一种宇航用轻型高导电率耐串弧耐辐照电缆及其制造工艺的制作方法

本发明涉及一种宇航用轻型高导电率耐串弧耐辐照电缆及其制造工艺，属于电缆技术领域。

背景技术：

随着对宇宙环境研究的深入，对航天布线及布线系统提出了更高的可靠性要求，具体表现为重量、真空逸气性，耐原子氧、耐串弧性、抗紫外线、高能辐照的抵御能力，以及它的阻燃性、机械性能都提出了更高的要求。在航空航天史上，由于电缆引起的失效事故不在少数。美国航天局（nasa）明确提出禁止使用单纯的聚酰亚胺或单纯由其它芳香族聚合物、单纯用氟塑料构成绝缘的电线电缆。对于像卫星这样的航天器而言，所面临的首要问题莫过于航天器自身重量的降低。对于卫星星体中数百公斤重的电子线路系统以及构成有效载荷的电子元件，包括电线电缆，都必须设法减轻它们的重量。重量的减轻可节省每公斤数百美元的发射费用，同时能腾出更多的重量和空间位置，使卫星能携带更多的燃料，从而可以大大提高卫星的有效运行寿命。

串弧性（arctracking，arcpropagation），是指存在于两根或多根导线间的一种电击穿扩展现象，表现为一旦一个线路产生一个电气失效，这个失效会向另外的线路扩展，导致线路严重失效，甚至快速燃烧。现已查明，由纯粹的聚酰亚胺薄膜绕包的绝缘电线组成的线路系统比较容易发生，并导致令人吃惊的失效。

真空逸气性（outgassing），是在高真空下物质的挥发（气化），是宇航用线的一个新要求，研究表明地球表面的大气压为760mmhg，这也就是地面的真空度。而在高度为250km的高空，其真空度会达到10^-6mmhg，高度在650km的高空，真空度达到10^-12mmhg，最现代的定位卫星，飞行轨道高度达到8000km左右，真空度还要高，在这样的高真空下很多物质很容易直接从固态挥发。一方面物质的挥发是一种损害，另一方面更令人不能接受的是挥发物质会沉降，遇冷会凝集，这样会污染电气设备，减损光学棱镜的光学表面及镜面的光学灵敏度，使卫星不能正常工作，严重的甚至会发生腐蚀。据此，nasa及cast都对高真空下的总逸气量（总失重，tml）规定了≦1﹪的要求，而对总凝集量（cvcm）规定了≦0.1﹪的要求。

关于原子氧（atomoxygen），研究表明高空除了宇宙线、紫外线辐照外，在高空还存在着高流量的原子氧群体，原子氧对飞行器表面材料产生侵蚀，使其严重降解和破坏。在低轨道卫星（led）飞行高度，原子氧群体产生的冲击能量达到5ev。在卫星外涂0.0508mm的pi，在低轨道上飞行，只需5-7天使它全散发至低轨道所处环境中。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种宇航用轻型高导电率耐串弧耐辐照电缆及其制造工艺，本发明同时使用新型的多种复合材料，达到满足宇航电缆对重量、真空逸气性、耐原子氧、耐串弧性、抗紫外线、抵御高能辐照、阻燃、良好机械性能的要求。

本发明的技术方案如下：

一种宇航用轻型高导电率耐串弧耐辐照电缆，其特征是，该电缆包括导体以及在导体外依次设置的内绝缘层、外绝缘层，所述导体采用若干根高导电率无银铜合金紧压绞合而成，所述内绝缘层为改性聚硅氧烷-聚酰亚胺复合薄膜绕包而成，所述外绝缘层由改性x-etfe挤塑而成。

优选地，所述高导电率无银铜合金为19根，每根高导电率无银铜合金的直径为0.20mm。

优选地，所述改性聚硅氧烷-聚酰亚胺复合薄膜为2层，每层的厚度为0.03mm，绕包重叠率50-54%。

优选地，所述改性x-etfe为一层，厚度为0.13mm。

上述一种宇航用轻型高导电率耐串弧耐辐照电缆的制造工艺，其特征是，包括以下步骤：

1）制备导体：

该导体采用19根直径为0.20mm的高导电率无银铜合金紧压绞合而成，紧压绞合使得导体表面光滑无毛刺；

2）绕包内绝缘层：

在导体外绕包2层厚度为0.03mm的改性聚硅氧烷-聚酰亚胺复合薄膜，形成内绝缘层，绕包重叠率50-54%；内绝缘层绕包结束后放入烧结炉高温烧结，将各绕包层间空气排出并形成密封；

3）挤塑外绝缘层：

高温烧结的同时，通过挤塑的方式在内绝缘层表面挤包一层厚度为0.13mm的改性x-etfe形成复合绝缘；最后将电缆进行辐照，制得成品电缆。

优选地，步骤2）中，在导体外通过合适的绕包角度进行绕包，该绕包角度为45°。

优选地，步骤2）中，所述烧结炉长3米，以800℃高温烧结。

优选地，步骤3）中，对电缆进行辐照使得改性x-etfe分子键进行重组，达到耐温230℃的要求；改性x-etfe辐照后其分子结构由线性分子链重组为网状，强度可达48mpa。

本发明的有益效果如下：

a.导体采用19根0.20mmhgln—高导电率无银铜合金紧压绞合而成，紧压绞合使得导体表面光滑无毛刺，防止局部放电或电弧产生。

采用hgln—高导电率无银铜合金，电阻率低至0.01622ω·mm²/m；导电率稳定达到106.3%（iacs），比铜材的导电率提高了4-5个百点，极大提高了电缆的载流量，实现了小截面导体传输大电流的作用。

同时使得电缆细径化，极大节省了布线空间及减轻了电缆重量，在相同载流量的情况下，比传统铜导体重量减轻了约10%以上。

b.内绝缘层采用了改性的聚硅氧烷-聚酰亚胺复合薄膜（pi-pdms-pi），其实施方式为在导体外通过合适的绕包角度（45°）及精密张力控制和节距控制系统绕包2层厚度为0.03mm改性聚硅氧烷-聚酰亚胺复合薄膜（pi-pdms-pi），绕包重叠率52%±2。然后采用3米长烧结炉以800℃高温烧结，通过烧结后将各绕包层间空气排出并形成密封。

该改性聚硅氧烷-聚酰亚胺复合薄膜（pi-pdms-pi）即具有无机硅和聚酰亚胺优越的耐高温性和耐热性，同时又克服了聚酰亚胺易被原子氧侵蚀的缺点，纯聚酰亚胺耐原子氧侵蚀率：原子动能4.5ev时，3.0*10^-24cm³/atcm，pi-pdms-pi耐原子氧侵蚀率：原子动能4.5ev时，0.05*10^-24cm³/atcm。

c.在改性的聚硅氧烷-聚酰亚胺复合薄膜（pi-pdms-pi）烧结的同时通过挤塑的方式在改性pi-pdms-pi表面挤包一层厚度为0.13mm的改性x-etfe形成复合绝缘，然后通过“表皮辐照”技术，控制加速粒子的电压及剂量，对电缆进行辐照使得改性x-etfe分子键进行重组，达到耐温230℃的要求。采用该结构的原因是，x-etfe同时具备feppfaptfe良好的阻燃性，氧指数可达70%，又改善了传统宇航电缆所使用的fep、pfa、ptfe等材料不耐辐照及聚酰亚胺材料易引起串弧的缺点。

x-etfe辐照后其分子结构由线性分子链重组为网状，强度可达48mpa，远大于fep、pfa、ptfe的机械强度，极大提高了电线的机械性能。x-etfe材料密度仅为1.18g/cm3，比传统feppfaptfe材料重量减轻了50%以上，该x-etfe即便是在5*10⁹rads照射强度下长期使用，仍可保持良好的机械性能，寿命可达50年以上。该双层绝缘结构可以组织在电弧蔓延过程中由于热降解生产炭的途径，从而阻止串弧现象的发生。

本发明制得的宇航用轻型高导电率耐串弧耐辐照电缆，能够适应宇航飞行器等苛刻环境下工作，具有优异的电性能、机械性能、耐高低温性能、力学性能，耐辐照性能、耐原子氧性能、真空脱气性等，能在（-100～+230）℃范围内长期使用。

附图说明

图1为本发明宇航用轻型高导电率耐串弧耐辐照电缆结构示意图；

图中：1导体、2内绝缘层、3外绝缘层。

具体实施方式

如图所示，一种宇航用轻型高导电率耐串弧耐辐照电缆，包括导体1、内绝缘层2、外绝缘层3。

该宇航用轻型高导电率耐串弧耐辐照电缆的制造工艺，包括以下步骤：

1）制备导体：

该导体采用19根直径为0.20mm的高导电率无银铜合金紧压绞合而成，紧压绞合使得导体表面光滑无毛刺；

2）绕包内绝缘层：

在导体外通过合适的绕包角度（45°）绕包2层厚度为0.03mm的改性聚硅氧烷-聚酰亚胺复合薄膜，形成内绝缘层，绕包重叠率50-54%；内绝缘层绕包结束后放入3米长的烧结炉以800℃高温烧结，将各绕包层间空气排出并形成密封；

3）挤塑外绝缘层：

高温烧结的同时，通过挤塑的方式在内绝缘层表面挤包一层厚度为0.13mm的改性x-etfe形成复合绝缘；最后将电缆进行辐照，制得成品电缆。

对电缆进行辐照使得改性x-etfe分子键进行重组，达到耐温230℃的要求；改性x-etfe辐照后其分子结构由线性分子链重组为网状，强度可达48mpa。

本发明制得的电缆，其电缆性能指标：

1.真空总逸气量：

tml≦0.3﹪，真空度10^-6mmhg；

tml≦0.4﹪，真空度10^-12mmhg；

tml≦0.6﹪，真空度10^-14mmhg。

2.挥发物质总凝集量：

cvcm≦0.03﹪，真空度10^-6mmhg；

cvcm≦0.05﹪，真空度10^-12mmhg；

cvcm≦0.08﹪，真空度10^-14mmhg。

3.额定电压：600v。

4.工作温度：-100℃-230℃。

5.耐辐照强度：5*10⁹rads。

6.耐原子氧侵蚀率：4.5ev，0.05*10^-24cm³/atcm。

7.燃烧性能：供火时间30s，延燃时间≦3s，延燃长度≦70mm。

8.动态切通：200℃下，平均动态切通力≥9.1kg。

9.绝缘收缩：230℃*6h，收缩≦2s。

10.冒烟：230℃*15min，无可见烟。

11.黏连：230℃*6h，电线无黏连。

12.耐湿电弧：

7根0.35m长电线扎在一起组成1个线束，采用15个线束进行试验，其中至少80根电线通过2.5kv*1min耐压试验，每个线束中至少4根电线通过2.5kv*1min耐压试验，任何线束中，电线的实际损毁距离≦50mm。

13.耐干电弧：

7根0.35m长电线扎在一起组成1个线束，采用15个线束进行试验，其中至少80根电线通过2.5kv*1min耐压试验，每个线束中至少4根电线通过2.5kv*1min耐压试验，任何线束中，电线的实际损毁距离≦50mm。

14.热指数：10000h≧230℃。

15.绝缘电阻：1524mω*km。

16.耐压测试：2500v*5min不击穿。