国外航空航天用铜铝复合金属导体电缆性能分析

　　0引言

　　铝金属的重量轻、价格便宜、性能优异等特点，使得近年来以铝代铜的呼声越来越高，由此新型铜铝复合金属导体应运而生[1].新型铜铝复合金属导体具有重量轻、导电性好、密度小、柔软、耐腐蚀、易焊接、价格低等特点，因此以其为导体、聚酰亚胺和聚四氟乙烯为绝缘的铜铝复合金属导体电缆也具有重量轻、电气性能和机械性能俱佳等突出优点，长期工作温度可达-65~180℃.铜铝复合金属导体电缆作为机内连线，可减轻飞机及航天飞行器自身重量、提高综合性能[2-3].

　　虽然欧洲航天局（ESA）已经将铜铝复合金属导体电缆应用到航天器和飞机上，美国航天局（NASA）已经完成对铜铝复合金属导体电缆的开发和研究工作，但由于相关测试标准和一些数据的限制和缺失，导致目前国外铜铝复合金属导体电缆尚未进入航天和航空应用领域。当前我国大型航天军工项目对配套的轻型航空航天用线缆有着强烈需求，而国外又实行技术封锁，为奠定航空航天用铜铝复合金属导体电缆国产化基础，本文对国外航空航天用铜铝复合金属导体电缆的可靠性进行了综合分析[4].

　　1基本性能评价

　　由于在航空航天应用环境中，当低频电线电缆结构尺寸相近的情况下，主要是以相同载流量下电缆的重量为减重依据，因此在对国外航空航天用铜铝复合金属导体电缆的基本性能进行评价时，我们通过将载流量相近的常用低频C55系列中26AWG航空航天用耐高温铜合金导体电缆和国外Nexans公司生产的ABS 0949AD系列中24AWG航空航天用铜铝复合金属导体电缆的主要性能进行了对比，结果如表1所示。可见，两者的耐压等级、耐温等级、载流量、抗拉强度等性能基本相同，但铜铝复合金属导体电缆在保持机械性能和载流量的同时，有效地减轻了电缆的重量，仅为C55系列电缆的88%,因此其综合性能更优。

　　2空间环境适应性评价

　　由于线缆空间环境适应性试验（主要包括烟密度试验、原子氧剥蚀率试验、霉菌试验、真空逸气试验、耐辐照试验等）主要是针对线缆的绝缘材料，因此在对国外航空航天用铜铝复合金属导体电缆的空间环境适应性进行评价时，主要对铜铝复合金属导体电缆的绝缘材料聚四氟乙烯和聚酰亚胺展开了各项试验，结果如表2所示。可见，参照相应的航空航天标准要求，聚四氟乙烯和聚酰亚胺绝缘的各项试验结果均符合要求，这表明该电缆具有良好的空间环境适应性。

　　3空间环境及机械性能评价

　　当航空航天用铜铝复合金属导体电缆在不同航空航天应用环境中使用时，会受到高温、强辐照、潮湿、毒气等多种因素的影响，电缆性能会随着时间增加而劣化。其中环境温度对电缆的影响普遍存在，而且起主要作用，其他因素只是在特定的情形下才存在，因此我们对温度对电缆的影响进行了重点关注，特别是电缆的热老化（热应力）。电缆的热老化主要表现在绝缘电阻下降、介质损耗增大等。同时，电缆在生产、安装、运行过程中会受到各种机械应力的作用，绝缘材料在机械应力作用下产生微观缺陷，这些微观缺陷随着时间的增加和机械应力的持续作用而慢慢恶化，形成微小的裂缝并逐渐扩大，直至引起局部放电等绝缘损坏的现象（即电-机械击穿），因此我们还对机械应力对电缆的影响进行关注。

　　由此，对国外航空航天用铜铝复合金属导体电缆的空间环境及机械性能（主要是耐热老化和机械老化性能）参照相同线规的航空航天用低频C55系列耐高温铜合金导体电缆的试验标准进行了高温老化试验、常温卷绕试验、低温弯曲试验评价。表3示出了相关试验条件，在相同的试验条件下，经过高温老化试验、常温卷绕试验、低温冷弯试验后，两者试样均未开裂，经耐压试验（2.5kV,AC,1min）后均未击穿，可见航空航天用铜铝复合金属导体电缆适用于空间环境，与C55系列耐高温铜合金导体电缆具有相近的空间环境及机械性能，而且同时又比其轻。

　　为了进一步了解各项空间环境及机械性能试验（尤其是高温老化试验）对航空航天用铜铝复合金属导体电缆中铜铝复合金属导体的影响，我们对高温老化试验前（简称A0）和高温老化试验后（简称A1）的Nexans公司生产的ABS 0949AD系列中24AWG航空航天用铜铝复合金属导体电缆的绞合导体单线（即铜合金单线、铜铝合金单线）进行了拉伸强度对比，结果如表4所示。可见，两者的抗拉强度在高温老化试验前后都有少许降低，这可能是由高温老化试验中挂重造成单线拉伸。图1示出了高温老化试验前和试验拉断后铜铝合金单线横截面的电镜图片，可以看出试验拉断后的导体铜铝结构分层明显，结合性能良好，没有出现铜铝脱节的现象，铜铝之间也没有因为高温老化产生金属间化合物。可见，高温老化试验并没有对铜铝合金单线造成影响，这进一步验证了航空航天用铜铝复合金属导体电缆在空间环境下应用的可靠性。

　　4结论

　　本文通过对国外生产的航空航天用铜铝复合金属导体电缆进行一系列的性能分析和空间环境试验，并将试验结果和常用低频C55系列航空航天用耐高温铜合金导体电缆性能进行对比，结果表明航空航天用铜铝复合金属电缆在航空航天使用环境中不但有可观的减重效果，而且还有较高的可靠性。

　　可以预计，实现航空航天铜铝复合金属电缆国产化，将大大满足我国大型航天军工项目的配套需求和建设目标，助力我国轻型航天飞行器、大飞机的研发。