专利名称：改善介电损失因子的高频信号电缆及其制造方法
技术领域：
本发明涉及到电缆制造，尤其涉及到制造具有大大改善其应用电气特性的电缆，其应用中包括有高频(如射频和微波)电信号。另外，本发明提供了以环境安全方式而不使用含氯氟烃制造这种电缆的方法。
这种用于携带高频RF和微波信号的电缆，通常包括一个具有一个或多个内导体的芯，它由介质材料包围着，而介质材料则由一个外导体或外皮包围着。单个或多个内导体以及外导体由适宜的导电金属制造，如铜、铝和各种合金，而介质材料通常由一种聚合物，如发泡聚乙烯或含氟聚合物构成。
电缆芯最通常是靠在单个或多个内导体周围挤压聚合物和挥发性发泡剂的混合物来制造。挥发性发泡剂被注入挤压机的桶，且在挤压机压力下与聚合物混合。在从挤压机中射出时，发泡剂形成一种气体，该气体可控地使聚合物膨胀;以产生一种具有微细均匀和密闭气胞(cell)结构的聚合物泡沫。含氯氟烃化合物已最广泛地用于各种型式发泡剂，用来从含氟聚合物和烯烃中制造泡沫介质材料，其所需要的泡沫膨胀率大于2。例如，授于Wilkenloh等人的美国第4104481和4107354号专利，揭示了使用含氯氟烃(CFC)发泡剂(如CFC-12，CFC-114，CFC-113，CFC-11)及这些气体的混合物由泡沫聚乙烯介质材料构成电缆的方法。CFC-22(CHClF2;氯二氟甲烷)是另一种通常使用的含氯氟烃发泡剂。
虽然泡沫聚合物介质材料具有满意的绝缘特性(即介电常数低)介质材料的固有介质损耗因子tanδ造成电缆在高频RF和微波时工作的不希望的电信号衰减。这个功率损耗(有时称为“介质损耗”)促使电信号损耗。已经尝试过通过改善制造泡沫介质材料的聚合物的介质损耗特性来改善电缆的信号损耗，且已发明数种专门的聚合物用于这个目的。但是，已经发现制造泡沫结构所使用的发泡剂也加剧不希望的介质损耗。封闭在聚合物气胞内的发泡剂气体有它本身的介质损耗因子tanδ，它加剧泡沫介质材料的介质损耗。另外，发泡剂可以在挤压条件下热致分解，且分解生成物或化合物或由分解生成物和泡沫介质材料的相互作用形成的基也可促使不希望的信号衰耗。任一个这种机理都对泡沫介质材料的信号衰耗性质具有严重不利的影响。这个问题对含氟聚合物特别麻烦，例如氟化乙烯-丙烯(FEP)聚合物。由于这些聚合物是在比聚乙烯温度高得多(约为315℃与149℃相比)的温度下被挤压的，较高的温度就更可能降低发泡剂性能成为有害的电气分解生成物。
从以上叙述，本发明一个重要的目的是改善高频电缆电信号衰耗特性。更具体说，本发明的目的是改善如聚烯和含氟聚合物这样的泡沫聚合物介质材料的这种高频电缆的电信号衰耗特性。
近年来已经认识到，含氯氟烃危害地面以上的同温臭氧层，该层的作用是阻止有害的太阳紫外线。在同温臭氧层厚度降低情况下，就有较高含量的紫外线光传过来，这就增加了对人体健康的危险，例如皮肤癌和眼的问题以及其它危害。在1978年，美国禁止了在烟雾喷射缸中CFC类的使用，但是这些化学制品继续在其它应用场合被广泛地使用，例如制造泡沫。“对臭氧无害的致冷剂的研究”(发现科学世界，1988年7月，第24页)。
环境保护部EPA近来下令削减50%侵蚀地球臭氧层而受责的化学制品的产量。EPA命令将某些被制造和使用的损害环境的CFC限制到接近1986年总量的水平，随后到1993年中期缩减20%和1998年中期缩减50%。EPA的行动不断反映了1987年9月三十七个国家签署的国际协定。
已经发现了数种代用的含氯氟烃，并建议用它们取代有害于环境的CFC。已经发现，许多这些代用的化合物都适于以前采用受限制的CFC的制造应用场合。但是这些代用的CFC在各种制造的应用中的毒物学上的影响尚待充分加以估计。这些代用的化合物典型地依赖于化合物固有的化学不稳定性，以使它们对环境是安全的，所以，当化合物到达臭氧层时，它们就分解出无害的副产品。但是，这种固有的化学不稳定性会使这些化合物在通过熔化挤压，特别是在含氟聚合物要求升高挤压温度下制造泡沫电缆介质材料中不合要求;这是由于上面提到的，发泡剂的分解对介质材料的电信号损耗性质有严重的不利影响。
生产适用于高频导线及电缆应用的泡沫聚合物介质材料带来了一堆特殊而苛刻的要求，这是采用传统的CFC或新开发的代用CFC的许多其它应用场合中都未遇到过的。发泡剂气体须是无毒、无腐蚀性的;须具备适宜的热力学特性，使聚合物发泡沫到一个高的膨胀率(典型膨胀率为2或更大);须在它与之一起使用的特定的聚合物中具有兼容的溶解度和扩散性;且它须在高达600°F(315℃)的温度F具有良好的热稳定性。
于是，本发明的另一个重要目的是要为生产高频电缆产品提供采用一种泡沫介质材料，而又最大限度地减小或消除使用受限制的、对环境有害的含氯氟烃发泡剂。
本发明还有另一个目的是提供一种电缆的泡沫介质材料，它具有优良的高频电信号损耗特性，且不采用对环境有害的含氯氟烃发泡剂。
本发明基于采用六氟化硫(SF6)作为生产高频电缆的发泡剂。六氟化硫气体呈现出独一无二的特性，该特性使得它作为电缆介质材料的一种发泡剂气体要比过去采用的其它气体好得多。尤其是，用六氟化硫(SF6)作为发泡剂会得到优良的高频电缆，其电信号损耗特性优于含氯氟烃制成的电缆。但是尚未发现六氟化硫对臭氧层有害，并且它按照使用对环境安全的发泡剂的现行EPA准则亦是合格的。
鉴于六氟化硫的高介电强度特性，以前曾用于电力电缆中。例如，美国第3582533号专利揭示了一种用于地下的高压电力电缆，在该应用场合，在导体和地面之间的电晕放电和高电压电弧，靠具有截留在其气胞内的六氟化硫的泡沫包围着导体而得以避免。日本专利公报48-98385和53-20665也揭示了动力电缆，鉴于六氟化硫的有利的高介电强度特性而用于动力电缆中。在这些参改文献中，一个聚乙烯的非泡沫层被注入六氟化硫气体且形成了一个包围着动力电缆导体的绝缘层。
日本专利公开55-19764揭示了一种制造电缆的方法，其中采用氟化烃或六氟化硫发泡剂制造泡沫交联烯烃树脂绝缘层。对六氟化硫渗透系数小的非泡沫树脂的外皮包围着泡沫层，以延缓六氟化硫在时间过程中被空气的取代。这个参考文献采取了六氟化硫在高电压条件下(如15-35千伏，4千赫)高介电强度的优点。但是，它并未提到在射频RF或微波频率下使用该电缆，也没涉及到介质材料的介质损耗因子。其目标用途可认为是作为动力电缆，而不是信号电缆。信号电缆与动力电缆在它们的目标用途和设计考虑以及电气特性上都是根本不同的。所以，以前并未认识到六氟化硫作为高频信号电缆介质材料发泡剂的令人吃惊和意外的优良品质，也没有现有技术讲述过用六氟化硫发泡剂制造泡沫介质材料可以实现在高频信号电缆中大大降低耗散损失。
本发明所属的这种型式的电缆用于传输高频(即RF及微波)信号。其例子包括计算机电缆，公用天线及电视(CATV)电缆以及局部地区网络(LAN)电缆。这些电缆至少包括一个内导体，一个包围着内导体的外导体，以及置于内导体和外导体之间并用于将内、外导体互相绝缘的泡沫介质材料。电缆可以是同轴的或为多芯电缆及成对双绞芯电缆的型式。
泡沫介质材料具有相当高的膨胀率(2或更大);且用六氟化硫气体发泡剂制造。它包括内部具有大量气胞的聚合物基质，气胞内包含着包括六氟化硫的剩余发泡剂。
制造电缆的方法为在至少一个内导体周围挤压熔化的聚合物和包括六氟化硫的发泡剂的混合物;使该混合物膨胀以形成泡沫;围绕着膨胀的泡沫介质材料设置外导体。聚合物宜包括聚烯聚合物，如聚乙烯;或含氟聚合物，如氟化乙烯-丙烯(FEP)或全氟烷氧基(PFA)聚合物。
对本发明的一些特性及优点已经进行了叙述，通过下边详细叙述以及从附图中，其它的特性和优点将会明了，在附图中
图1是本发明同轴电缆的不完全透视图;
图2是本发明多芯电缆的不完全透视图;以及图3是本发明电缆的制造装置的截面图。
尽管下边将具体参考附图对本发明进行叙述，但一开始就应该理解，在仍实现本发明的满意特性及特征的同时，可以与这里所示出和叙述的内容在具体细节上有变化。因此，意在要理解下边的叙述是对技术熟练的人员所作的宽范围指导性公开，并且是非限定性的。
现在更详细地参考附图，在图1中所述的具体电缆是一个同轴电缆，它包括一个由内导体11构成的芯，导体11由泡沫聚合物介质材料12包围。该芯被一个铝箔层14构成的外导体包围，一个金属编织层16覆盖着该箔层的外圆周。由适用的套管材料，如聚氯乙烯，PVDF或FEP构成的耐用的套管层18，为已完成的电缆产品提供一个挠性的保护外皮。尽管所述的实施例表示仅有一个单芯内导体11的同轴电缆，但本发明也可用于采用一个或多个内导体的其它已知结构的高频电缆，如采用一对并列的内导体的电缆(有时称为双股电缆)，或采用多个内导体，即多对绞合的铠装电缆。同样，外部导体可以是用于高频电缆中的其它已知结构，如编织的金属线或型段的无缝铝管。因此，例如图2示出一个具有许多内导体11′的多芯电缆，它们由按照本发明的泡沫聚合物介质层12包围，且外部防护导体14包围着介质层12和内导体11′。单个或多个内导体11或11′以及外导体14，由任何适宜的导电金属或合金制成，如铜、铝或镀铜铝构成。
介质层12由热塑料泡沫聚合物构成。聚烯烃，例如低或高密度的聚乙烯和聚丙烯尤其合适。未膨胀的聚烯烃密度典型地为从0.91到约0.97g/CC的范围。在膨胀的形式中，最好密度为0.5g/cc或更小，最理想的约为0.25g/cc或更小。该介质层也可以包括本技术中常有的精细分离的粒状核。例如，该核可以包括碳酸钙、二氧化硅生成物、硅酸盐或可热分解的化合物，如偶氮二酰胺。尤其适用的聚乙烯聚合物的密度为0.95g/cc以及熔体指数为约7到12分克/分的范围。
介质材料12也可由泡沫含氟聚合物形成。该含氟聚合物最好是氟化乙烯-丙烯(FEP)聚合物或全氟烷氧基共聚物(PFA)。这种含氟聚合物有利于用来制造耐高温或耐火的电缆。于是，例如具有高阻燃额定能力并用于办公室内悬吊天花板以上封闭空间区的电缆(一般称为“封闭空间电缆”)由含氟聚合物介质材料形成。较佳的氟化乙烯-丙烯聚合物的密度为每立方厘米1.9到2.2克以及在700°F(371℃)下熔流数为6.5(固有粘度＝8×104泊)。在膨胀状态下，含氟聚合物泡沫密度最好为1.1g/cc或更小。
图3示意表示出一种用于制造本发明电缆的挤压机装置。该装置包括用21总体指明的一个挤压十字头，它具有一个中心开口或腔，通过该开口送进中部导体11。聚合物材料典型为粒状或粉末状，它被引入在22处指示的挤压机装置，并被熔化。一种包含六氟化硫的发泡剂在压力下被注入到挤压机22中并与熔化的聚合物充分混合。该熔化的聚合物和发泡剂混合物被导入挤压头21，且通过一个通道23被导入形成包围中部导体11的关系。当混合物从围绕着中部导体11的模具出来时，发泡剂就暴露于大气压力下，靠在凝固泡沫聚合物的基质中形成六氟化硫的小气胞或汽泡使聚合物膨胀。泡沫聚合物的膨胀将其密度减小到未膨胀聚合物密度的几分之一。
为了提供在信号电缆中要求的低的信号损耗特性，泡沫聚合物介质材料的膨胀率应最好为2或更高;最理想为2.3或更高。对聚烯聚合物，其膨胀率最理想为3或更高。由泡沫的比容(单位重量的容积)对非膨胀聚合物的比容之比定义“膨胀率”。泡沫的比容和聚合物的比容可以由传统的液体排开试验来确定。于是，例如泡沫聚乙烯介质材料的密度为0.25g/cc，且由聚乙烯形成;该聚乙烯的非发泡密度为0.97g/cc;则该聚乙烯介质材料的膨胀率为3.88。同样，泡沫密度为0.9g/cc且非泡沫密度为2.1g/cc的泡沫FEP介质材料的膨胀率为2.33。
该发泡剂可以只由六氟化硫组成，或者六氟化硫可以与其它挥发性发泡剂(如CFC-22，CFC-134，CFC-116，氮或二氧化碳)混合，最好至少包括50%的混合物。
实例这个例子叙述了如何制造本发明的电缆，并说明了使用六氟化硫发泡剂实现的降低介质损耗。在该例子中，制造了三种不同型式的电缆，一种为带聚乙烯泡沫介质材料的半英寸直径的同轴电缆;一种为带氟化乙烯-丙烯(FEP)聚合物泡沫介质材料的半英寸直径同轴电缆;还有一种是带聚乙烯泡沫介质材料的3/4英寸直径的同轴电缆。每种电缆都有一个中部的铜导体，一个由泡沫聚合物介质材料形成的芯子，以及一个由型锻铝管形成的包围着芯子的外导体。对每种电缆，除了用于形成泡沫介质材料的气体发泡剂以外，采用相同的制造过程制造结构基本相同的两种电缆样品。在一种电缆样品中，根据本发明用六氟化硫作为发泡剂使FEP发泡;而在另一种电缆(对照物)中，按照先有技术实践使用含氯氟烃发泡剂的混合物。对每个电缆在不同频率下的电气衰耗进行测量。为了确定由于泡沫介质材料实现的对介质损失因子的改善，对其金属损耗(即金属芯和外皮部件的衰耗)进行计算。在整个电缆衰耗和金属损耗之间的差就是介质损耗。其结果示于表1。
表1在各频率(Mhz)下的衰耗(分贝/100英尺)5030045010002000(Mhz)3/4英寸聚乙烯泡沫介质材料SF6发泡剂总衰耗 0.34 0.88 1.09 1.69 2.39CFC11/12发泡剂总衰耗0.350.891.111.772.64金属损耗0.3180.7790.9541.4232.012SF6介质损耗 0.031 0.110 0.154 0.345 0.378CFC11/12介质损耗0.0320.1110.1560.3470.628SF6降低介质损耗 0.01 0.01 0.02 0.08 0.250介质损耗降低百分数31.259.0112.823.0539.81/2 英寸FEP泡沫介质材料SF6发泡剂总衰耗 0.56 1.60 2.10 3.69 6.07CFC12/12发泡剂总衰耗0.571.662.183.876.39金属损耗0.491.201.472.193.10SF6介质损耗 0.07 0.40 0.63 1.50 2.97CFC12/12介质损耗0.080.460.711.683.29SF6降低介质损耗 0.01 0.06 0.08 0.18 0.32介质损耗降低百分数12.513.011.310.710.71/2 英寸聚乙烯泡沫介质材料SF6发泡剂总衰耗 0.52 1.28 1.59CFC11/12发泡剂总衰耗0.521.311.63SF6降低介质损耗 - 0.03 0.04介质损耗降低百分数-23.522.权利要求
1.一种具有改进的电气衰耗特性的高频信号电缆，它包括至少一个内导体；一个包围着上述至少一个内导体的外导体，以及置于上述内导体和外导体之间的泡沫介质材料；上述泡沫介质材料包括具有在其中形成大量气胞的聚合物基质；上述气胞包含包括六氟化硫的剩余的发泡剂。
2.一种根据权利要求1的电缆，其中泡沫介质材料的膨胀率为2或更高。
3.一种根据权利要求1的电缆，其中上述发泡剂包括六氟化硫和至少一种另外的气体。
4.一种根据权利要求1的电缆，其中上述气胞还包括剩余的一种可热分解的化学发泡剂。
5.一种根据权利要求1的电缆，其中上述聚合物包括一种聚烯聚合物。
6.一种根据权利要求5的电缆，其中聚烯聚合物包括其密度为每立方厘米0.91到0.97克的聚乙烯，且泡沫聚合物的密度为每立方厘米0.5克或更小。
7.一种根据权利要求1的电缆，其中上述聚合物包括一种含氟聚合物。
8.一种根据权利要求7的电缆，其中含氟聚合物包括氟化乙烯-丙烯聚合物。
9.一种根据权利要求8的电缆，其中氟化乙烯-丙烯聚合物的密度为每立方厘米1.9到2.2克，且泡沫聚合物的密度为每立方厘米1.1克或更低。
10.一种根据权利要求7的电缆，其中含氟聚合物包括全氟烷氧基共聚物。
11.一种权利要求1所定义的电缆，它包括一个由上述外导体包围的一个单个内导体，且其中该内导体与上述外导体同轴设置。
12.一种权利要求1所定义的电缆，它包括多个由上述外导体包围着的内导体。
13.一种制造具有改善的电气衰耗特性的高频信号电缆的方法，它包括对包围着至少一个内导体的一种熔化聚合物和一种包括六氟化硫的混合物进行挤压;使该混合物膨胀以形成泡沫介质材料，以及围绕着该膨胀的泡沫介质材料设置一个外导体。
14.根据权利要求13的方法，其中发泡剂包括一种六氟化硫和至少一种其它气体的混合物。
15.根据权利要求13的方法，其中发泡剂包括一种六氟化硫和一种可热分解的化学发泡剂的混合物。
16.根据权利要求13的方法，其中聚合物包括一种聚烯聚合物。
17.根据权利要求16的方法，其中聚烯聚合物是聚乙烯。
18.根据权利要求13的方法，其中聚合物包括一种含氟聚合物。
19.根据权利要求18的方法，其中含氟聚合物包括氟化乙烯-丙烯聚合物。
20.根据权利要求18的方法，其中含氟聚合物包括全氟烷氧基共聚物。
21.根据权利要求13的方法，其中使混合物膨胀的步骤包括将该混合物膨胀到2或更高的膨胀率。
全文摘要
一种电缆及其制造方法。该电缆尤其适于电气衰耗和介质损失因子极为重要的高频应用。该电缆包括管形外导体和至少一个内导体用于传输电信号。在内、外导体间有泡沫介质材料。该介质材料由与一种发泡剂气体一起挤压的烯烃聚合物或含氟聚合物形成。用六氟化硫而不用对环境有害的含氯氟烃作为发泡剂使介质材料发泡。
文档编号H01P3/18GK1044867SQ8910754
公开日1990年8月22日 申请日期1989年9月30日 优先权日1989年2月10日
发明者查克拉·V·古普塔 申请人:康姆/斯科普有限公司