(shù)指標。

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，還有其他因素會影響到電線的耐動態(tài)切通能力。例如:適當(dāng)減少繞包過程中的絕緣薄膜張力可以降低其對導(dǎo)體的束縛能力，可以使得導(dǎo)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(tài)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(yè)應(yīng)通過大量的驗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，有效提高電線的耐動態(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］.