CN204516474U - 一种耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆 - Google Patents

Abstract

一种耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆，其特征是从内到外依次为：沿电缆的中心轴线纵向延伸的实心或绞合的金属内导体(1)、聚四氟乙烯微孔复合绝缘层(2)、金属编织的或附加内屏蔽层的外导体(3)、全氟乙烯丙烯共聚物或低烟无卤阻燃聚烯烃材质的护套层(4)，其中聚四氟乙烯微孔复合绝缘层(2)将金属内导体(1)和外导体(3)隔开；所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层(2)的材料为纳米多面体笼型倍半硅氧烷(POSS)填充改性的聚四氟乙烯有机-无机纳米复合材料。本同轴电缆降低了电缆绝缘层的介电常数。由传统实心聚四氟乙烯绝缘介电常数2.1降低到1.2～1.6，下降了约24％～43％，降低了电缆高频通信的信号衰减。

Description

一种耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆

技术领域

本实用新型属于通讯传输领域中通信线缆产品，具体是具有纳米粒子POSS填充改性的聚四氟乙烯复合微孔绝缘结构的一种耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆。该电缆可广泛应用于有耐高温低损耗要求的通信雷达、机房、航天航空、矿井油井、天线、船舶等行业中的高频通信设备的信息传输。

背景技术

射频电缆是无线电频率范围内传输电信号和能量的电缆的总称，其中同轴电缆应用最为广泛。同轴电缆主要用作无线电发射和接收设备的天线馈线以及各种通信、电子设备的机内线连线和相互连接线。在信息高速发展的今天，高频率、大容量、高速率的信息传输需求对通信设备间的信息传输介质通信电缆也提出了更高的要求，耐高温、低损耗、阻燃、高屏蔽性能已成为发展同轴电缆的关键技术指标。开发高频通信用的低衰减、低电压驻波比、高稳相性能的高端通信电缆产品是目前技术攻关的一个主要方向，而在电缆结构影响因素中，绝缘材料的特性起着至关重要的作用。

聚四氟乙烯具有较低的介电常数(2.1)，抗湿性和耐腐蚀性，且化学性质稳定，耐高温性能强，已成为目前高温通信电缆领域的主要绝缘材料，但其材料具有机械强度低、粘接性差、线膨胀系数较大、成型和二次加工性能困难、耐蠕变性能差等不足，成为了限制其在高端电缆领域广泛应用的关键技术瓶颈。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆，通过在聚四氟乙烯绝缘材料中引入超低介电纳米多孔笼型倍半硅氧烷(POSS)进行物理共混填充改性的方法，来降低电缆绝缘层的介电常数，提高电缆绝缘层的孔隙率，来改善电缆绝缘层机械性能、耐蠕变性能、加工困难等不足，简化工艺难度，提高生产效率，提升产品合格率，增加电缆的综合性能。通过引入纳米粒子填充改性，提高材料性能，改善加工工艺难度，由推挤拉伸烧结工艺形成微孔绝缘结构，大大提高电缆电气性能，为聚四氟乙烯绝缘材料在耐高温低损耗电缆上的应用提供了新的思路，也使得产品在高频通信上的应用前景更加广阔。

本实用新型的技术方案是：

一种耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆，从内到外依次为：沿电缆的中心轴线纵向延伸的实心或绞合的金属内导体1、聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2、金属编织的或附加内屏蔽层的外导体3、全氟乙烯丙烯共聚物或低烟无卤阻燃聚烯烃材质的护套层4，其中聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2将金属内导体1和外导体3隔开；所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2的材料为纳米多面体笼型倍半硅氧烷POSS填充改性的聚四氟乙烯有机-无机纳米复合材料。

所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2的材料为纳米多面体笼型倍半硅氧烷(POSS)填充改性的聚四氟乙烯有机-无机纳米复合材料，组成中纳米多面体笼型倍半硅氧烷(POSS)为多面体笼型结构，其立方Si-O-Si笼型结构的周围以共价键的方式连接了8个有机基团(功能性或惰性)，如氢(hydride)、烷基(alkyl)、亚烷基(alkylene)、芳基(aryl)、亚芳基(arylene)和其他衍生基团(other derivativegroups)，为有机-无机杂化纳米粒子，具备有纳米材料的奇特性质，并且与有机聚合物材料有较好的相容性。

所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2的材料组成中，纳米多面体笼型倍半硅氧烷POSS笼的尺寸约为0.53nm,是一种本征型多孔介质材料，分子结构中空隙约为0.3-0.4nm，介电常数为2.1～2.7，可调。

所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2的材料组成中，在填充改性之前采用硅烷偶联剂或其他合适的偶联剂对纳米多面体笼型倍半硅氧烷POSS进行处理，偶联剂能增强两种不同极性分子之间的相互作用，充当一种化学媒介的作用，增加复合材料的强度，提高两者之间的结合力，保证其与聚四氟乙烯材料的充分均匀混合。

所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2的材料组成中，填充改性的纳米多面体笼型倍半硅氧烷POSS的比例为5％～25％，聚四氟乙烯的含量为75％～90％。

所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2的材料的物理共混是通过采用机械混合、气流粉碎和超声波处理中的两种及以上的方法相结合进行充分混合均匀的。

所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2通过推挤拉伸方式加工，保证绝缘层有一定的均匀空隙，形成微孔状复合结构。

所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2中的微孔的孔隙率在50％～80％之间，实现纳米多面体笼型倍半硅氧烷POSS填充改性的微孔复合绝缘层介电常数为1.2～1.6。

在传统聚四氟乙烯绝缘材料中添加纳米多面体笼型倍半硅氧烷(POSS)，其技术依据在于：POSS为非极性笼状纳米结构，尺寸约为5.3nm，熔点大于400℃，介电常数在2.1～2.7之间，具有0.3～0.4nm的孔隙，是一种低密度、耐热性能好、力学性能和介电性能优异的介孔纳米材料，具有纳米材料所特有的小尺寸效应、大比表面积所带来的表面效应、量子尺寸效应、宏观隧道效应和介电限域效应等特性。

POSS具有独特的纳米结构和有机无机杂化的特性，通过将POSS引入到PTFE基体中，能和PTFE进行良好的融合，改善材料的机械性能、蠕变性能、耐磨性能和介电性能等，尤其是介电限域效应使得POSS纳米粒子与相接触的PTFE异相介质处产生强烈的自极化诱导效应，使异相介质处的电子云径向局域化，限制其电子云的极化，从而使材料的介电常数得以显著的降低。

由于POSS具有刚性的结构和较高的熔点，还能提高材料的耐热性能和加工性能，有利于在推挤拉伸过程中微孔的形成，进一步降低绝缘层的介电常数和介电损耗，从而提高复合材料在耐高温绝缘电缆的发展与应用，提高同轴电缆的高频通信性能。

表1 聚四氟乙烯材料性质和特性分析

由上表可以看出，聚四氟乙烯是一种具有化学稳定性高，耐高温性能好，且具有较低介电常数和介电损耗的一种性能良好的绝缘材料，但其不足之处是线膨胀系数较大，机械性能较差，熔融粘度高，导热性差，耐蠕变性差及价格昂贵，加工困难等。纳米多面体笼型倍半硅氧烷(POSS)为非极性笼状纳米结构，平均尺寸约为5.3nm，熔点大于400℃，介电常数在2.1～2.7之间，刚性立方体使其具有0.3～0.4nm的空腔，同时具有低密度、优异的耐热性能和力学性能。基于POSS独特的纳米结构和有机无机杂化的特性，通过将POSS引入到PTFE基体中，能和PTFE进行良好的融合，改善材料的机械性能、蠕变性能、耐磨性能和介电性能等，并且还能提高材料的耐热性能和加工性能，有利于在推挤拉伸过程中微孔的形成，进而提高复合材料在耐高温绝缘电缆的发展与应用。

纳米多面体笼型倍半硅氧烷(POSS)材料具有良好的塑性及韧性，强度和硬度比普通材料高很多，由于纳米粒子的尺寸小，比表面积大，与聚合物界面面积及相互作用大，能获得较好的界面粘合，能消除复合材料之间的热膨胀系数差异。一定比例的纳米多面体笼型倍半硅氧烷(POSS)的添加，提高了PTFE材料的拉伸强度和断裂伸长率，改善了PTFE材料的耐磨耗性能。

纳米粒子由于其内在的纳米作用能而具有容易团聚的现象，因此我们要在混合前对纳米多面体笼型倍半硅氧烷(POSS)采用硅烷偶联剂如：KH-550、KH-560、KH-570或其它合适的偶联剂等进行表面改性处理来提高纳米粒子分散性，以保证无定形二氧化硅微粉和聚四氟乙烯材料的充分均匀混合。表面改性的主要目的是：改变纳米粒子POSS的表面化学组成、结构与形态、表面能，消除表面弱边界层，提高纳米材料与PTFE表面性能的相容性、浸润性、反应性，形成能充分显示复合材料复合效果的界面层，从而改善纳米粒子在PTFE中的分散度。此外对POSS的表面改性处理还会影响到复合材料中纳米特异性能的发挥以及加工过程中晶体的成核、生长及热处理过程。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆的绝缘层为纳米复合材料，内部具有均匀分布且孔隙一致的微孔结构，并且均匀分布在材料内部的纳米粒子内在具有纳米级空洞，POSS的笼型效应相当于引入了“纳米气泡”或者空气隙，复合材料绝缘层具有较高的孔隙率，降低了材料的密度，带来了绝缘材料介电常数和介电损耗正切的下降，大大提高了该电缆的高频通信性能。而微孔结构的形成主要得益于以下几个方面的因素，第一是在混合推挤过程中形成的有限尺度的空气隙；第二是在拉伸烧结过程中POSS填充的PTFE复合材料的熔融结晶、分子链段运动和取向，形成三维网状的微孔结构；第三是附着在纳米粒子POSS表面的偶联剂包覆膜在高温下大量挥发分解，产生大量的小分子有机气泡，充斥在绝缘层中形成微孔结构。与此同时，POSS分子具有低密度、低原子序数、对称结构、分子极化率低等特点，还具有较高的机械强度和热稳定性，POSS纳米粒子的引入通常还可以提高聚四氟乙烯的刚性、表面硬度，改善耐热和阻燃性能，进一步提高电缆绝缘层的综合使用性能。

目前应用最广的高频稳相耐高温电缆聚四氟乙烯绝缘层大都采用微孔薄膜多层绕包或整体微孔拉伸生产工艺。绕包工艺中微孔薄膜带成本较高，当绕包层数较多时，绝缘的外径均匀性和外表平整性较难控制好，另外绕包后薄膜之间存在间隙影响了绝缘层的密封性能，在生产操作过程中还容易沾染空气中的微尘等杂质，进而影响电缆的电压驻波比和介质损耗。整体微孔拉伸工艺目前在国内仍没有掌握相关制造技术，其工艺难度大，设备要求高，生产产品孔隙率和孔径大小控制困难，并且生产过程成本高，产品合格率低，导致其应用推广受限。相比于上述两种方法，本实用新型的耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆生产工艺相对简单，先将纳米材料采用硅烷偶联剂进行表面处理，随后和PTFE采用机械混合和气流粉碎的方法进行充分混合均匀，经过预冷压，推挤拉伸，烧结成型，冷却得到纳米复合微孔绝缘层。生产过程简单，生产工艺稳定，纳米材料POSS填充改性的有机-无机复合材料改善了聚四氟乙烯的加工性能，更有利于在绝缘推挤拉伸过程中形成微孔结构，孔隙率为50％～80％，而生产难度和成本则大大下降，生产效率得到了提高，产品性能还得到了提升。相比于传统的实心聚四氟乙烯绝缘电缆来说，其高频使用性能、耐高温性能以及其他电气性能得到了大大的提高。此外，纳米复合微孔绝缘材料电缆还具有良好的弯曲性能，增韧增强，减磨，密度小，弯曲半径小，易于安装敷设等优点。

主要体现在以下几个方面：

1)本实用新型的耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆降低了电缆绝缘层的介电常数。由传统实心聚四氟乙烯绝缘介电常数2.1降低到1.2～1.6，下降了约24％～43％，降低了电缆高频通信的信号衰减。

2)本实用新型的耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆提高了电缆绝缘层的孔隙率。内在具有纳米级空洞的笼型纳米粒子POSS的引入，相当于引入了“纳米气泡”，增加空气隙的同时也降低了材料的密度，并且通过推挤拉伸烧结工艺产生微孔结构，相比于实心聚四氟乙烯绝缘，空隙率提升为50％～80％，绝缘重量降低了52％～78％，提高了电缆的弯曲性能和敷设性能。

3)本实用新型的耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆简化了工艺难度，提高了生产效率。采用纳米级的POSS和聚四氟乙烯材料进行充分混合均匀，由于POSS的熔点远高于聚四氟乙烯的熔融温度，所以加工过程中纳米粒子的存在能够降低熔融状态下的聚四氟乙烯粘滞阻力，提高聚四氟乙烯分子之间的流动性，利于复合绝缘推挤速度；并且在加工过程中纳米粒子的添加起着异相成核的作用，可以提高聚合物的结晶速率，更有有利于推挤拉伸过程中形成微米级孔状结构；相比于其他加工方法，简化了工艺难度，提高了生产效率，还保证了电缆整体质量的稳定性，降低了模具设备差异性对生产的影响。

4)本实用新型的耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆提升了产品合格率，增加了电缆的综合性能。采用物理共混的填充改性方法，操作简单易行，工艺参数稳定，相比于整体拉伸微孔和微孔薄膜绕包，产品合格率大为提升，并且由于纳米POSS材料的小尺寸效应、大比表面积所带来的表面效应、量子尺寸效应、宏观隧道效应和介电限域效应等纳米材料特性，使得复合绝缘材料具有优异的电气性能、热稳定性、机械性能、耐磨损性和良好加工性能，提升了电缆的综合性能。

本实用新型的耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆采用纳米多孔笼型倍半硅氧烷(POSS)填充改性的聚四氟乙烯复合材料作为绝缘层，提高了电缆绝缘层的孔隙率，降低了电缆绝缘层的介电常数，增加了绝缘层的耐热性能和机械性能，简化了工艺难度，提高了生产效率，提升了产品合格率，增加了电缆的综合性能。通过引入纳米粒子填充改性，提高材料性能，改善加工工艺难度，由推挤拉伸烧结工艺形成微孔结构，大大提高电缆电气性能，为聚四氟乙烯绝缘材料在耐高温低损耗电缆上的应用提供了新的思路，也使得产品在高频通信上的应用前景更加广阔。

附图说明

图1是本实用新型的耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆的剖面结构示意图。

图2是本实用新型的耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆的侧面结构示意图。

图3是本实用新型采用的POSS分子结构图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步描述：

以下结合一个优化具体实施例，事例性说明及帮助进一步理解本实用新型，但实施例具体细节仅是为了说明本实用新型，并不代表本实用新型构思下全部技术方案，因此不应理解为对本实用新型总的技术方案的限定，在一些技术人员看来，不偏离本实用新型构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本实用新型保护范围。

如图1、图2，一种耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆，从内到外依次为：沿电缆的中心轴线纵向延伸的实心或绞合的金属内导体1、聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2、金属编织的或附加内屏蔽层的外导体3、全氟乙烯丙烯共聚物或低烟无卤阻燃聚烯烃材质的护套层4，其中聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2将金属内导体1和外导体3隔开；所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2的材料为纳米多面体笼型倍半硅氧烷POSS填充改性的聚四氟乙烯有机-无机纳米复合材料。

如图3，其特征在于所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2为含有纳米多面体笼型倍半硅氧烷(POSS)的聚四氟乙烯微孔复合绝缘材料。该纳米粒子POSS笼状结构尺寸为粒径为0.53nm，孔隙0.3～0.4nm，其介电常数为2.1～2.7，在和聚四氟乙烯粉末进行物理共混前需使用硅烷偶联剂对其表面进行处理，去除其表面极性。该复合材料采用的是机械混合和气流粉碎的方法相结合进行混合均匀的。该纳米复合绝缘材料中纳米粒子POSS的比例为5％～25％，聚四氟乙烯的含量为75％～95％。所述复合绝缘层中的微孔间隙在50％～80％之间，实现复合绝缘层介电常数为1.2～1.6之间。

金属内导体1的材质可以为实心金属导体，如：裸铜线、镀锡铜线、镀银铜线、铜包钢线、镀银铜包钢线、软铍铜线、银包线等；也可以为绞合金属内导体，材料特性：符合GJB 1640或GB/T 3956相应标准；

聚四氟乙烯微孔复合绝缘层2的材质为纳米多面体笼型倍半硅氧烷POSS、聚四氟乙烯等材料；

外导体3的材料为，编织金属线，其材质和内导体实心材料相同，也可选择镀锌钢线，或者添加内屏蔽层金属铜带或镀银铜带等；

护套层4的材质为全氟乙烯丙烯共聚物等材料。

纳米复合绝缘层2的材料组成对该种耐高温通信电缆的结构至关重要。可根据缆芯结构、使用环境及通信性能要求可以对绝缘材料中纳米粒子的基团改性，以及纳米粒子与聚四氟乙烯的混合比例及空隙率进行设计调整。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (2)

1.一种耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆，其特征是从内到外依次为：沿电缆的中心轴线纵向延伸的实心或绞合的金属内导体（1）、聚四氟乙烯微孔复合绝缘层（2）、金属编织的或附加内屏蔽层的外导体（3）、全氟乙烯丙烯共聚物或低烟无卤阻燃聚烯烃材质的护套层（4），其中聚四氟乙烯微孔复合绝缘层（2）将金属内导体（1）和外导体（3）隔开。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温低损耗复合绝缘同轴电缆，其特征在于所述聚四氟乙烯微孔复合绝缘层（2）中的微孔的孔隙率在50%～80%之间。