付 磊，孫 穎

(1.沈陽飛機設(shè)計研究所，遼寧 沈陽110035;2.中國人民解放軍駐沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司 軍事代表室，遼寧 沈陽110034)

0 引言

航空電線是飛機布線系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，對飛機電氣系統(tǒng)的安全性、可靠性有著重要的影響。電線絕緣層的損壞會使得銅導(dǎo)體線芯暴露，進而引起電弧、短路以及電磁輻射與干擾等問題，造成飛機布線系統(tǒng)故障。根據(jù)美國海軍安全中心統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在導(dǎo)致飛機布線系統(tǒng)故障的原因中，電線絕緣層擦傷約占全部故障的1/4。

1 四種航空電線的簡介

聚酰亞胺是一種具有高介電強度和極高韌性的有機絕緣材料，在上世紀60年代被用于航空電線研制生產(chǎn)中。典型的絕緣材料結(jié)構(gòu)是聚酰亞胺/氟46(FEP)復(fù)合材料，并且形成了MIL-W-81381電線標準，一度被航空系統(tǒng)所廣泛采用。但在上世紀80年代后期，電氣工程師發(fā)現(xiàn)MIL-W-81381電線如處于潮濕環(huán)境中，會導(dǎo)致聚酰亞胺的長聚合物鏈斷裂及絕緣層變脆、產(chǎn)生裂紋，發(fā)生水解現(xiàn)象，絕緣層機械性能及電絕緣性能下降。此后，航空系統(tǒng)開始較少使用MIL-W-81381電線。

1978年美國防部頒布了MIL-W-22759/32-46(AS 22759/32-46)輻照交聯(lián)氟40(XETFE)航空電線標準，該電線各方面性能平衡，但在高溫下耐磨性能會下降。

1994年美國防部頒布了MIL-W-22759/80-92(AS 22759/80-92)聚酰亞胺復(fù)合材料繞包電線，其絕緣材料結(jié)構(gòu)是聚四氟乙烯/聚酰亞胺/聚四氟乙烯(PTFE/PI/PTFE)復(fù)合帶和聚四氟乙烯生料帶組合絕緣，增加了強制水解試驗要求，但在海軍飛機中限制使用。

SAE于2010年頒布了最新的AS 22759/180-192聚酰亞胺復(fù)合材料無縫繞包電線標準，該電線是應(yīng)美國海軍航空系統(tǒng)司令部和美國空軍的要求，在AS 22759/80-92電線標準的基礎(chǔ)上研制，增加了光滑外表面的要求，代表著航空電線新的技術(shù)發(fā)展方向。

本文將對新型聚酰亞胺復(fù)合材料無縫繞包電線及輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線的耐機械磨損性能進行對比分析。

2 耐刮試驗

2.1 試驗樣品

(1)聚酰亞胺復(fù)合材料無縫繞包電線樣品。試驗選取了符合AS 22759/187標準要求的Nexans公司生產(chǎn)的22AWG電線(HN2N22-9)，長度為45 in(1 in=25.4 mm)，3個試驗樣品。

(2)輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線樣品。試驗選取了TE公司(原Raychem公司)生產(chǎn)的輻照交聯(lián)氟40(XETFE)22AWG電線(55PC0111-22)，長度為45 in，3個試驗樣品。

2.2 試驗描述

(1)試驗標準

按照AS 22759/187電線標準要求，需按照SAE AS 4373/301完成電線耐刮試驗，該試驗方法用于評估絕緣電線在不同溫度下的磨損耐受性能。

(2)試驗設(shè)備

磨損耐久性試驗臺應(yīng)設(shè)計為可以在水平位置穩(wěn)定地夾住樣品，將樣品縱向表面完全露出來。探針縱軸和樣品應(yīng)成正確的角度且探針磨損緣設(shè)置為90°底座，底座有半圓筒狀凹槽來配合探針。附加到探針上方夾具上的重量為(1.10±0.01)lb［1 lb=0.454 kg］，應(yīng)控制為垂直于電線絕緣表面。應(yīng)使用電驅(qū)動機械裝置和計數(shù)器以得到準確的平行于樣品軸向的摩擦沖程數(shù)。探針摩擦表面接觸到電線線芯導(dǎo)體后系統(tǒng)應(yīng)自動停止。沖程長度應(yīng)為0.40 in±0.05 in(10 mm±1 mm)，沖程頻率應(yīng)為每分鐘110沖程(55循環(huán)±10)。一個向前沖程和一個向后沖程組成一個循環(huán)。試驗臺還應(yīng)在樣品周圍設(shè)置圍欄，以在高溫試驗中調(diào)節(jié)試驗環(huán)境溫度。試驗臺和探針見圖1和圖2。

圖1 磨損耐久性試驗臺

(3)試驗過程

將試驗樣品的一端絕緣層剝離并將電線線芯連接到電路探測設(shè)備，將周圍溫度調(diào)至23℃±2℃，開始試驗并持續(xù)至在絕緣電線導(dǎo)體和摩擦探針之間電氣導(dǎo)通，記錄穿透絕緣層所需的循環(huán)數(shù)。每個樣品進行10次試驗，每次試驗移動4 in±0.4 in(100 mm±10 mm)并且以同樣的方向每次旋轉(zhuǎn)90°。每個樣品進行3次試驗。

圖2 摩擦探針

在試驗臺附近圍欄施加熱源并使用熱電偶測量，使試驗溫度分別保持70℃±2℃、150℃±2℃、200℃±2℃、260℃±2℃。熱電偶應(yīng)置于電線磨損位置1 in內(nèi)。開始試驗前允許圍欄以規(guī)定的溫度穩(wěn)定5 min，穩(wěn)定后，開始試驗并持續(xù)至在絕緣電線導(dǎo)體和摩擦探針之間電氣導(dǎo)通。記錄穿透絕緣層所需的循環(huán)次數(shù)。每個樣品在規(guī)定的溫度下進行3次試驗。

2.3 耐刮試驗結(jié)果

AS 22759/187電線耐刮試驗結(jié)果見表1，輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線試驗結(jié)果見表2。

表1 AS 22759/187電線耐刮試驗結(jié)果 (單位:次)

表2 輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線耐刮試驗結(jié)果(單位:次)

試驗結(jié)果證實，AS 22759/187電線具有良好的耐磨損性能，并且150℃、200℃下的試驗數(shù)值要遠遠高于70℃、23℃下的試驗數(shù)值，表現(xiàn)出了聚酰亞胺材料所特有的一定高溫范圍內(nèi)隨溫度升高磨損耐受性能不降返升的特性;而輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線絕緣層的耐磨損性能隨著環(huán)境溫度的提高呈嚴重下降趨勢，在高溫環(huán)境下耐磨損性能較低。值得注意的是所選用的輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線樣本為單層絕緣電線，如選用雙層絕緣電線，我們有理由相信試驗數(shù)值會有所提高，但總體而言較AS 22759/187電線仍有明顯的差距。

3 動態(tài)切割試驗

3.1 試驗樣品

(1)聚酰亞胺復(fù)合材料無縫繞包電線樣品。試驗選取了符合AS 22759/187標準要求的Nexans公司生產(chǎn)的20AWG電線(HN2N20-9)，長度為36 in，3個試驗樣品。

(2)輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線樣品。選取了Nexans公司生產(chǎn)的輻照交聯(lián)氟40(XETFE)20AWG電線(CM3N20-9)，長36in，3個試驗樣品。

3.2 試驗描述

(1)試驗標準

按照AS 22759/187電線標準要求，需按照SAE AS 4373/703完成動態(tài)切割試驗，該試驗方法用于衡量電線絕緣材料表面抗切削的能力，可在不同溫度下進行。

(2)試驗設(shè)備

使用一臺處于壓縮模式的拉伸測試儀;一臺記錄鎢碳合金刀片切透電線絕緣層所需載荷的記錄儀，鎢碳合金刀片見圖3;一套設(shè)計用于當(dāng)鎢碳合金刀片切透電線絕緣層并且接觸到線芯導(dǎo)體時停止測試設(shè)備繼續(xù)運動的監(jiān)控電路;樣品支座應(yīng)是使樣品與切割刀片呈90°的一個金屬平面;試驗臺還應(yīng)在樣品周圍設(shè)置圍欄以在高溫試驗中調(diào)節(jié)試驗環(huán)境溫度。

圖3 鎢碳合金刀片

(3)試驗過程

將試驗樣品的一端絕緣層剝離1 in，并將電線線芯連接到監(jiān)測電路上，當(dāng)?shù)镀型鸽娋€絕緣層并且接觸到線芯導(dǎo)體時停止切割動作。將周圍溫度調(diào)至23℃±2℃開始試驗。以0.5 in/min的恒定速度移動刀片通過電線絕緣層，直到接觸到線芯導(dǎo)體。在每個樣品上進行4次試驗，每次試驗移動至少1 in，并且同方向上旋轉(zhuǎn)90°。切透所需的載荷為4次試驗結(jié)果的平均值。

在試驗臺附近圍欄施加熱源并使用熱電偶測量，使試驗溫度分別保持150℃±2℃、200℃±2℃、260℃±2℃，按上述要求重復(fù)試驗。每個樣品在規(guī)定的溫度下進行3次試驗。

3.3 動態(tài)切割試驗結(jié)果

AS 22759/187電線動態(tài)切割試驗結(jié)果見表3～表6。

表3 23℃動態(tài)切割試驗結(jié)果 (單位:lb)

表4 150℃動態(tài)切割試驗結(jié)果 (單位:lb)

表5 200℃動態(tài)切割試驗結(jié)果 (單位:lb)

表6 260℃動態(tài)切割試驗結(jié)果 (單位:lb)

輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線耐切割試驗結(jié)果見表7～表8。

表7 23℃動態(tài)切割試驗結(jié)果 (單位:lb)

表8 150℃動態(tài)切割試驗結(jié)果 (單位:lb)

試驗結(jié)果表明，AS 22759/187電線具有良好的抗切削性能，各溫度下的試驗數(shù)值均明顯高于標準要求;而輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線在23℃下表現(xiàn)出了良好的抗切削性能，但在150℃溫度下電線絕緣層的抗切削能力已呈現(xiàn)嚴重下降趨勢，試驗數(shù)值較低，故此未進行200℃、260℃溫度下的試驗。

4 結(jié)束語

由于輻照交聯(lián)氟40(XETFE)電線在高溫環(huán)境下耐磨損性能較低，故此為保證飛機電氣系統(tǒng)工作的可靠性與安全性，飛機線束通常會選擇在電線外增加膠布套管等保護材料，這增加了飛機的重量;而新型聚酰亞胺復(fù)合材料無縫繞包電線不論常溫、高溫環(huán)境下都表現(xiàn)出了良好的磨損耐受性能，這大大提高了飛機布線系統(tǒng)的安全性和可靠性，并且可以取消電線外部的線束保護材料，減輕了飛機重量。