乙烯-四氟乙烯共聚物绝缘电缆制备关键技术研究

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乙烯-四氟乙烯共聚物(Ethylene-tetrafluoroethylene,ETFE)绝缘电缆具有优越的电气性能、机械性能和耐环境老化等性能,广泛应用于武器装备、航空航天等领域,是现代国防与航天装备完成信号与能源可靠传输不可或缺的关键组件。使用电子束对ETFE绝缘材料进行辐照交联是一种全面提升ETFE绝缘电缆性能的改性方法。如何使用辐照改性技术高效率、高质量制备出满足现代及未来国防与航天装备要求的ETFE绝缘电缆一直是困扰相关领域生产厂家和科研人员的问题。目前,ETFE绝缘电缆高温熔融的固体塞运动规律模型缺乏、辐照改性工艺参数影响规律及氟化物析出作用机理不清晰、考虑外界损伤的加热失活工艺设计方法不完善等,导致ETFE绝缘电缆交联度不足、对外界存在腐蚀性影响,并且无法从工艺设计源头上解决ETFE绝缘电缆的批量制造问题。针对以上问题,本文开展ETFE绝缘电缆的加工改性技术关键工艺优化与应用研究。首先,建立ETFE绝缘电缆高温熔融固体塞运动规律模型,提出改善ETFE绝缘电缆熔融晶体比例的高温熔融工艺设计方法,实现ETFE绝缘电缆高温熔融挤塑的螺杆结构及工艺参数优化。基于非等温结晶动力学对ETFE绝缘电缆高温流变行为和高温热行为进行分析,确定影响ETFE绝缘电缆的结晶速率的关键参数。在此基础上,分析螺杆挤出机加工ETFE绝缘电缆熔融与成型的全流程工艺参数,建立ETFE绝缘电缆高温熔融固体塞运动规律模型,研究螺杆结构与ETFE绝缘电缆塑化、交联之间的作用机制,确定最佳螺杆结构。提出改善ETFE绝缘电缆熔融晶体比例的高温熔融工艺改进方法,实现ETFE绝缘电缆的最佳熔融与成型工艺参数优化。其次,研究辐照工艺参数对ETFE绝缘材料与绝缘电缆微观结构、结晶程度和性能的影响,确定最佳辐照改性参数。利用FTIR、XRD和XPS等现代光谱技术分析辐照改性对ETFE绝缘材料和ETFE绝缘电缆微观结构、熔融及结晶行为的影响,揭示辐照工艺参数对ETFE材料绝缘结构、性能和结晶程度的影响规律,并基于(非)等温动态DSC扫描和Avrami模型模拟等方法研究辐照改性、成核效应、晶体生长等多因素之间的交互作用规律,确定最佳的辐照改性参数。然后,分析ETFE绝缘电缆辐照改性后氟析出对电缆组件的损伤,建立热失活工艺与氟析出之间的规律模型,优化设计ETFE绝缘电缆加热失活工艺。分析ETFE绝缘电缆氟析出对电缆组件的腐蚀效应,研究ETFE绝缘电缆氟析出机理,阐明ETFE绝缘电缆热失活必要性。研究不同加热失活工艺对ETFE绝缘电缆氟含量、力学性能、熔融和结晶行为的影响,建立热失活工艺与氟析出之间的规律模型,优化加热失活工艺,改善ETFE绝缘电缆的氟析出现象,减轻因氟析出引起的电缆组件中连接器或其他设备的腐蚀情况。最后,进行ETFE绝缘电缆的应用研究,验证本文提出ETFE绝缘电缆制造工艺改进方法及改进工艺参数的有效性。将优化的辐照交联制备关键技术、螺杆结构及工艺参数应用于导体和绝缘的基础结构、螺旋电缆的复杂结构两种航天工程用典型电缆中,测试改进生产工艺后的ETFE绝缘电缆力学性能和电气性能,并从使用过程中力学性能和热寿命演变角度出发,分析ETFE绝缘电缆的性能及评估在极端复杂环境下的期望应用寿命,验证ETFE绝缘电缆高温熔融挤出、辐照交联工艺以及加热失活工艺的有效性。
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