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耐熱、高溫及超高溫電纜的國內(nèi)現(xiàn)狀和二氧化硅電纜在國外的應(yīng)用簡介

耐熱、高溫和超高溫電線電纜簡述

 一 前 言

一般的電線電纜是以塑料和橡膠為絕緣護套，這些材料都是常規(guī)工程材料，具有豐富的來源，能夠滿足大規(guī)模生產(chǎn)，而且成本相對較低。但對于一些特殊行業(yè)如石油化工、鋼鐵、航空航天、造船、軍工、制藥、食品、塑料機械、鍋爐等與熱與高溫有關(guān)的行業(yè)，都需要能夠耐一定較高溫度 的電線電纜，普通的電線電纜顯然不能使用，需能耐高溫的電線電纜才能保證其電力和信號的安全運行。

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，特種行業(yè)對高溫電纜的需求已顯高速增長階斷，耐熱和高溫電纜每年以20%的速度增長，高溫電纜作為特種電纜的重要組成部分，具有極強的生命力，供不應(yīng)求，我國每年從國外進口約二十億元用于國內(nèi)建設(shè)。

  下面我們了解一下什么樣的工作溫度稱為耐熱與高溫電纜。國際電工委員會（IEC）對絕緣的耐熱的等級一般按表1規(guī)定分為：

表1 耐熱的等級的規(guī)定

我們普通用的電線電纜絕緣和護套為普通工程橡膠和塑料為基本樹脂，但要求是絕緣級的。常見電纜用橡膠材料有：丁本橡膠、乙丙橡膠、天然橡膠和氯磺化聚乙烯等，工作溫度為（60～75）℃；常見電纜用塑料材料有聚氯乙烯、聚乙烯（包括交聯(lián)聚乙烯）和聚丙烯等，工作溫度為（70～90）℃。由此可見，這些電纜不是嚴格意義上的耐熱或高溫電纜。

耐熱電纜一般指（90～155）℃及以下的電纜，而高溫電纜則是180℃及以上的電纜。而要解決普通電纜不耐高溫的狀況，則是要對材料進行改進，或使用能夠耐高溫的絕緣級材料。

 二 耐熱和高溫電線電纜的主要特點

  耐熱和高溫電線電纜一般是由兩種需求決定的。第一種是電線電纜環(huán)境溫度較高，電纜在長期在高溫下能夠正常傳輸信號或電能；另一種是電力傳輸電纜，主要是增加截流能力為主要目的。

  高溫環(huán)境下工作的電纜。普通電纜在高溫時易產(chǎn)生絕緣老化和焦燒現(xiàn)象，使用電纜失去性能，受破壞而不能使用。高溫電纜在額定高溫下能夠正常穩(wěn)定地工作，信號或電能傳輸性能不受影響，還能保證電纜具有較長的使用壽命。這類功能電纜是高溫電纜最常見最多的一種，使用特性也最 易于理解的。

增載型高溫電纜，主要是為了保證載流的前題下減小電纜外徑和重量，向輕量化發(fā)展的。一般來說，電纜的工作溫度越高，同樣截面的電纜通過的載流量越大。象飛機和汽車等場合，減輕重量的意義相當大，利用高溫電纜大大減少了截面。工作溫度從90℃升到155℃，則載流能力上 升50%，同樣載流量下，電纜重量要減輕一半，成本也有所降低。當然高截流的同時，大多數(shù)絕緣材料的電能損耗也會有所增加。

三、耐熱型電線電纜

  耐熱型電線電纜分：耐熱材料和普通材料的耐熱改性兩種。

（一）耐熱材料的電線電纜

耐熱材料的電線電纜是絕緣和護套材料本體樹脂具有耐熱性能，主要品種有：聚氨脂（可達155℃級）、聚脂（可達135℃）、聚偏氟乙烯（150℃）和尼龍（可達115℃）的絕緣或護套材料。常用于通信、汽車、電機、建筑等行業(yè)。

（二）普通電纜材料通過各種方式的改性而達到耐熱性：

1、橡膠材料的耐熱改性

橡膠材料因其耐熱性差，因而提高工作溫度的余度較小，普通橡膠填加較多熱穩(wěn)定劑和經(jīng)交聯(lián)處理才能達到90℃，因而不能稱為耐熱電纜，如丁苯橡膠、氯丁橡膠、氯磺化聚乙烯等。主要應(yīng)用于橡膠絕緣移動用軟電線、橡膠絕緣軟電力電纜和控制電纜等。

但三元乙丙橡膠可經(jīng)改性，使耐溫等級提高到135℃，加上具有較好的絕緣性能，因而在橡膠方面具有較好的發(fā)展前景。

2、聚氯乙烯電纜的改性

普通聚氯乙烯電纜的工作溫度為70℃，聚氯乙烯電纜料的高可混性，使其改性成為可能，多量的熱穩(wěn)定劑的使用，可便PVC的耐熱從70℃上升到90℃或105℃，因而大大擴大了PVC這種老式材料的適用性，也許這就是PVC電纜長盛不衰的原因之一吧？90℃PVC電纜料常用于交聯(lián)聚乙烯電纜護套，主要用于電力、控制和電氣裝備線纜，由于PVC的改性，使本可淘汰的PVC電纜料在護套的使用上將會延續(xù)相當長的時間。聚氯乙烯丁腈復(fù)合物的主要成分是PVC，因而與聚氯乙烯丁腈復(fù)合物電纜與PVC絕緣電纜具有相同的改性性能。

3、聚乙烯電纜的改性

聚乙烯材料的塑性較好，但可填充性較差，因而不能填加熱穩(wěn)定劑方法提高耐熱溫度。聚乙烯電纜可通過DCP干法化學(xué)交聯(lián)和硅烷溫水交聯(lián)將工作溫度提高到90℃，前者用于中高壓電力電纜，后者用于低壓電纜。但另一種交聯(lián)方式——輻照交聯(lián)改性，則可將聚烯烴（主要是聚乙烯）的工作溫度大幅度提高，經(jīng)輻照的絕緣料可按條件不同，耐溫可達到105℃、125℃、135℃、150℃，國外則有能提高到180℃。主要是通過高能電子轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的鍵能，使其分子結(jié)構(gòu)對熱穩(wěn)定性加強，同時配以適當?shù)臒岱�(wěn)定劑，根據(jù)能級大小和熱穩(wěn)定劑的效能，分為不同耐熱等級。

輻照交聯(lián)工業(yè)常用加工設(shè)備為電子加速器，是將電子束高壓增加能量，達到交聯(lián)聚烯烴材料的目的，電費加工常用加速器能級為1.0 ~ 3MeV。輻照交聯(lián)還可對橡膠、PVC和氟塑料等材料進行交聯(lián)。輻照交聯(lián)聚烯烴電線電纜主要用于耐熱建筑線、汽車線、航空導(dǎo)線、機車線電線和電機電器引接線等。

耐熱電纜是中等溫度的電纜，具有一定耐熱性，能適應(yīng)一定溫度環(huán)境。而應(yīng)用最多的是，在電力傳輸電纜中，在能夠保證絕緣性能的同時，增加電纜載流能力，減少電纜重量和截面，意義重大。

 四、高溫和超高溫電線電纜

高溫電纜分：有機高分子材料高溫電纜和無機材料超高溫電纜。

（一）有機高分子材料高溫電纜主要是氟塑料和硅橡膠電纜。

1、氟塑料絕緣電線電纜

氟塑料是塑料的一個重要品類，通常人們認識氟塑料是從接觸塑料王--聚四氟乙烯（PTFE）開始的。其實聚四氟乙烯 只是產(chǎn)量和用量最大的氟塑料品種，電線電纜常用的氟塑料是：聚全氟乙丙烯（FEP，俗稱F46）、聚四氟乙烯（PTFE）、乙烯-四氟乙烯共聚物 （ETFE，俗稱F40）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。

表2、各種氟塑料性能

氟塑料電纜主要有：高溫通訊電纜、耐高溫引按線和安裝線、高溫補償導(dǎo)線和工業(yè)用耐高溫電力和控制信號電纜，原子反應(yīng)堆用耐輻射電纜和機車車輛用電線等。

（2）硅橡膠絕緣電線電纜

  硅橡膠主要是以硅元素代替碳元素形成的高分子材料，硅橡膠具有較好的耐熱性能。電線電纜常用硅橡膠為甲基乙烯硅橡 膠，工作溫度范圍是-60℃～180℃。硅橡膠具有較好的彎曲性能和低溫性能，不易損壞和開裂，這些性能是一般高溫電纜不具有的，因而硅橡膠電纜具有較寬的應(yīng)用范圍，已是高溫電纜的一個亮點。

  硅橡膠電纜在高溫移動電纜、軟電力電纜、電機引接線、低溫環(huán)境高溫運行場所。

 （二）無機材料超高溫電纜

  無機材料因不具有可擠塑等優(yōu)良加工性能，因而加工形成電纜絕緣較為困難，附著性和均勻性較差，而且絕緣性能比高分子材料要低，但優(yōu)異的高溫性能，能夠滿足特種高溫行業(yè)的需求。

1、礦物絕緣防火電纜

  產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為銅芯銅護套氧化鎂絕緣電纜，主要是電力電纜、控制電纜、加熱電纜和布電線。常規(guī)工作溫度是250℃，但實際工作溫度可更高，因為氧化鎂的熔點是2852℃，遠高于銅的熔點（1083℃），電纜經(jīng)火災(zāi)后仍可重復(fù)安全使用。

  本電纜生產(chǎn)是氧化鎂定型瓷柱穿于銅導(dǎo)體外，銅導(dǎo)體與外套銅管同時拉撥退火而形成，氧化鎂瓷柱經(jīng)壓碎均勻形成電纜絕緣，礦物絕緣防火電纜生產(chǎn)長度受到一定限制，大規(guī)格則更短。

  礦物絕緣防火電纜的生產(chǎn)過程如下：

1瓷柱干燥              2裝配                3直拉伸                 4退火

5組合拉伸               6盤拉伸                 7檢驗                   8包裝

  礦物絕緣防火電纜具有耐高溫、防火、防爆、防水、耐輻射、耐腐蝕性強、機械強度高、具有良好的接地性能、體積小、壽命長、載流量大、過載能力強等特點。

礦物絕緣電纜的絕緣使用氧化鎂,優(yōu)點是熔點高(2852℃),但缺點是介電常數(shù)大(9.8),易吸潮,而且在高溫時的電阻比二氧化硅低1-2個數(shù)量級,所以不適合作為信號電纜的絕緣介質(zhì)。而且該生產(chǎn)方法不能實現(xiàn)電性能指標的精確控制，所以在要求高的信號傳輸場合中，特別是微波傳輸，二氧化硅電纜是唯一可用的無機絕緣電纜。而氧化鎂絕緣電纜一般用在傳輸電能的場合中。

二氧化硅超高溫電纜因為使用了耐高溫的不銹鋼護套，而且內(nèi)導(dǎo)體使用27%的鎳包銅合金，甚至使用純鎳線為導(dǎo)體（熔點為1455℃)，特殊高溫二氧化硅（熔點為1723℃)，所以使用溫度可以達到1000℃，甚至到1300℃，短時間的耐溫可以更高。

 2、無機包制絕緣超高溫電纜

無機絕緣包制絕緣電纜一般采用無機包帶和絲，采用電纜采用工藝加工而成。耐火包帶作為耐高溫材料，在800℃時仍能 正常保持絕緣性能，因而是耐高溫電纜的主要材料之一；無堿玻璃絲為無機硅材料，具有一定絕緣性，熔化溫度為600℃以上，采用編織工藝加工，也作為加強件；以上兩種材料不能形成密封性和緊密的絕緣，因而通過涂無機固化漆、硅微粉和硼砂等，才能形成絕緣體。

在無機材料中，耐高溫的材料較多，但可加工性和成形性較差，按以上方法形成電纜絕緣也易于損壞，根據(jù)選取材料不同可制成工作溫度500℃、800℃，甚至于1000℃的電纜，除此之外導(dǎo)體應(yīng)選用鍍鎳銅導(dǎo)體或相匹配的耐高溫合金導(dǎo)體。

對于信號電纜來說，使用上面的纏繞方法是一種不可靠的絕緣層，特別是有各種添加劑時，所以目前沒有這種生產(chǎn)方式的無機絕緣信號電纜。

 超高溫電纜常應(yīng)用于航空航天、軍工、加熱爐、化學(xué)反應(yīng)釜、核電站核島內(nèi)和鋼鐵等行業(yè)。

 五、結(jié) 論

 在特種電纜品種中，高溫電纜和超高溫電纜已是一個重要趨勢，雖然高溫電纜電能損耗稍大，在一些較高溫度的場合，用普通電纜則極易損壞，高溫電纜能夠安全運行，是現(xiàn)代工業(yè)和軍工中不可缺少的品種。

  目前我國高溫電纜的研制技術(shù)水平遠遠不能滿足新市場需求，我國在這方面的技術(shù)遠落后于國外先進國家，近一半的高溫電纜需從國外進口，而國內(nèi)有些生產(chǎn)廠多集中于一些小廠，技術(shù)研制和生產(chǎn)能力較弱，特別是生產(chǎn)加工仍局限于電纜現(xiàn)有設(shè)備和工裝，材料的開發(fā)也沒能突破現(xiàn)有電纜料的圈子。希望國內(nèi)有能力開發(fā)高溫特種電纜的廠家能夠?qū)彆r度勢，針對我國資源情況，開發(fā)推廣高溫系列電纜，提高我國在這一技術(shù)領(lǐng)域的水平，滿足我國高溫行 業(yè)的需求。