一种整体推挤发泡PTFE绝缘介质的低损耗稳相电缆

徐凡黄凯洮陆卫东

【摘要】介绍推挤发泡工艺生产低损耗稳相电缆绝缘的工艺流程，工序特点，描述这种工艺的电缆结构形式和特点，以及电缆的性能特点。

【关键词】推挤发泡工艺；低损耗稳相电缆

Abstract:Overallextrudefoamingprocessanditsfeatureoflowlossstablephasecableinsulationisintroduced,andthestructureandcharacteristicofcablearedescribed.

Keywords:extrudefoamingprocess;lowlossstablephasecable

0引言

低损耗稳相射频电缆是同轴射频电缆领域的高端产品，其损耗小、驻波低、稳相性好，被广泛应用于各种对相位有要求非常敏感的电子设备中，如气象、侦察、火控、导引等各种相控阵雷达。

在确定电缆结构尺寸和特性阻抗前提下，通过选择合适的等效介电常数和低损耗角正切的绝缘体材质以实现低损耗稳相特性。

选择合适的绝缘体的原材料和制造工艺，是国内外各电缆生产厂商的主要攻关内容。国外HUBER+SUHNER、TIMES等电缆供应商相继在绝缘介质新材料、新工艺方面进行了研究并取得进展，国内主要的电缆供应商同样在新材料和新工艺方面相继投入研究。本文就是介绍一款采用在国内独特的推挤发泡工艺方法制造超低密度PTFE绝缘介质的低损耗稳相电缆，型号为CFBU50-2.6A（替代CXN3507）。

1电缆设计

1.1结构设计

整体推挤发泡PTFE绝缘低损耗稳相电缆的结构形式如下图所示。

图1CFBU50-2.6A电缆结构示意图

内导体：镀银铜线；

薄膜：可熔性聚四氟乙烯（PFA）；

绝缘层：整体推挤发泡超低密度PTFE；

外导体：镀银铜带绕包；

屏蔽层：镀银铜线编织；

护套：聚全氟乙丙烯（FEP）。

结构尺寸

内导体：0.91mm±0.01mm

绝缘体：2.50mm±0.05mm

外导体：2.65mm±0.10mm

屏蔽层：3.06mm±0.15mm

护套：3.60mm±0.15mm

1.2工艺设计

电缆采用独特的整体推挤发泡工艺。

目前国内外低损耗稳相电缆普遍采用聚四氟乙烯（PTFE）树脂为原材料，经推挤拉拔烧结分切成超低密度PTFE带料，再经绕包成为电缆绝缘体的生产工艺，缺点是工艺步骤复杂，成本居高不下。

也有部分国内电缆生产厂家采用推挤拉拔工艺作为低损耗电缆的低密度绝缘生产工艺。要实现低损耗稳相电缆的超低密度绝缘体，推挤拉拔需要经过更大幅度的拉拔方式，才能获得超低密度PTFE所需的足够的孔隙率。但随着推挤挤出速度和牵引速度之差进一步拉大，不可避免的出现过高的牵引力，使得绝缘体的圆度、尺寸一致性难以控制，限制了推挤拉拔工艺在超低密度PTFE绝缘中的应用。

整体推挤发泡工艺则可以避免推挤拉拔工艺中出现的问题。与带料绕包工艺相比，由聚四氟乙烯树脂为原料直接生产为电缆绝缘体，减少中间环节，提高生产效率，较大幅度的降低电缆的总成本。与传统绕包工艺相比，整体推挤发泡工艺生产的超低密度PTFE电缆绝缘体，生产效率可提高200%以上，成本可下降40%。

2关键制造工艺和控制要点

整体推挤发泡的工艺流程包括：

配料——混料——熟化——预压——推挤——烘干发泡——烧结——冷却

与其它同轴电缆推挤成型工艺相比，低损耗稳相电缆的超低密度PTFE绝缘整体推挤发泡工艺流程除配料外基本一致，只是各操作流程的一致性控制要求更严格。

2.1配料

PTFE树脂、发泡剂和助推剂配比关系基本上决定了绝缘介质的等效介电常数，对于不同的要求，需要作较精确的计算。助推剂除了起到增加推挤润滑作用外，在受到高温挥发后，同样会流出一定比例的孔隙。助推剂对孔隙率的影响还与预压压力和推挤压缩有关联，所以在计算推挤发泡后的等效介电常数时需考虑到助推剂比例的影响。

绝缘芯线线径在生产过程中，从推挤出模尺寸d1经烘干烧结过程时PTFE大分子链分散并重新结晶运动，填补一部分孔隙后出炉尺寸缩小，再经外导体绕包后绝缘外径继续缩径至d2，绝缘体的等效介电常数发生变化。

式（1）是推挤发泡工艺绝缘体等效介电常数计算公式。

式中：εr为等效介电常数，GP、Ga为PTFE树脂/发泡剂/助推剂的配比，d1为推挤出模线径，d2为成缆后的绝缘线径，d0为内导体线径。

实际工作中，下面计算结果与实际数据很接近，可以作电缆工艺设计参考。

为保证推挤发泡后相位一致性达到≤5‰的要求，配料须采用精密电子秤对PTFE树脂、发泡剂和助推剂进行精确称量，精度应在0.1g以内。秤量好的各材料应随即放入混料瓶内并密封。

2.2混料和熟化

含有发泡剂的PTFE树脂需较缓慢的转速进行混料，减少摩擦和静电附着瓶壁。混料的时间需要掌握好，时间短，混料均匀性不够，时间过长，树脂表面长时间摩擦预先出现表面纤维化，影响后续推挤过程的形成纤维化的一致性。

熟化过程是让助推剂充分发散，减少颗粒之间及与模具之间的推挤摩擦力。

2.3预压

预压是将颗粒状原料制成紧密的有较好结合力的适应推挤设备料筒推挤的管状坯料。聚四氟乙烯树脂料在19℃~30℃温度上下，分子结构会发生较大变化，最好在树脂料稳定的温度区间下进行预压。预压应缓慢进行，使颗粒间隙的空气有充足的时间得到充分释放。所以预压过程应严格控制温度、压力、速度和时间，才能得到质量一致的坯料。

2.4推挤

PTFE推挤是电缆绝缘生产的主要过程。根据不同电缆绝缘体线径选择适当的料筒内径（坯料外径），由于含有发泡剂，坯料中的颗粒与颗粒及颗粒与模具间的摩擦增大，压缩比选择要偏低一些，并且内外模具的角度往偏小调整。

2.5烘干发泡

整体推挤的实体经过烘干炉烘烤，内部的助推剂和发泡剂受到高温作用向外挥发。合理的烘干温度和足够的烘干时间，保证助推剂和发泡剂由外而内，逐步而又充分的挥发。

助推剂和发泡剂挥发后留下孔隙，当完全挥发后，余下部分就成为超低密度PTFE绝缘。当孔隙率达到超低密度PTFE绝缘体所要求时，PTFE变得柔软，结构刚性较小，与内导体之间的张力变小，容易出现窜动现象，影响成缆后绝缘与内导体之间的附着力和尺寸稳定性。为此在内导体和绝缘之间增加一个过渡层，解决附着力和尺寸稳定性问题。选择可熔性聚四氟乙烯（PFA）作为薄膜材料，采用挤塑方式贴附在内导体上，实践证明推挤发泡工艺结合这种结构方式，具有良好的附着力和尺寸稳定性。

2.6烧结

烧结过程是加热至高位熔点以上，将立大分子转变成无定型态，与相邻的熔融黏结成连续整体。分子链扩散的运动过程，填补了一部分助推剂和发泡剂挥发后留下的孔隙，烧结后的线径随温度和烧结时间不同程度的产生缩径现象，要得到预期设定线径，需在出模尺寸上作补偿，并在最初的等效介电常数计算中加入这些因素。

3工艺效果验证

采用推挤发泡工艺方法制造的低损耗稳相电缆成品如图1所示，其成品导体附着力≥10N，尺寸稳定性0.6mm。

图1CFBU50-2.6A电缆实物照片

3.1机械性能试验

推挤发泡并经充分烧结的电缆绝缘具有良好的整体效果，图2是轴向撕裂面和径向切面，轴向撕裂面和径向切面平整光滑。

图2CFBU50-2.6A电缆绝缘体

整体推挤发泡PTFE绝缘体经极限弯扭后还能保持良好的完整性，图3所示。

图3电缆绝缘芯线极限弯曲图

3.2电性能

整体推挤发泡PTFE绝缘介质低损耗稳相电缆的性能如表1所示：

图4CFBU50-2.6A电缆相位随温度变化曲线

4结论

推挤发泡绝缘介质的低损耗稳相电缆具有以下特点：

电缆组件的相位一致性易控制。电缆有配相要求时，其物理长度的误差控制要求更高，尤其是长电缆，当30m长度的推挤发泡工艺生产的电缆，其长度误差可控制在5‰以内，而绕包工艺生产电缆配相后的长度误差只能控制在2%之内，长度误差减少近5倍。因此，更适用于大型电子设备中需要几根或十几根大长度低损耗稳相电缆集束连接场合。

生产效率高。每台推挤发泡生产设备的日生产量可达600米，比超低密度PTFE带料绕包工艺的生产效率高出200%以上。

成本降低。在整个生产供应链中，少了超低密度PTFE带料加工过程，绝缘体部分的成本降低幅度有40%以上。

作为低损耗稳相电缆制造新工艺的有益尝试，推挤发泡绝缘介质的工艺实现可更好的在军民融合项目中进行推广和应用。