新型聚酰亚胺复合材料无缝绕包电线磨损耐受性分析

付 磊，孙 颖

(1.沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳110035;2.中国人民解放军驻沈阳飞机工业(集团)有限公司 军事代表室，辽宁 沈阳110034)

0 引言

航空电线是飞机布线系统的关键组成部分，对飞机电气系统的安全性、可靠性有着重要的影响。电线绝缘层的损坏会使得铜导体线芯暴露，进而引起电弧、短路以及电磁辐射与干扰等问题，造成飞机布线系统故障。根据美国海军安全中心统计数据，在导致飞机布线系统故障的原因中，电线绝缘层擦伤约占全部故障的1/4。

1 四种航空电线的简介

聚酰亚胺是一种具有高介电强度和极高韧性的有机绝缘材料，在上世纪60年代被用于航空电线研制生产中。典型的绝缘材料结构是聚酰亚胺/氟46(FEP)复合材料，并且形成了MIL-W-81381电线标准，一度被航空系统所广泛采用。但在上世纪80年代后期，电气工程师发现MIL-W-81381电线如处于潮湿环境中，会导致聚酰亚胺的长聚合物链断裂及绝缘层变脆、产生裂纹，发生水解现象，绝缘层机械性能及电绝缘性能下降。此后，航空系统开始较少使用MIL-W-81381电线。

1978年美国防部颁布了MIL-W-22759/32-46(AS 22759/32-46)辐照交联氟40(XETFE)航空电线标准，该电线各方面性能平衡，但在高温下耐磨性能会下降。

1994年美国防部颁布了MIL-W-22759/80-92(AS 22759/80-92)聚酰亚胺复合材料绕包电线，其绝缘材料结构是聚四氟乙烯/聚酰亚胺/聚四氟乙烯(PTFE/PI/PTFE)复合带和聚四氟乙烯生料带组合绝缘，增加了强制水解试验要求，但在海军飞机中限制使用。

SAE于2010年颁布了最新的AS 22759/180-192聚酰亚胺复合材料无缝绕包电线标准，该电线是应美国海军航空系统司令部和美国空军的要求，在AS 22759/80-92电线标准的基础上研制，增加了光滑外表面的要求，代表着航空电线新的技术发展方向。

本文将对新型聚酰亚胺复合材料无缝绕包电线及辐照交联氟40(XETFE)电线的耐机械磨损性能进行对比分析。

2 耐刮试验

2.1 试验样品

(1)聚酰亚胺复合材料无缝绕包电线样品。试验选取了符合AS 22759/187标准要求的Nexans公司生产的22AWG电线(HN2N22-9)，长度为45 in(1 in=25.4 mm)，3个试验样品。

(2)辐照交联氟40(XETFE)电线样品。试验选取了TE公司(原Raychem公司)生产的辐照交联氟40(XETFE)22AWG电线(55PC0111-22)，长度为45 in，3个试验样品。

2.2 试验描述

(1)试验标准

按照AS 22759/187电线标准要求，需按照SAE AS 4373/301完成电线耐刮试验，该试验方法用于评估绝缘电线在不同温度下的磨损耐受性能。

(2)试验设备

磨损耐久性试验台应设计为可以在水平位置稳定地夹住样品，将样品纵向表面完全露出来。探针纵轴和样品应成正确的角度且探针磨损缘设置为90°底座，底座有半圆筒状凹槽来配合探针。附加到探针上方夹具上的重量为(1.10±0.01)lb［1 lb=0.454 kg］，应控制为垂直于电线绝缘表面。应使用电驱动机械装置和计数器以得到准确的平行于样品轴向的摩擦冲程数。探针摩擦表面接触到电线线芯导体后系统应自动停止。冲程长度应为0.40 in±0.05 in(10 mm±1 mm)，冲程频率应为每分钟110冲程(55循环±10)。一个向前冲程和一个向后冲程组成一个循环。试验台还应在样品周围设置围栏，以在高温试验中调节试验环境温度。试验台和探针见图1和图2。

图1 磨损耐久性试验台

(3)试验过程

将试验样品的一端绝缘层剥离并将电线线芯连接到电路探测设备，将周围温度调至23℃±2℃，开始试验并持续至在绝缘电线导体和摩擦探针之间电气导通，记录穿透绝缘层所需的循环数。每个样品进行10次试验，每次试验移动4 in±0.4 in(100 mm±10 mm)并且以同样的方向每次旋转90°。每个样品进行3次试验。

图2 摩擦探针

在试验台附近围栏施加热源并使用热电偶测量，使试验温度分别保持70℃±2℃、150℃±2℃、200℃±2℃、260℃±2℃。热电偶应置于电线磨损位置1 in内。开始试验前允许围栏以规定的温度稳定5 min，稳定后，开始试验并持续至在绝缘电线导体和摩擦探针之间电气导通。记录穿透绝缘层所需的循环次数。每个样品在规定的温度下进行3次试验。

2.3 耐刮试验结果

AS 22759/187电线耐刮试验结果见表1，辐照交联氟40(XETFE)电线试验结果见表2。

表1 AS 22759/187电线耐刮试验结果 (单位:次)

表2 辐照交联氟40(XETFE)电线耐刮试验结果(单位:次)

试验结果证实，AS 22759/187电线具有良好的耐磨损性能，并且150℃、200℃下的试验数值要远远高于70℃、23℃下的试验数值，表现出了聚酰亚胺材料所特有的一定高温范围内随温度升高磨损耐受性能不降返升的特性;而辐照交联氟40(XETFE)电线绝缘层的耐磨损性能随着环境温度的提高呈严重下降趋势，在高温环境下耐磨损性能较低。值得注意的是所选用的辐照交联氟40(XETFE)电线样本为单层绝缘电线，如选用双层绝缘电线，我们有理由相信试验数值会有所提高，但总体而言较AS 22759/187电线仍有明显的差距。

3 动态切割试验

3.1 试验样品

(1)聚酰亚胺复合材料无缝绕包电线样品。试验选取了符合AS 22759/187标准要求的Nexans公司生产的20AWG电线(HN2N20-9)，长度为36 in，3个试验样品。

(2)辐照交联氟40(XETFE)电线样品。选取了Nexans公司生产的辐照交联氟40(XETFE)20AWG电线(CM3N20-9)，长36in，3个试验样品。

3.2 试验描述

(1)试验标准

按照AS 22759/187电线标准要求，需按照SAE AS 4373/703完成动态切割试验，该试验方法用于衡量电线绝缘材料表面抗切削的能力，可在不同温度下进行。

(2)试验设备

使用一台处于压缩模式的拉伸测试仪;一台记录钨碳合金刀片切透电线绝缘层所需载荷的记录仪，钨碳合金刀片见图3;一套设计用于当钨碳合金刀片切透电线绝缘层并且接触到线芯导体时停止测试设备继续运动的监控电路;样品支座应是使样品与切割刀片呈90°的一个金属平面;试验台还应在样品周围设置围栏以在高温试验中调节试验环境温度。

图3 钨碳合金刀片

(3)试验过程

将试验样品的一端绝缘层剥离1 in，并将电线线芯连接到监测电路上，当刀片切透电线绝缘层并且接触到线芯导体时停止切割动作。将周围温度调至23℃±2℃开始试验。以0.5 in/min的恒定速度移动刀片通过电线绝缘层，直到接触到线芯导体。在每个样品上进行4次试验，每次试验移动至少1 in，并且同方向上旋转90°。切透所需的载荷为4次试验结果的平均值。

在试验台附近围栏施加热源并使用热电偶测量，使试验温度分别保持150℃±2℃、200℃±2℃、260℃±2℃，按上述要求重复试验。每个样品在规定的温度下进行3次试验。

3.3 动态切割试验结果

AS 22759/187电线动态切割试验结果见表3～表6。

表3 23℃动态切割试验结果 (单位:lb)

表4 150℃动态切割试验结果 (单位:lb)

表5 200℃动态切割试验结果 (单位:lb)

表6 260℃动态切割试验结果 (单位:lb)

辐照交联氟40(XETFE)电线耐切割试验结果见表7～表8。

表7 23℃动态切割试验结果 (单位:lb)

表8 150℃动态切割试验结果 (单位:lb)

试验结果表明，AS 22759/187电线具有良好的抗切削性能，各温度下的试验数值均明显高于标准要求;而辐照交联氟40(XETFE)电线在23℃下表现出了良好的抗切削性能，但在150℃温度下电线绝缘层的抗切削能力已呈现严重下降趋势，试验数值较低，故此未进行200℃、260℃温度下的试验。

4 结束语

由于辐照交联氟40(XETFE)电线在高温环境下耐磨损性能较低，故此为保证飞机电气系统工作的可靠性与安全性，飞机线束通常会选择在电线外增加胶布套管等保护材料，这增加了飞机的重量;而新型聚酰亚胺复合材料无缝绕包电线不论常温、高温环境下都表现出了良好的磨损耐受性能，这大大提高了飞机布线系统的安全性和可靠性，并且可以取消电线外部的线束保护材料，减轻了飞机重量。