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[技術資料 ] 新型耐高溫導線的研制

P: 2012-12-17 11:36:50

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1、新型耐高溫導線的設計要求
        耐高溫導線可在各類變壓器、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。隨著科技的不斷發展,對耐高溫導線使用溫度的要求越來越高,導線尺寸也越來越小。表1為一種新型耐高溫導線的主要電性能和機械性能要求。

 

2、新型耐高溫導線的選材和結構
        從表1可以看出,該導線的電性能、機械性能、耐高溫性能的要求很高,要求導線材料在耐高溫的同時必須具有較強的機械性能,如機械加工時工藝可行性和低溫彎曲性,其主要的難點是500℃ 高溫時絕緣電阻要達到50 MΩ(500 V),因而在導線的選材和制造工藝等方面都必須謹慎。在設計新型耐高溫導線時我們必須要:
        a.合理選擇耐高溫導線的結構,使其滿足導線使用溫度、絕緣電阻和機械性能的要求。結構尺寸確定的原則是在限定的耐高溫導線總外徑下盡可能地放大芯線的絕緣外徑,以減小高溫導線的直流電阻。
        b.強化工藝過程控制,采取特殊而有效的工藝措施,確保耐高溫導線的電氣性能和連續制造長度。
    2導體材料
        耐高溫導線的導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。在高溫狀態下銅導體的表面隨著溫度的升高和時間的增長,加速老化的過程變得越來越嚴重,老化過程最終使導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線的導體材料時,不僅要考慮其必須傳輸較大的電流,而且還應考慮到大電流會使導線發熱。為了避免和延遲這個過程,可以在銅導體的表面鍍上分子結構比較穩定的金屬,如銀或鎳。為確保該新型耐高溫導線在高溫狀態下的導電性,我們采用了直徑為075 mm軟態銅線進行鍍鎳,鍍鎳后的導線用孔徑為070 mm的拉絲模過模,以保證芯體直徑在(O7O002)mm之間。根據相關試驗,鍍鎳銅線的鍍鎳層厚度必須大于3 pm,且過模后的導線最好不再進行彎曲。
    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良的耐高溫特性,因而是耐高溫導線首選的絕緣材料之一。通常根據高溫導線的規格來選擇高硅氧玻璃纖維紗的耐溫等級及其規格支數。支數越大,高硅氧玻璃纖維紗就越細,而且柔軟,但其抗拉強度相對較差;反之,支數越小,高硅氧玻璃纖維紗就越粗,其抗拉強度越大,但柔軟度較差。
        普通高硅氧玻璃纖維紗絕緣耐高溫導線能在400℃ 左右使用,也可在特殊高溫(如瞬間達到800℃)的場合中使用。但長期在過高溫度狀態下使用,其電性能和機械性能就會被破壞,嚴重時將影響其正常使用。由表1可知,此新型耐高溫導線的規格較小,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到50 MΩ(50O V),國產的高硅氧玻璃纖維紗通過傳統工藝很難滿足這些要求。雖然國產高硅氧玻璃纖維紗已從質量上很大的提高,部分技術指標也逐漸趨于穩定,但生產廠家提供的樣本中電性能指標語焉不詳,有些甚至是空白。例如:某專業生產廠采用三元系統玻璃制造設備生產后再進行處理的高硅氧玻璃纖維紗(性能指標如表2所示),具有較高的機械強度,耐高溫性能也較好,能長期在500℃環境中工作;但當溫度為400℃左右時,其絕緣性能因溫度的升高而降低,當溫度為500℃ 時,其絕緣電阻幾乎為零。
        顯然,用此高硅氧玻璃纖維紗和傳統工藝制造的高溫導線只能滿足機械性能要求,難以滿足絕緣性能的要求。通過多次實踐,我們制作絕緣時采用在高硅氧玻璃纖維紗中涂覆具有優良絕緣性能的耐高溫涂料并烘烤的方法,實現了導線在500℃ 時絕緣電阻達到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,并且涂覆后的導線應能承受使導線表面干燥的高溫爐烘烤及之后的卷繞。
 
    2導線的結構
        高硅氧玻璃纖維紗絕緣耐高溫導線的結構有多種形式: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套、鍍銀銅線+高硅氧玻璃纖維紗繞包+硅脂浸漬+四氟乙烯護套、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構。為了減小耐高溫導線的直流電阻,鍍鎳銅線應平整、圓滑,高硅氧玻璃纖維紗應均勻柔軟,耐高溫涂覆液應為有機固化油漆,并且采用合理的工藝措施,合適的固化燒結溫度。


、新型耐高溫導線的制作
        由于耐高溫導線的使用環境比較特殊,在數百攝氏度的高溫環境中導線幾乎一直進行著加速老化,導線上任何瑕疵和斑點都將影響導線的使用壽命,因此耐高溫導線的材料選擇、工藝制作、制造環境、清潔程度十分重要。耐高溫導線的制造工藝流程如圖1所示,其生產線的示意圖如圖2所示。耐高溫導線整個制造過程可分為導體尺寸定位、高硅氧玻璃纖維紗復繞、絕緣繞制、涂覆液浸漬、高溫烘烤燒結等幾個步驟。在試制過程中必須根據工藝要求對導線制造設備進行必要調整,如與理想的工藝相差距離太大時還須對制造設備進行部分改造。
 
 
    3導體整形
        鍍鎳銅線導體可用拉拔模進行整形,使導體尺寸定位在規定的范圍中。在拉拔過程中必須注意的是應選用合適的拉絲液,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時對導線造成不良影響,以及在特定環境中釋放不良氣體而對環境造成不必要的污染。
    3高硅氧玻璃纖維紗復繞
        一般是將選定支數的幾股高硅氧玻璃纖維紗復繞合并起來作為耐高溫導線的絕緣,使導線更細膩、光滑、柔軟,圖3為高硅氧玻璃纖維紗復繞裝置的示意圖。復繞時高硅氧玻璃纖維紗被安放在特定的支架上,通過上引法導出纖維紗并控制好每股的張力,經過蜂房式繞線收在繞包設備專用骨架上。如纖維紗張力控制不當,合并后的高硅氧玻璃纖維紗會松緊不均勻、粗細不一致、表面毛糙;反之,則合并后的高硅氧玻璃纖維紗粗細均勻、平整光滑。高硅氧玻璃纖維紗合并復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,粉塵將永遠存在而無法清除,造成耐高溫導線在耐溫等級、絕緣性能、傳輸損耗等方面的性能急速降低,嚴重時將影響到耐高溫導線的使用壽命。
 
    3絕緣繞制
        耐高溫導線制作過程中的絕緣繞制是非常關鍵的工序,絕緣繞制時必須嚴格控制高硅氧玻璃纖維紗繞包的節距和外徑,其關鍵是選用合理的配合齒輪,嚴格控制高硅氧玻璃纖維紗的放紗張力。繞制成型后的導線須平整、光滑、圓整。從新型耐高溫導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02 mm,所以對繞包工藝要求相當高。
        耐高溫導線的導體在專用的繞包機上進行高硅氧玻璃纖維紗的繞制。通常繞包機的繞包頭有切線式和同心式兩種。切線式繞包的優點是當專用骨架上繞包材料繞完后,添加材料時不必剪斷主導體,這樣能保證被加工導線的連續長度;缺點是繞制時導線晃動較大以及高硅氧玻璃纖維紗在通過數道過渡導輪后纖維起毛而影響后道工序。在繞制其他材料時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需慎重考慮。同心式繞包的優點是繞制時導線晃動較小,并且高硅氧玻璃纖維紗通過的過渡導輪也較少,起毛現象沒有切線式繞包嚴重,繞包時張力的調節也比較方便;缺點是當專用骨架上的繞包材料繞完后,添加材料時必須剪斷主導體,然后再進行換盤、穿線、重新接線,這給繞包操作帶來一定不便。圖4為我們所選用的繞包機的示意圖。
 
        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。如需要進行多層繞制時,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,這樣導線的表面非常緊湊、光滑、平整,整個絕緣層細膩均勻。在繞包時我們采用了較小的繞包節距,繞包后導線表面非常平整、光滑,最終將導線的外徑控制在11 mm 以內,符合了新型耐高溫導線技術指標的要求。
    3涂覆層涂制
        在進行高硅氧玻璃纖維紗繞包時,必須同步進行有機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),因此在導線放出到達繞包頭之間可以放置一個容器,導線穿過含有高溫涂覆液的容器時,導體表面被高溫涂覆液浸潤涂覆。如圖2所示,高溫涂覆液涂覆后的導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行三次涂覆。我們根據新型耐高溫導線的技術指標和設計的需要,選擇了合適的繞包層數、涂覆浸漬液和涂覆的次數,使高溫導線達到了設計的要求。在整個繞包涂覆過程中還必須注意:a.制作環境(特別是涂覆容器)的清潔。b.涂覆液的配比和濃度,制造時環境溫度最好為1826℃ c.導線的圓周面不允許出現垂滴現象。
    3烘烤燒結
        在高硅氧玻璃纖維紗表面浸漬液未干燥前導線絕對不能卷繞,只有經過燒結爐(如圖2所示)高溫烘烤燒結,且導線表面的涂覆干燥后才可收盤。烘烤燒結時要考慮烘烤溫度和烘烤時間這兩個參數。烘烤溫度是由導線的材料、導線的幾何尺寸和浸漬液的配比等因素確定。烘烤溫度過低,會使導線表面干燥,而絕緣內部還有殘留的未燒結浸漬液,影響導線的電氣性能;烘烤溫度過高,導線將會被烤焦,影響導線的機械性能,嚴重時甚至導致導線損壞,無法使用。烘烤溫度的選擇還須根據烘烤燒結的時間綜合考慮。烘烤時間一般由導線在燒結爐內停留的時間決定。合適的烘烤溫度和必要烘烤時間將使最終制得的耐高溫導線表面干燥、光滑、無疙瘩、無起皮,導線彎曲自如,通過收線裝置可將導線均勻收排到合適的導線盤上。


                                 

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