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辐照交联汽车电线技术简介

【摘要】本文介绍了辐照交联线缆制造技术和辐照交联汽车电线的主要特点，分析了汽车电线的技术要求和目前国内外技术发展概况，预测了今后的发展趋势，指出了辐照交联汽车电线制造流程中主要工序的关键技术，最后建议走合作之路发展我国辐照交联汽车电线。本文对汽车制造厂如何选用汽车电线也具有一定的价值。

1. 辐照交联电线技术

      早在1952年，美国科学家即以原子核反应堆作辐射源制成交联聚乙烯，之后采用电子加速器产生的β射线对塑料进行辐射加工的技术后来居上地发展起来。线缆行业始终是该项技术的重点应用领域。目前全球约有600台电子加速器，其中200余台用于生产电线电缆。在我国，热缩套管和线缆制造业已位居辐射技术产业化应用的前两席。

      所谓交联是将高分子聚合物从链状结构的热塑性材料转变为立体网状结构的热固性材料。热塑性材料受热会熔融流动，线缆绝缘或护套的加工正是利用了这一特性；热固性材料(交联型高分子)高温下也不会熔融变形，无法挤塑加工，但却具有热塑性材料所不具备的优点：分子链段交叉连接，即不但拧成了一股绳，而且抱成了一个团，因此机械性能优异；长期耐热特性好，制品尺寸稳定；耐化学腐蚀。

      线缆行业采用的交联方法有三种：过氧化物交联法(CV法)；硅烷交联法(SV法)和电子束交联法(或称辐照交联)。三种方法各有所长。CV法广泛用于生产高压和超高压电力电缆，交联过程在充有高温、高压气体(或汽体)的硫化管中完成，导体截面小的绝缘线在管中易被拉长甚至拉断；SV法主要用于生产中低压电力电缆，包括汽车用电池电缆。这两种方法都是加入交联剂(过氧化物或硅氧烷)来引发交联，属于化学交联方法。

      辐照交联则是包含化学变化的物理交联方法。线缆的电子束辐射加工是先用热塑性材料挤塑绝缘或护套，再用高能射线轰击，达到改变聚合物分子链结构、促成其交联的目的。电子加速器的工作原理与电视机显像管相类似，由加热的电子枪产生电子，依靠直流加速器高压装置正负电极之间的高电压导引电子飞离电子枪，再由真空束流管加速并聚焦。之后当电子束流穿过扫描磁场时，将被扫描成线条状后穿越金属箔窗，照射箔窗下由束下传送装置输送的被加工物。电子携带的能量取决于加速器施加的高电压，常用兆电子伏特(MeV)来表示。束流与加速电压决定了辐照功率，其中束流表示单位时间内提供多少个电子，1mA的束流表示每秒有6.2×1015个电子。

      聚合物在受到高能电子束照射时，化学键将先被破坏，然后形成新的分子链结构。有的聚合物的反应以降解为主，有的则以交联为主。幸运的是，电缆业广泛运用的聚烯烃、聚氯乙烯(PVC)、橡胶(如EPDM)和热塑性弹性体(如TPU)等以交联反应为主。以聚乙烯(PE)为例，高能电子束首先使C-H键断裂，生成带自由端基的活性大分子链和活泼的氢原子，然后氢原子攻击分子链，夺取其中的氢原子生成氢气和带自由端基的分子链，相邻的带有自由端基的链段交叉连接形成横向的C-C交联键。不同材料对辐射的敏感性是不一样的。为了提高辐射交联效率，通常要在材料中加入敏化剂和增感剂。

      交联电缆在以下方面有显著变化：耐热等级提高，即使燃烧也不熔融滴落；耐化学腐蚀，不溶解于油和有机溶剂；抗张强度、耐磨性、抗压性、抗冲击、抗撕裂和抗剪切等机械性能大为提高，硬度和抗切通特性则基本不变或略有提高，但断裂伸长率有所降低；电气绝缘强度基本不变。辐照交联与化学交联相比较，还具有以下特点：

-可加工材料多，材料无货架寿命限制。
-不需高温、高压条件，能耗低。
-由于吸收辐射能量引起的聚合物温升通常不超过70℃，加有水合氧化铝或氢氧化镁等阻燃剂的无卤聚烯烃绝缘层或护套不会在交联过程中因高温分解，因而特别适合于加工阻燃电缆。
-可获得较高的耐温等级。已制成耐温等级150℃的辐照交联聚乙烯绝缘汽车线。
-加工后无残留物，长期与酸液接触也不会有明显溶胀。
-容易控制交联度。
-生产效率高。小线交联效率一般只受限于束下传送速度，目前汽车电线制造业已有2000m/min的报道。现在由于辐照功率和效率的提高，即使是绝缘较厚的汽车电池电缆也可采用辐射交联工艺生产。
-特别适合加工小截面导体、薄壁和超薄壁绝缘的高性能交联电缆。这一特点使电子束交联技术在汽车电线制造领域获得了广泛运用。


     辐照交联线缆技术也在不断发展和完善中，目前尚不适合加工特粗的电缆和导体四周绝缘层厚度不均匀(如带状)的电缆，其原因在于这些电缆所受辐射的均匀性问题难以很好解决，可能会出现局部升温、累积电荷导致放电击穿绝缘和截面各点交联度不均匀等情况。

2. 低压汽车线的技术特点及要求

      现代汽车采用低压直流供电系统，标称电压有6、12、24伏，并以车体为一极单线供电，故汽车电线多为单芯导体。汽车电线包括驱动系统电缆，如电池引线电缆、点火线、油泵电缆；通信系统电缆和线束复用系统线缆，如音响线、车载电话线、多模光纤；安全系统电缆，如防刹车抱死系统(ABS)电缆、刹车磨损监测电缆(使用温度-60～+260℃)；舒适系统电缆，如汽车空调线、座椅调节和温控电缆等。一般将汽车线分为电池电缆(Battery Cable)和低压主回路电缆(Low Tension Primary Cable)两大类，有的也将点火线单独列出。前两种电缆都适合于标称电压不超出50V的电气系统。

      我国1988年实施的《公路车辆低压电缆(电线)》(GB9328-88)中电缆性能要求、电缆结构与国际先进标准(如国际标准化组织ISO6722-96标准、日本机动车标准协会JASO D608标准和美国SAE标准)相比有较大差距。本文将主要根据美国机动车工程师协会(SAE)标准SAE J1128-JAN 1995《低压主回路电缆》，介绍低压汽车电线技术特点。SAE标准是国际公认的水平较高的权威性技术文件，充分反映了国际汽车电线的技术水平和多年来汽车电线的开发成果。随着我国汽车业日益融入国际竞争大环境，该标准将为更多的汽车厂熟悉和采用。

      根据绝缘的不同，电缆分为以下类型(表1)。

表1
绝缘 薄壁型 通用型 专用型 重荷型
热塑性材料 TWP GPT \ HDT
热固性弹性体 \ \ STS HTS
交联聚烯烃 TXL GXL SXL \
热塑性弹性体 TWE GTE \ HTE

电缆规格见表2。

表2
SAE导体规格(mm2)  导体线规号 导体最小截面(mm2)  绞合导体结构(根数×单线直径mm)
     0.22                       24                 0.205                            7×0.606
     0.35                       22                 0.324                            7×0.765
     0.5                         20                 0.508                            7×0.963
     0.8                         18                 0.760                            19×1.170
     1                            16                 1.13                              19×1.430
     2                            14                 1.85                              19×1.805
     3                            12                 2.91                              19×2.275
     5                            10                 4.65                              37×3.185
     8                             8                  7.23                              19×7×4.221

注：  “绞合导体结构”一列为作者所加，仅供参考。单线直径直接采自美国线规。

低压汽车电线绝缘厚度和最大外径如表3所示。

表3 (mm)  电缆 规格     TWP             TWE              TXL      GPT             GTE           GXL        STS         SXL
绝缘厚度
最大外径 绝缘厚度最大外径 绝缘厚度 最大
外径
标称 最薄点 标称 最薄点 标称 最薄点
0.22 0.40 0.28 1.50 　 　 　 　 　 　
0.35 0.40 0.28 1.70 　 　 　 　 　 　
0.5 0.40 0.28 1.90 0.58 0.41 2.40 0.74 0.52 2.80
0.8 0.40 0.28 2.20 0.58 0.41 2.50 0.76 0.53 3.00
1 0.40 0.28 2.40 0.58 0.41 2.90 0.81 0.67 3.40
2 0.40 0.28 2.70 0.58 0.41 3.20 0.89 0.62 3.90
3 0.45 0.32 3.30 0.66 0.48 3.80 0.94 0.66 4.60
5 0.50 0.35 4.00 0.78 0.55 4.70 1.04 0.73 5.30
8 0.65 0.39 4.90 0.94 0.66 6.00 1.09 0.76 6.20

绝缘机械性能要求见表4。采用美国ASTM D412、D573及E145Ⅲ型试验方法，样品不从成品电缆上取样，而是来自材料压片(压片经辐照处理)。

表4 电缆型号 原始拉伸性能
老化条件

抗张强度 (MPa) 断裂伸率 (%) 老化温度(±2℃) 老化时间168h
TWP GPT HDT ≥11 ≥125 110
STS HTS ≥7 ≥150 110
TXL GXL SXL ≥10 ≥150 155
TWE GTE HTE ≥11 ≥200 150

热老化绝缘抗张强度不低于原始值的80%，断裂伸率不低于原始值的50%。成品电缆的检测项目列于表5。

表5 序号 项 目 主要试验条件及要求
1 导体截面积 满足表2要求。
2 绞合导体中单线镀层质量 ASTM B33或B189
3 导体可焊性 通过本标准规定的焊接试验或按ASTM B49进行试验，氧化层厚度不大于200埃。有镀层导体不作此试验。
4 电缆最大外径 满足表3要求。
5 绝缘最小厚度 满足表3要求。
6 绝缘机械性能 满足表4要求。
7 耐电压试验 1000V/50或60Hz，lmin不击穿。
8 低温弯曲 低温条件：-40±2℃/3h。绝缘无开裂，且能通过耐电压试验。
9 燃烧试验 样品与水平面成45°，本生喷灯燃烧15s,移开后70s内电缆上的火焰应熄灭。
10 溶剂相容性 直径溶胀不超过表6规定，表面不开裂。
11 耐臭氧性 将试样卷绕，在臭氧含量为100±5pphm的环境中试验192h，温度65±3℃。绝缘不开裂。
12 抗切通 刀具所加负荷应不低于规定值。
13 耐磨性 在规定负荷下磨透绝缘所用砂纸长度应不小于规定值。
14 交 联 通过热板试验。
15 绝缘剥离力 与用户协议。 

   

在前文表1中，并没有排除PVC绝缘汽车电线(属热塑性绝缘类型)。国外厂家采用优质级(Premium Grade)PVC生产GPT型电缆，使用温度范围为-20～+60℃；或者10～+105℃。这种优质PVC均用高档添加剂，按特殊配方加工而成，成本较高。尽管如此，用优质PVC制成的GPT电线要通过上表(表5)中低温弯曲、溶剂相容性、抗切通、耐磨性等试验项目仍相当勉强，通常不得不作出妥协。因此国外PVC汽车电线用量已逐渐减少，高级轿车中更是如此。

从上表可知，低压汽车线的试验项目虽不多，某些项目的试验方法和要求却不同一般电线，这里仅举几例：

—耐压试验。取600mm长的电缆样品，两端各去掉25mm的绝缘，将裸露导体扭在一起形成一个环，然后放入含5%(重量比)盐份的室温水中浸泡5h，注意样品端头露出水面的长度不得超过150mm。之后在样品与盐水间施加1000V/50或60Hz的交流电lmin，试样应不击穿。

—交联试验。SAE标准中给出的方法能直观地显示热固性弹性体;(合成橡胶)&绝缘汽车线&(含STS和HTS型)&和交联聚烯烃汽车线(含TXL、GXL和SXL型)绝缘的硫化或交联程度是否充分。将长为600m的样品两端去掉25mm绝缘，在直径6mm(1/4英寸)的心棒上至少弯曲135℃，置于已预热至250±25℃、边长150mm的正方形板上，样品与热板相接触。(在心棒上)施加5～7N的力约5～6秒，注意不要使电缆磨或擦热板。样品经如此暴露后，应不能透过绝缘看见其导体。如有疑议，可待样品温度降至室温后用耐压试验来最终得出结论，但样品在盐水中浸泡时间缩短为1min。

—溶剂相容性试验。测试试样外径后，将其浸入下表规定的溶剂中(表6)，每种溶剂单独采用一个样品。20h后将试样取出擦干，在室温下调节4h后测试样品直径，直径变化不应超过表中规定。交联材料虽不溶解于有机溶剂，但可能会有溶胀。此外，还要将浸泡后的试样作卷绕试验，不应有目力可见的开裂现象。

表6 试 验 液 体 试验 温度 （℃） 最大外径变化（%）
　 标准 参考液体
发动机油 　 ASTM D1471，IRM-902 50±3 15
汽 油 　 ASTM D471，C型参考液体 室温 15
甲 醇 85%甲醇+15% ASTM D471型参考液体
ASTM D471，K型参考液体 室温 15
车辆转向液 　 ASTM D471，IRM-903 50±3 30
自动变速传动油 SAE J311 Citgo #33123 50±3 25
发动机冷却剂 50%蒸馏水＋50%甘醇 ASTM D471，104号专业溶液 50±3 15
电池酸液 　 硫酸，比重为1.260±0.005 室温 5

     表6中电池酸液相容性试验主要针对汽车电线有可能与电池酸液接触或长期暴露于酸性环境中，特别是近年来汽车内部电器增多，电池负荷加大，工作温度随之上升。耐酸性优异是辐照交联电缆优于化学交联电缆和PVC电缆的显著特性。美国一家电缆厂开发的辐照交联聚乙烯绝缘汽车电线在密闭的盛有比重为1.30、温度100℃的硫酸液中长期浸泡，直径膨胀率不超过2%。

3. 汽车电线的技术发展趋势

      七十年代爆发的海湾石油危机曾深刻影响了世界，豪华但耗油多的汽车不再受宠，减轻汽车重量、节约汽油成为新的设计标准。有的国家还为此立法加以引导和限制。

      最有效的减轻汽车重量方法是减小汽车尺寸，但这不能以减小乘座空间、牺牲乘座的舒适性为代价，因而采用塑料替代金属、减小汽车零部件尺寸并在有限的空间内提高零部件安装密度成为设计新一代汽车时所考虑的主要措施。汽车电线的技术进步，是与汽车行业技术发展趋势相一致的，体现在以下几方面：

-减小绞合导体规格。SAE低压汽车电线标准中导体的最小规格已减至0.22 mm2。美国福特汽车线采购规范中已出现了0.15 mm2的规格。另据国外一家著名的汽车线束制造厂长期研究后得出的结论，22AWG规格(0.32 mm2)&&的电线在23%的应用场合可减至26AWG规格(0.13 mm2)或30AWG规格(0.05 mm2)。

      -在保持绞合导体规格不变的前提下压缩直径。可采用模具对绞合导体进行压紧，;从而减小绞体内部间隙以减小直径。这样不但可减小电线外径，还可减少绝缘料用量。有"紧压"(Compressed)和"密实"(Compacted)两种压紧方式，前者仅是绞体外层单线被紧压变形，绞体直径可缩减6%；后者则是绞体内层单线也受挤压变形，绞体直径可减少15%。紧密和紧压的导体表面圆整，减少了单根导体嵌入绝缘层的程度，因此适当降低绝缘厚度也不会导致耐电压和抗切通等性能的下降。减小绞体直径的另一种方法是用不同直径的单线组合绞制。下表(表7)是美国一家汽车线制造厂采用紧压和组合绞工艺生产18AWG规格导体的比较结果。

表7 导体结构(根数×单线直径mm) 导体面积(mm2) 导体直径(mm)
18AWG (实心) 0.82 1.02
19×0.234 0.81 1.17
19×0.234(紧压) 0.81 1.04
13×0.254+6×0.160 0.85 1.04

      -采用高强度的铜合金替代电解铜单线来绞制小规格的导体。为了保证在束线(Harnessing Wires)和安装过程中汽车电线具有足够的拉断力和能够展直，0.50 mm2规格以下绞体中的单线在拉制时可不经韧炼退火，要求拉伸强度不低于345MPa，断裂伸率在2～5%之间；更小规格(0.15 mm2以下)绞合导体还可采用高强度铜合金。

      -减薄绝缘厚度。福特汽车公司1996年发布了厚度为6mil(0.15mm)的超薄型交联型汽车线采购规范。

      绝缘厚度减薄后电线的耐压性能仍应满足要求，为此在选择绞合体结构时，可增加单线根数、减小单线直径以提高绝缘厚度与单线直径之比。

      -提高耐热等级。例如发动机室的电线，由于发动机室空间减小和发动机工作温度因提高效率而上升，电线使用环境温度增加。目前汽车电线耐热等级主要有60、85、105、125、150和260℃等档次。普通聚乙烯长期工作温度低于70℃，而聚氯乙烯也主要用于85℃等级以下的电线中，如需提高其耐温等级，必须对材料配方作重大改进，这将大幅度增加材料费用。

      -采用辐照交联技术制造汽车电线。这是减小绝缘厚度、提高耐热等级的基础。目前105℃以上等级的薄壁绝缘汽车线越来越多地使用辐照交联聚烯烃，并已开始用辐照交联热塑性聚氨酯来制造对耐磨性要求特别高、同时保持柔软性的刹车电缆。 需引起重视的是，交联聚氯乙烯(XLPVC)也应在汽车电线中占有一席之地。PVC树脂先天具有的阻燃性是聚烯烃材料所不具备的，交联聚烯烃材料中应包含适当的阻燃剂才能使最终的电线产品通过阻燃试验，材料比重相应增加。有别于SAE标准只有交联聚烯烃，日本汽车业允许采用XLPVC作绝缘材料，且最近在辐照交联PVC汽车线之外，开发出化学交联PVC材料供汽车电线厂选用，材料通过了-22℃低温失效试验。据称，采用该种材料生产的规格为0.5mm2的化学交联汽车线已通过了普通PVC难以承受的 -45℃/3h低温试验、120℃/168h和200℃/30min的耐热试验以及150℃/15min热回缩试验及耐磨性试验，交联度(凝胶率)大于40%，其整体性能与辐照交联聚氯乙烯汽车线并无大的差别。这种材料的应用虽然可免去投资加速器，但材料成本较高，挤塑后装盘的电线需在70～80℃的恒温加热室内加热3～8天才能获得45～50%的凝胶率（标准要求交联度大于40%)，安装电线的耐热性现只达到相当于UL规定的90℃和105℃等级。

      -采用方形或带状结构电缆以提高安装密度。

-模拟汽车线在线束装配和使用过程中可能遇到的各种情况，建立并不断完善测试方法，提高汽车电气系统的可靠性。除标准中规定的项目外，有的汽车厂和汽车线制造厂还共同确定了高温变形、高温振动、耐高温电池酸液、热失重(主要针对PVC绝缘)等试验项目。

      低压汽车线近年的发展特点可以简单用小线径、辐照交联聚烯烃薄壁绝缘、高可靠性来概括。为了适应汽车安全性、舒适性、多功能性的要求，汽车配线系统越来越复杂，从七十年代一辆轿车几百个电气回路上升到目前的上千个电气回路，汽车电线总长度迅速增加。例如每辆福特普通轿车需1196根电线，接线端头2300个，电线总长1495米；每辆凌志LS400型轿车需2000根电线。虽然汽车电线总长增加，但重量并未成比例增加，这归功于汽车电线制造技术有了提高。

      与西方主要发达国家相比，我国汽车电线制造水平较为落后，目前仍主要采用聚氯乙烯绝缘，离SAE等国标先进标准要求相距甚远。对辐照交联设备一次性投资大的担忧、对辐照交联汽车线认识不足等因素阻延了辐照交联技术在汽车电线领域的广泛应用。从性价比来看，对于耐温等级和其它性能要求较高的汽车线而言，辐照交联汽车电线远高于PVC汽车电线。

4. 辐照交联低压汽车电线制造流程

     多数汽车线的结构较为简单：绞合导体上包覆绝缘；绝缘以单层为主，也可以内层是耐温等级高的辐照交联聚烯烃，外层是柔软、耐磨且成本较低的橡胶。汽车电线的制造工序相应较少，包括拉丝、束绞并紧压成绞体，再挤塑绝缘，经辐照交联后分切包装，最后检验出厂。

      拉丝、束绞工序紧密相关。在拉丝工序，为提高生产效率(包括提高束绞生产效率)，减少盘具周转和设备占地面积，同时保证绞合导体中单线伸率的均匀性，国外汽车电线制造业已普遍采用多头拉丝机(带连续韧炼装置)来生产铜或镀锡铜单线，甚至汽车厂在认证合格电线厂时也将此列为生产汽车电线的基本条件。一台多头拉丝可一次拉制多根单线，采用了包括快速换模在内的许多先进技术。它的定径鼓轮单独由一个直流电机驱动，其它道次的拉丝鼓轮则统一由一个直流电机通过齿轮传动来转动，两台电机转速配比通过PLC控制，这样在更换规格时只需换掉成品模和部分道次上的拉丝模，既省时又可减少所备拉丝模具的数量。收线则有动盘收线和静盘收线两种方式，前者收线张力恒定，可将多根单线平行收卷在一个盘具上。

      汽车电线的绞体通常采用双节距束绞机按各层"同向同节距"(Unilay)的正规绞合结构绞制而成(相邻层单线根数相差6根)。在拉丝工序采用动盘收线的线盘上的多根单线很容易分开放出，按正规绞结构排列穿过分线板。例如，6mm2规格的绞体由37根直径0.455mm的铜线绞合而成，排列结构为"1+6+12+18"，束绞放线盘可以是3盘7头收卷单线和2盘8头收卷单线。如果用37盘单线放出，占地大且不说，张力调节将相当费时。

      在绝缘挤塑工序，往往配备一台或多台辅助挤塑机，采用共挤方式挤制平行或螺旋颜色标志，同时配备快速换色系统提高换色效率和节约绝缘料，采用精密挤塑工艺来保证绝缘厚度均匀性和同心度。

      辐照交联工序的关键是保证交联度的均匀性，这首先有两层含义：一是电线沿长交联度均匀，这就要求关键工艺参数束流线速比(电子束电流与电线束下传送速度之比)应保持恒定；其次是同一截面各点上的聚合物所受到的辐照程度应尽可能均匀。由于高能射线强度分布近似高斯分布，因而束下传送系统设计是否先进对保证后一种交联度均匀性至关重要。成都电缆集团双流热缩制品厂从法国Vivirad公司引进的3MeV/30mA电子加速器不但具有辐照功率大、自动控制精度高、易于调节等优点，而且专为加工辐照线缆配套引进了两套分别适用于大、小线缆的束下传送装置，是目前国内水平最高的加工热缩套管和电线电缆的电子束辐照系统，可充分保证辐照均匀性。还要补充的是，不同批次的同种电缆前后的交联度也应一致，只要控制好束流线速比和电线束下传送工艺设置，这一要求比CV和SV工艺更容易做到，交联度波动范围可控制在5%以内。汽车电线厂可用文献[3]规定的热延伸试验方法来方便地表征交联度，试验温度应高于未交联结晶聚合物的熔点。受辐照的线缆聚合物中未交联部分越多，则试样在给定负荷下伸长率越大，表明交联度越小。

5. 结束语

      汽车制造业已成为我国国民经济的支柱产业，带动了大批配套产业的发展。汽车电线是提高汽车技术含量的重要配件，其发展也遵循着集中化、规模化、专业化的方针，要求汽车厂、汽车电线厂包括线束装配厂)紧密合作。美国等发达国家从八十年代中期开始，改变了过去由汽车厂提出汽车电线结构尺寸等具体技术要求、电线厂只管照单生产的做法，转而由电线厂在深入了解汽车电线安装、使用条件的基础上，更多地参与和承担起新型汽车电线的提出、设计和验证等工作，汽车厂则可减少内部与电线有关的技术资源配置以降低管理费用，双方建立起新型的上下游产业合作方式，这有利于双方降低成本、发挥各自优势。

      从长远来看，汽车将越来越走近我国普通百姓生活，发展前景广阔。汽车电线在整个电线行业中的地位也将随之提升。有志于发展汽车电线的厂家要积极寻求与汽车厂的合作，产品技术起点要高，同时种类及规格又要切合中国市场需要。希望汽车厂也关注本土电缆厂所作努力，推动我国汽车电线的技术进步，从而更有效地降低成本，提高产品在全球范围内的竞争力。