新型耐高溫電纜的設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝
1、新型高溫導(dǎo)體的設(shè)計(jì)要求
耐高溫導(dǎo)線可在各類變壓器、互感器、傳感器中用于傳輸模擬信號、電脈沖、控制電流等,以封閉電磁場傳輸方式工作的耐高溫同軸電纜在高溫場合可以用于傳輸高頻信號或一般場合傳輸較大功率的高頻信號。隨著科技的不斷發(fā)展,對耐高溫導(dǎo)線使用溫度的要求越來越高,導(dǎo)線尺寸也越來越小。表1為一種新型耐高溫導(dǎo)線的主要電性能和機(jī)械性能要求。
2、新型耐高溫導(dǎo)體的選材和結(jié)構(gòu)
a.合理選擇耐高溫導(dǎo)線的結(jié)構(gòu),使其滿足導(dǎo)線使用溫度、絕緣電阻和機(jī)械性能的要求。結(jié)構(gòu)尺寸確定的原則是在限定的耐高溫導(dǎo)線總外徑下盡可能地放大芯線的絕緣外徑,以減小高溫導(dǎo)線的直流電阻。
b.強(qiáng)化工藝過程控制,采取特殊而有效的工藝措施,確保耐高溫導(dǎo)線的電氣性能和連續(xù)制造長度。
2.1 導(dǎo)體材料
耐高溫導(dǎo)線的導(dǎo)體基料一般是以銅為主,其表面可以鍍上耐高溫的金屬鍍層。在高溫狀態(tài)下銅導(dǎo)體的表面隨著溫度的升高和時(shí)間的增長,加速老化的過程變得越來越嚴(yán)重,老化過程最終使導(dǎo)體的傳輸能力逐漸降低,而這是人們所不希望的。在選擇新型耐高溫導(dǎo)線的導(dǎo)體材料時(shí),不僅要考慮其必須傳輸較大的電流,而且還應(yīng)考慮到大電流會使導(dǎo)線發(fā)熱。為了避免和延遲這個過程,可以在銅導(dǎo)體的表面鍍上分子結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的金屬,如銀或鎳。為確保該新型耐高溫導(dǎo)線在高溫狀態(tài)下的導(dǎo)電性,我們采用了直徑為0.75 mm軟態(tài)銅線進(jìn)行鍍鎳,鍍鎳后的導(dǎo)線用孔徑為0.70 mm的拉絲模過模,以保證芯體直徑在(O.7O士0.02)mm之間。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn),鍍鎳銅線的鍍鎳層厚度必須大于3 p.m,且過模后的導(dǎo)線最好不再進(jìn)行彎曲。
2.2 絕緣材料
由于高硅氧玻璃纖維紗(玻璃絲)具有良好的絕緣性和優(yōu)良的耐高溫特性,因而是耐高溫導(dǎo)線首選的絕緣材料之一。通常根據(jù)高溫導(dǎo)線的規(guī)格來選擇高硅氧玻璃纖維紗的耐溫等級及其規(guī)格支數(shù)。支數(shù)越大,高硅氧玻璃纖維紗就越細(xì),而且柔軟,但其抗拉強(qiáng)度相對較差;反之,支數(shù)越小,高硅氧玻璃纖維紗就越粗,其抗拉強(qiáng)度越大,但柔軟度較差。
普通高硅氧玻璃纖維紗絕緣耐高溫導(dǎo)線能在400℃ 左右使用,也可在特殊高溫(如瞬間達(dá)到800℃)的場合中使用。但長期在過高溫度狀態(tài)下使用,其電性能和機(jī)械性能就會被破壞,嚴(yán)重時(shí)將影響其正常使用。由表1可知,此新型耐高溫導(dǎo)線的規(guī)格較小,絕緣層較薄,需長期在500℃甚至更高溫度下工作,且在如此高溫下絕緣電阻須達(dá)到50 MΩ(50O V),國產(chǎn)的高硅氧玻璃纖維紗通過傳統(tǒng)工藝很難滿足這些要求。雖然國產(chǎn)高硅氧玻璃纖維紗已從質(zhì)量上很大的提高,部分技術(shù)指標(biāo)也逐漸趨于穩(wěn)定,但生產(chǎn)廠家提供的樣本中電性能指標(biāo)語焉不詳,有些甚至是空白。例如:某專業(yè)生產(chǎn)廠采用三元系統(tǒng)玻璃制造設(shè)備生產(chǎn)后再進(jìn)行處理的高硅氧玻璃纖維紗(性能指標(biāo)如表2所示),具有較高的機(jī)械強(qiáng)度,耐高溫性能也較好,能長期在500℃環(huán)境中工作;但當(dāng)溫度為400℃左右時(shí),其絕緣性能因溫度的升高而降低,當(dāng)溫度為500℃ 時(shí),其絕緣電阻幾乎為零。
顯然,用此高硅氧玻璃纖維紗和傳統(tǒng)工藝制造的高溫導(dǎo)線只能滿足機(jī)械性能要求,難以滿足絕緣性能的要求。通過多次實(shí)踐,我們制作絕緣時(shí)采用在高硅氧玻璃纖維紗中涂覆具有優(yōu)良絕緣性能的耐高溫涂料并烘烤的方法,實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)線在500℃ 時(shí)絕緣電阻達(dá)到50 MΩ(500 V)的要求。因而,我們所選擇的高硅氧玻璃纖維紗必須是能耐500℃的高溫,可方便地涂覆耐高溫涂料,并且涂覆后的導(dǎo)線應(yīng)能承受使導(dǎo)線表面干燥的高溫爐烘烤及之后的卷繞。
2.3 導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)
高硅氧玻璃纖維紗絕緣耐高溫導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)有多種形式:裸銅線+高硅氧玻璃纖維紗繞包、鍍鎳銅線+高硅氧玻璃纖維紗繞包、鍍銀銅線+高硅氧玻璃纖維紗繞包十四氟乙烯護(hù)套、鍍銀銅線+高硅氧玻璃纖維紗繞包+硅脂浸漬+四氟乙烯護(hù)套、鍍鎳銅線+高硅氧玻璃纖維紗繞包+耐高溫涂覆液浸漬等。我們采用了鍍鎳銅線+高硅氧玻璃纖維紗繞包+耐高溫涂覆液浸漬結(jié)構(gòu)。為了減小耐高溫導(dǎo)線的直流電阻,鍍鎳銅線應(yīng)平整、圓滑,高硅氧玻璃纖維紗應(yīng)均勻柔軟,耐高溫涂覆液應(yīng)為有機(jī)固化油漆,并且采用合理的工藝措施,合適的固化燒結(jié)溫度。
3 、新型耐高溫導(dǎo)線的制作
由于耐高溫導(dǎo)線的使用環(huán)境比較特殊,在數(shù)百攝氏度的高溫環(huán)境中導(dǎo)線幾乎一直進(jìn)行著加速老化,導(dǎo)線上任何瑕疵和斑點(diǎn)都將影響導(dǎo)線的使用壽命,因此耐高溫導(dǎo)線的材料選擇、工藝制作、制造環(huán)境、清潔程度十分重要。耐高溫導(dǎo)線整個制造過程可分為導(dǎo)體尺寸定位、高硅氧玻璃纖維紗復(fù)繞、絕緣繞制、涂覆液浸漬、高溫烘烤燒結(jié)等幾個步驟。在試制過程中必須根據(jù)工藝要求對導(dǎo)線制造設(shè)備進(jìn)行必要調(diào)整,如與理想的工藝相差距離太大時(shí)還須對制造設(shè)備進(jìn)行部分改造。
3.1 導(dǎo)體整形
鍍鎳銅線導(dǎo)體可用拉拔模進(jìn)行整形,使導(dǎo)體尺寸定位在規(guī)定的范圍中。在拉拔過程中必須注意的是應(yīng)選用合適的拉絲液,并且在整形后必須將拉絲液清洗干凈,以免殘留而在高溫狀態(tài)時(shí)對導(dǎo)線造成不良影響,以及在特定環(huán)境中釋放不良?xì)怏w而對環(huán)境造成不必要的污染。
3.2 高硅氧玻璃纖維紗復(fù)繞
一般是將選定支數(shù)的幾股高硅氧玻璃纖維紗復(fù)繞合并起來作為耐高溫導(dǎo)線的絕緣,使導(dǎo)線更細(xì)膩、光滑、柔軟。復(fù)繞時(shí)高硅氧玻璃纖維紗被安放在特定的支架上,通過上引法導(dǎo)出纖維紗并控制好每股的張力,經(jīng)過蜂房式繞線收在繞包設(shè)備專用骨架上。如纖維紗張力控制不當(dāng),合并后的高硅氧玻璃纖維紗會松緊不均勻、粗細(xì)不一致、表面毛糙;反之,則合并后的高硅氧玻璃纖維紗粗細(xì)均勻、平整光滑。高硅氧玻璃纖維紗合并復(fù)繞中的清潔問題必須引起重視,一旦粉塵侵入合并后的高硅氧玻璃纖維紗中,粉塵將永遠(yuǎn)存在而無法清除,造成耐高溫導(dǎo)線在耐溫等級、絕緣性能、傳輸損耗等方面的性能急速降低,嚴(yán)重
時(shí)將影響到耐高溫導(dǎo)線的使用壽命。
3.3 絕緣繞制
耐高溫導(dǎo)線制作過程中的絕緣繞制是非常關(guān)鍵的工序,絕緣繞制時(shí)必須嚴(yán)格控制高硅氧玻璃纖維紗繞包的節(jié)距和外徑,其關(guān)鍵是選用合理的配合齒輪,嚴(yán)格控制高硅氧玻璃纖維紗的放紗張力。繞制成型后的導(dǎo)線須平整、光滑、圓整。從新型耐高溫導(dǎo)線要求的尺寸可以看出,高硅氧玻璃纖維紗絕緣層厚度只有0.2 mm,所以對繞包工藝要求相當(dāng)高。
耐高溫導(dǎo)線的導(dǎo)體在專用的繞包機(jī)上進(jìn)行高硅氧玻璃纖維紗的繞制。通常繞包機(jī)的繞包頭有切線式和同心式兩種。切線式繞包的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)專用骨架上繞包材料繞完后,添加材料時(shí)不必剪斷主導(dǎo)體,這樣能保證被加工導(dǎo)線的連續(xù)長度;缺點(diǎn)是繞制時(shí)導(dǎo)線晃動較大以及高硅氧玻璃纖維紗在通過數(shù)道過渡導(dǎo)輪后纖維起毛而影響后道工序。在繞制其他材料時(shí)切線式繞包是一種很好的繞制方式,但在繞制高硅氧玻璃纖維紗或類似的材料時(shí)需慎重考慮。同心式繞包的優(yōu)點(diǎn)是繞制時(shí)導(dǎo)線晃動較小,并且高硅氧玻璃纖維紗通過的過渡導(dǎo)輪也較少,起毛現(xiàn)象沒有切線式繞包嚴(yán)重,繞包時(shí)張力的調(diào)節(jié)也比較方便;缺點(diǎn)是當(dāng)專用骨架上的繞包材料繞完后,添加材料時(shí)必須剪斷主導(dǎo)體,然后再進(jìn)行換盤、穿線、重新接線,這給繞包操作帶來一定不便。無論采取那種繞包形式,第一層繞包和第二層繞包的繞制方向必須相反。如需要進(jìn)行多層繞制時(shí),必須遵守的原則是正在繞制的繞制方向須與上一層的方向相反,這樣導(dǎo)線的表面非常緊湊、光滑、平整,整個絕緣層細(xì)膩均勻。在繞包時(shí)我們采用了較小的繞包節(jié)距,繞包后導(dǎo)線表面非常平整、光滑,最終將導(dǎo)線的外徑控制在1.1 mm 以內(nèi),符合了新型耐高溫導(dǎo)線技術(shù)指標(biāo)的要求。
3.4 涂覆層涂制
在進(jìn)行高硅氧玻璃纖維紗繞包時(shí),必須同步進(jìn)行有機(jī)耐高溫涂覆材料的涂制。由于高溫涂覆材料一般都是比較稀薄的液體(如水一般),因此在導(dǎo)線放出到達(dá)繞包頭之間可以放置一個容器,導(dǎo)線穿過含有高溫涂覆液的容器時(shí),導(dǎo)體表面被高溫涂覆液浸潤涂覆。高溫涂覆液涂覆后的導(dǎo)線通過第一個繞包頭完成了高硅氧玻璃纖維紗第一層繞包;接著通過含有高溫涂覆液的容器進(jìn)行二次涂覆;然后通過第二個繞包頭完成高硅氧玻璃纖維紗的第二層繞包;再次通過含有高溫涂覆液的容器進(jìn)行三次涂覆。我們根據(jù)新型耐高溫導(dǎo)線的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)的需要,選擇了合適的繞包層數(shù)、涂覆浸漬液和涂覆的次數(shù),使高溫導(dǎo)線達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。在整個繞包涂覆過程中還必須注意:a.制作環(huán)境(特別是涂覆容器)的清潔。b.涂覆液的配比和濃度,制造時(shí)環(huán)境溫度最好為18~26℃ 。c.導(dǎo)線的圓周面不允許出現(xiàn)垂滴現(xiàn)象。
3.5 烘烤燒結(jié)
在高硅氧玻璃纖維紗表面浸漬液未干燥前導(dǎo)線絕對不能卷繞,只有經(jīng)過燒結(jié)爐高溫烘烤燒結(jié),且導(dǎo)線表面的涂覆干燥后才可收盤。烘烤燒結(jié)時(shí)要考慮烘烤溫度和烘烤時(shí)間這兩個參數(shù)。烘烤溫度是由導(dǎo)線的材料、導(dǎo)線的幾何尺寸和浸漬液的配比等因素確定。烘烤溫度過低,會使導(dǎo)線表面干燥,而絕緣內(nèi)部還有殘留的未燒結(jié)浸漬液,影響導(dǎo)線的電氣性能;烘烤溫度過高,導(dǎo)線將會被烤焦,影響導(dǎo)線的機(jī)械性能,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致導(dǎo)線損壞,無法使用。烘烤溫度的選擇還須根據(jù)烘烤燒結(jié)的時(shí)間綜合考慮。烘烤時(shí)間一般由導(dǎo)線在燒結(jié)爐內(nèi)停留的時(shí)間決定。合適的烘烤溫度和必要烘烤時(shí)間將使最終制得的耐高溫導(dǎo)線表面干燥、光滑、無疙瘩、無起皮,導(dǎo)線彎曲自如,通過收線裝置可將導(dǎo)線均勻收排到合適的導(dǎo)線盤上。
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