一种航空用低噪音电缆的研制

一、 引言

低噪音电缆是一种在弯曲、振动、冲击、温度变化等外界因素作用下，本身产生的脉冲信号极小的电缆，可以满足精密信号的传输。在航空领域中，除了上述要求外，低噪音电缆还需要具有耐环境性能优越、轻量化以及易弯曲等性能。

目前我国在航空用低噪音电缆的使用方面积累了较多经验。一种聚四氟乙烯绝缘、对绞结构的低噪音电缆在国内的使用也逐步增加，但该低噪音电缆主要依赖进口。国内厂家对该类型的低噪音电缆的研制还处在起步阶段，要达到批量稳定生产仍需积累经验。

本文以一种内导体规格为AWG22的聚四氟乙烯绝缘双绞低噪音电缆为例，介绍了该低噪音电缆的结构、工艺设计以及主要性能和试验方法。

二、航空低噪音电缆的结构

图1是双绞低噪音电缆的典型结构示意图，其结构参数参见表1。

图1 双绞低噪音电缆结构示意图

表1 某双绞低噪音电缆结构参数

三、电缆设计和生产控制

1.导体的选择

常用的耐高温电线电缆用导体按基材可分为软铜线、铜合金线、铜包钢线，按镀层可分为镀锡导体、镀银导体、镀镍导体，按绞合方式可分为正规绞合导体、束绞导体，其材料性能对比如下。

· 强度：铜包钢线≈铜合金线＞普通铜线；

· 密度：钢材＜铜材；

· 可焊性：镀锡和镀银线具有可焊性；

最高使用温度：镀锡线为150℃，镀银线为200℃，镀镍线为260℃；

柔软性：束绞导体的柔软性优于正规绞合导体，束绞导体股数多、单丝细所以更加柔软，但结构不圆整，在绝缘挤出时受力过度容易断丝，很难在其上挤包聚四氟乙烯绝缘。正规绞合导体一般可分为7股、19股、37股，股数越多的导体相对更柔软。股数越多也意味着单丝越细，相同导体截面下导体股数越多，导体重量越大，成本也越高。

基于以上性能对比，本航空用低噪音电缆选择的材料为正规绞合的镀银铜包钢线。其最高工作温度为200℃，导体强度高，密度较小，具有良好的可焊性。19股正规绞合的结构既考虑了导体的柔软度，在绝缘挤出时也更容易加工，满足本产品的要求。

2.绝缘的设计和生产

绝缘内层选择推挤聚四氟乙烯树脂，其使用温度范围一般为-65℃～260℃，电性能优越。推挤这种加工方式也会让绝缘层和导体结合得比较紧密，从而减少使用时绝缘层和导体间可能的位移，提高电缆的噪音性能。

绝缘内层在加工过程中采用糊状挤出工艺，通过对助剂配比控制、模具的设计、缸筒尺寸的选择，控制聚四氟乙烯的推挤压力，确保绝缘层紧密挤包。通过烧结温度和烧结速度的控制，确保聚四氟乙烯绝缘层的烧结程度。

绝缘外层选择绕包抗静电带，抗静电带基材为混合有抗静电材料的聚四氟乙烯。由于抗静电带主体材料为聚四氟乙烯，与内层绝缘材料相同，因此在高温烧结后，抗静电带能与绝缘内层紧密结合，且其具有导电性，可以加速电荷释放，有效减少回路噪音。

绝缘外层在加工中选择先绕包后高温烧结的工艺。通过调整绕包角度和绕包张力，在不会引起抗静电带拉伸情况下，提高绕包带与绝缘内层的结合力。通过高温烧结进一步提升抗静电带与内绝缘层的结合力。内外绝缘层结合紧密，以避免使用时产生相对位移，从而降低回路噪音。

3.成缆的设计和生产

成缆绞合方式选择同心绞合。同心绞合的电缆相对平行电缆更柔软，更适应航空领域的狭小空间布线。

成缆时应选择合适的节径比（节径比：节距与电缆外径的比值）。若节径比过小，会使产品重量增加，不符合轻量化的原则，成本也会增加；若节径比过大，会导致结构松散，弯曲时缆芯间更容易产生相对位移，增加回路电噪音。

成缆过程中还加入了填充绳，将电缆填充圆整，减小电缆内部空隙，从而减小弯曲振动时电缆内部的相对位移摩擦，进一步降低回路噪音。

填充绳可以选择玻璃纤维等不黏附绝缘线芯、易于剥离且耐受温度与电缆耐受温度相当的耐高温纤维。纤维类填充绳相对于实心填充绳更加松散，同时也能更均匀地填充电缆空隙。

4.缆芯抗静电层的设计和生产

为了固定缆芯，减少使用时电缆内部的相对位移，降低回路电噪音，设计了缆芯的抗静电层。缆芯抗静电层与绝缘外层的抗静电层选用材料和工艺路线基本一致。但要注意的是，绞合后的缆芯，表面并不平整，因此需要增加绕包角度α（图2所示），使绕包张力下指向导体内部的横向分力增大。但绕包角度也不宜过大，过大的绕包角度会降低生产效率，增加产品重量。

图2 绕包角度示意图

5.编织层的设计和生产

编织层材料选择镀镍铜线，镀镍铜线的最高使用温度为260℃，与所选绝缘材料的耐温等级相当。

编织层作为低噪音电缆的重要结构，起到电磁屏蔽的作用。编织密度过小会影响编织层的电磁屏蔽效率，一般要求85%以上，但编织密度也不能过大，这会导致产品重量增加。

除了编织密度，编织角度（与径向的夹角）的选择也会影响产品性能。当编织角度过小时，编织层包覆得过于紧密，电缆编织层不易向内侧撸动，影响用户使用。当编织角度过大时，编织层包覆得较为松散，弯曲和振动时编织层与缆芯容易产生位移，影响产品的噪音性能。编织角度在60°比较适宜。

6.护套的设计和生产

护套材料选择聚酰亚胺复合带和聚四氟乙烯生料带。这种材料在航空导线中已批量应用，耐环境性、三防等性能优异。聚四氟乙烯长期使用温度为-65℃～260℃，PI薄膜最高使用温度达400℃，与所选绝缘材料的耐温等级相当。

护套在工艺设计时选择先复合绕包，后高温烧结。绕包时，通过控制绕包角度，增加护套层和编织层的结合力，从而减小弯曲时电缆内部结构的相对位移，同时也需兼顾产品重量。高温烧结时，温度和烧结速度应适宜，既要保证外层生料带烧结状态达到要求，也要保证内部缆芯不能互相粘连而影响使用。

四、电缆的主要技术要求

参考国内相关行业规范，结合用户的实际需求，总结本案例的主要技术要求如下。

1.摩擦电噪音：在2Hz时，位移40mm峰-峰≤10pC；从5到50Hz，位移5mm峰-峰≤1pC；从10到70Hz，位移2mm峰-峰≤0.15pC。

2.绝缘电阻：在20℃下，电缆线芯的绝缘电阻应不小于1000 MΩ·km。

3.电容：在1kHz下，线芯间的电容应不大于110pF/m，线芯和屏蔽间的电容应不大于220pF/m。

4.导体断裂伸长率和拉断力：导体的拉断力应不小于148N，断裂伸长率应不小于10%。

5.高温寿命：试验温度（290±5）℃，96h；试验后，电缆护套应无开裂、裂缝及其他损伤现象。

6.低温弯曲：试验温度（-55±2）℃，4h；试验后，电缆护套应不开裂，并且应经受1.0kV、1min浸水电压而不击穿。

7.温度冲击：试验温度（285±5）℃，4h；试验后，电缆护套应无开裂、松散和分离现象。

8.燃烧性：供火时间为30s，试验后，电缆护套应在30s内自行熄灭，火焰延燃长度不大于76mm。

五、电缆的试验方法

1.摩擦电噪音：参照GB/T 17737.107-2018的规定。试验时，每个试样的另一端应封闭且屏蔽效果良好，以隔绝环境的噪声干扰。将被试电缆一端固定在振动器的振动片上。振动器施以正弦信号，电荷放大器的输出端连接到示波器上进行测量。

2.绝缘电阻：参照GB/T 3048.5-2007进行试验，试验电压为500V DC。

3.电容：参照GB/T 17737.1-2000的规定进行试验，分别测试线芯间及线芯和屏蔽间的电容。

4.导体断裂伸长率和拉断力：参照GB/T 4909.3-2009进行试验。

5.高温寿命：将试样中部横架在试棒上，试样两端悬挂砝码。放入试验箱中，一定时间后取出，记录试样外观状态。

6.低温弯曲：按照SAE AS4373方法702进行试验，试验后需进行浸水电压试验。

7.温度冲击：将试样在试棒上缠绕后放进烘箱中。试验后取出试样，用正常视力检查试样表面是否开裂。

8.燃烧性：试样供火30s，供火结束后检测火焰延燃时间和延燃距离，并检查铺底层面巾纸是否被滴落物点燃。

六、结束语

随着中国各领域的高速发展，对设备内部连接线的要求越来越高，低噪音电缆作为一种特种导线，在各领域的应用也会越来越广。

航空用低噪音电缆广泛应用于航空系统中。目前，国内此类电缆的生产技术水平落后于国外厂商，国内产品质量急需提升，以满足国内航空领域的需求。

本文结合本公司研制的航空低噪音电缆，总结了低噪音电缆设计与生产控制的要点，仅供参考。