CN110277196B - 一种超高速数据传输电缆及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高速数据传输电缆及其制造工艺，包括由同心绞合的石墨烯银铜合金内导体、导体外挤出皮‑泡‑皮聚全氟乙丙烯绝缘、缆芯采用星绞组结构外加填充、导体外采用镀银铜包钢扁线和镀银铜包镍圆线编织、护套采用交联乙烯四氟乙烯材料。本发明工艺方法使电缆具有超轻度、高速率、高强度、高抗电磁干扰的高可靠高速数据传输的优点。

Description

一种超高速数据传输电缆及其制造工艺

技术领域

本发明涉及一种超高速数据传输电缆的产品设计和制造工艺技术领域，尤其涉及一种超高速数据传输电缆及其制造工艺，应用于具有外径小、重量轻、高抗电磁干扰、高速率、高可靠性适合空间环境传输的高速信号数据传输的适合于航天、航空等特殊环境领域。

背景技术

随着航空、航天、兵器、电子等装备一直需求一种在耐高低温、抗空间射线、粒子辐射、抗原子氧等太空恶劣环境中，也能保证重量轻、体积小、高抗电磁干扰和高可靠的高速数据传输电缆。所以，电子信息工程设计师和电缆设计师一直不断地在寻找新技术、新工艺和新材料，研制开发新型的高速数据传输电缆和提高整个系统的数据信号的传输速率。体积更小、更轻的电缆可减少电缆的使用及简化布线，同时为最具挑战性的应用实现电气及机械设计的完整性。

以华为公司主导的5G通信技术，在全球范围内引起了不同凡响，随着5G通信技术的成熟和不断推广应用，对数据信号传输速率和可靠性提出了更高的要求，高速数据传输电缆作为信息传输主要媒质，在信息系统发挥着及其重要的作用，新型高速数据传输电缆的研制开发已成为限制我国信息技术发展的主要技术瓶颈，减小电缆重量、提高传输速率、满足装备抗电磁干扰、特殊环境需求等可靠性已成为电缆设计师的当务之急。

一般传统的高速数据传输电缆，内导体采用多股绞合镀银铜导体、屏蔽采用了高编织密度镀银圆铜丝编织，绝缘和采用了聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯等材料，为满足数据信号的多路传输，采用对绞组或屏蔽对绞组，此类产品使用过程中经常会出现以下问题：内导体为镀银铜导体截面较小时、导体直流电阻增加，影响传输速率、同时导体强度不够，容易断裂。为满足数据电缆特性阻抗的技术要求，因不能有效降低产品绝缘外径，对绞组外径大幅度增加，最终影响产品重量和外径，外导体为镀银圆铜编织材料重量较大。整体产品不能满足设计高速传输、减重，强度，高可靠性要求。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种超轻型、高强度、高速率传输、高抗电磁干扰等超高速数据传输电缆及其制造工艺，温度可在-100℃至200℃条件下长期工作，保证在-150℃超低温度下和300℃高温环境下短期工作，具有高可靠性的高速传输电缆。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种超高速数据传输电缆，包括有石墨烯银铜合金内导体，在石墨烯银铜合金内导体外三层共挤出聚全氟乙丙烯绝缘层，将四根石墨烯银铜合金内导体采用星绞的方式绞合成缆芯，在四根石墨烯银铜合金内导体中间还设有微孔聚四氟乙烯绳，在星绞的过程中加入真空微孔聚四氟乙烯带填充层，在缆芯的外侧编织有镀银铜包钢扁线编织层，在镀银铜包钢扁线编织层外侧编织有镀银铜包镍圆线编织层，在镀银铜包镍圆线编织层外侧挤出辐照交联乙烯四氟乙烯外护套。

所述的石墨烯银铜合金内导体是采用19股0.127mm的石墨烯银铜合金丝束绞而成的。

所述的聚全氟乙丙烯绝缘层采用皮-泡-皮发泡聚全氟乙丙烯，绝缘层厚度为0.2mm，发泡层厚度为0.15mm。

一种超高速数据传输电缆的制造工艺，包括以下步骤：

（1）将72%的纯银和25%的纯铜混合同时加入2.5%的石墨烯和0.5%的金属镍在780℃～820℃温度条件下进行固溶处理，使铜、石墨烯、镍充分的溶解在液态银中，再在290℃条件下时效90min，制备成石墨烯银铜合金材料，将制备的石墨烯银铜合金拉制成圆柱状，然后拉丝机拉成石墨烯银铜合金丝，最后用电线电缆导体绞线机绞合石墨烯银铜合金丝，成为石墨烯银铜合金内导体；

（2）在石墨烯银铜合金内导体外采用三层共挤氟塑料发泡挤出设备挤出内皮层-中间发泡层-外皮层发泡聚全氟乙丙烯；

（3）通过高速星绞机绞合石墨烯银铜合金内导体绝缘线芯和微孔聚四氟乙烯绳并同机进行绕包填充真空微孔聚四氟乙烯填充层，高速星绞机的绞合节距设置为32mm～35mm，节距公差控制在0.2mm以内；

（4）在真空微孔聚四氟乙烯填充层外面采用扁带编织机进行镀银铜包钢扁线编织加工；

（5）在镀银铜包钢扁线编织外侧采用高速编织机进行镀银铜包镍圆线编织加工；

（6）最后采用交联XETFE挤出设备挤出交联乙烯四氟乙烯外护套，然后再经过电子加速器在10Mrad～12Mrad辐照剂量下进行辐照外护套。

步骤（1）中制成石墨烯银铜合金内导体后再采用紧压模具进行紧压。

所述的真空微孔聚四氟乙烯是聚四氟乙烯通过挤出，在真空环境下通过压延和拉伸制造成的薄膜状微孔聚四氟乙烯带。

本发明创造内导体采用一种全新的超高强度合金材料-石墨烯银铜合金导体材料，在导体材料中加入双层石墨烯，充分利用双层石墨烯在常温条件下具有的超导电性，这样相同截面积的石墨烯银铜合金导体直流电阻大幅度降低，仅为镀银铜丝的85%，普通银铜合金材料的60%，可使产品数字信号传输速率和传输距离提高2倍以上。同时石墨烯本身具有较高的硬度，此类导体强度可高达到600Mpa，相当于镀银铜导体的两倍以上。此材料又充分利用了银金属耐高温下和抗氧化性，可在250℃以上高温条件下长期使用。

绝缘采用一种发泡率高达60%的高发泡聚全氟乙丙烯，有效降低了绝缘的介电常数，绝缘介质介电常数仅为1.5，仅为一般高速传输电缆的80%。可以获得较小的绝缘介质衰减常数。

在电缆结构设计上，本发明应用网络采用两路四线制，采用更利于产品结构稳定和获得较小外径的星绞组。绝缘绞合后绕包真空微孔聚四氟乙烯带，此结构设计有效减小了信号在电缆传输损耗，同时也获得了更低的传输介质介电常数，绝缘外径和电缆绞合外径得到了大幅度降低，进而提高了产品传输速率。

在屏蔽层的设计上采用镀银铜包钢扁线和镀银铜包镍圆线编织，镀银铜包钢扁线可以加工更薄的厚度，更小的编织外径和编织重量。采用双层屏蔽设计，除了具有良好的传输性能之外，使得产品在有极高的抗电磁干扰性能。

护套采用一种具有抗辐射、耐高温，低密度的改性含氟聚合物，使得产品具有耐辐照、耐原子氧以及各种空间环境适应性

本发明创造为实现上述目的，所采用的技术方案是一种超高速数据传输电缆，包括内导体和绝缘层，对绞组、外导体和护套组成。

所述绝缘层采用皮-泡-皮发泡聚全氟乙丙烯，绝缘厚度仅为0.2mm，发泡层厚度仅为0.15mm。

所述对绞组采用星绞组，为保证电缆结构对称性，中间填加微孔聚四氟乙烯绳，星绞后绕包真空微孔聚四氟乙烯作为填充。

所述导体外设计上采用0.03mm厚度镀银铜包钢扁线和0.05mm镀银铜包镍圆线编织，密度大于95%，在满足电缆传输信号基础上更具有良好的抗电磁干扰性能。

本发明的优点是：1、超轻度：本发明采用全新的导体材料和结构方式，传输相同信号的条件下，应用电缆材料大幅度下降，此最大电缆外径仅为3.8mm，产品最大重量为23.5g/m，仅为国外先进同类产品55%。

2、高速率：本发明内导体采用全新的材料—石墨烯银铜合金，是目前常规条件下应用的电阻率最低的材料，同时绝缘材料，填充材料均有极低的介电常数、新的结构设计在降低产品外径和重量的同时，还降低了产品的传输损耗，提高了传输速率，最高传输速率可达到10Gbit/s，传输速比可达86%以上。

3、高强度：本发明内导体全新的超高强度合金材料-石墨烯银铜合金导体材料，其强度相当于铜导体的两倍以上，同时外导体强度设计也大幅度优于镀银铜导体。

4、高抗电磁干扰：本发明外导体除了具备信号传输功能之外，还具备良好的抗电磁干扰性，采用双层编织屏蔽设计，编织覆盖率高达95%以上，同时采用钢、镍、铜、银等四种不同金属材料组合，充分利用不同金属材料的耐电干扰性和耐磁干扰性，在降低屏蔽层厚度的情况下，具有更优异的抗电磁干扰性，经测试，在1GHz下，屏蔽效能可达120dB以上，远远高于传统双层屏蔽电缆90dB的指标要求。

5、高环境适应性：本发明所选用的材料均通过宇航级相关性能测试，满足空间环境下耐高低温（长期工作温度可在-100℃至200℃之间）、耐辐射、耐原子氧、真空释气等条件要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种超高速数据传输电缆，包括有石墨烯银铜合金内导体1，在石墨烯银铜合金内导体1外三层共挤出聚全氟乙丙烯绝缘层2，将四根石墨烯银铜合金内导体1采用星绞的方式绞合成缆芯，在四根石墨烯银铜合金内导体1中间还设有微孔聚四氟乙烯绳7，在星绞的过程中加入真空微孔聚四氟乙烯带填充层3，在缆芯的外侧编织有镀银铜包钢扁线编织层4，在镀银铜包钢扁线编织层4外侧编织有镀银铜包镍圆线编织层5，在镀银铜包镍圆线编织层5外侧挤出辐照交联乙烯四氟乙烯外护套6。

所述的石墨烯银铜合金内导体1是采用19股0.127mm的石墨烯银铜合金丝束绞而成的。

所述的聚全氟乙丙烯绝缘层2采用皮-泡-皮发泡聚全氟乙丙烯，绝缘层厚度为0.2mm，发泡层厚度为0.15mm。

一种超高速数据传输电缆的制造工艺，包括以下步骤：

（1）将72%的纯银和25%的纯铜混合同时加入2.5%的石墨烯和0.5%的金属镍在780℃～820℃温度条件下进行固溶处理，使铜、石墨烯、镍充分的溶解在液态银中，再在290℃条件下时效90min，制备成石墨烯银铜合金材料，将制备的石墨烯银铜合金拉制成圆柱状，然后拉丝机拉成石墨烯银铜合金丝，最后用电线电缆导体绞线机绞合石墨烯银铜合金丝，成为石墨烯银铜合金内导体；

（2）在石墨烯银铜合金内导体外采用三层共挤氟塑料发泡挤出设备挤出内皮层-中间发泡层-外皮层发泡聚全氟乙丙烯；

（3）通过高速星绞机绞合石墨烯银铜合金内导体绝缘线芯和微孔聚四氟乙烯绳并同机进行绕包填充真空微孔聚四氟乙烯填充层，高速星绞机的绞合节距设置为32mm～35mm，节距公差控制在0.2mm以内；

（4）在真空微孔聚四氟乙烯填充层外面采用扁带编织机进行镀银铜包钢扁线编织加工；

（5）在镀银铜包钢扁线编织外侧采用高速编织机进行镀银铜包镍圆线编织加工；

（6）最后采用交联XETFE挤出设备挤出交联乙烯四氟乙烯外护套，然后再经过电子加速器在10Mrad～12Mrad辐照剂量下进行辐照外护套。

步骤（1）中制成石墨烯银铜合金内导体后再采用紧压模具进行紧压，以实现导体的圆整度和较小的外径。

所述的真空微孔聚四氟乙烯是聚四氟乙烯通过挤出，在真空环境下通过压延和拉伸制造成的薄膜状微孔聚四氟乙烯带，根据产品需要可制造不同厚度和切割成不同宽度吗，然后通过绕包工艺缠绕在产品上。

本发明创造的超高速数据传输电缆采用了内导体加工工艺、绝缘皮-泡-皮加工工艺、填充加工工艺、外导体加工工艺与传统加工工艺有明显的不同，均需通过不断探索和研究，从而可以实现。本发明具有超轻度（最大重量不高于23.5g/m）、高速率（最高传输速率可达到10Gbit/s）、高强度（导体强度可高达600Mpa）、高抗电磁干扰（屏蔽效能可达120dB以上），产品具有耐高低温（长期工作温度可在-100℃至200℃）、耐原子氧、耐辐射等高可靠性。

Claims (3)

1.一种超高速数据传输电缆，其特征在于：包括有石墨烯银铜合金内导体，在石墨烯银铜合金内导体外三层共挤出聚全氟乙丙烯绝缘层，将四根石墨烯银铜合金内导体绝缘线芯采用星绞的方式绞合成缆芯，在四根石墨烯银铜合金内导体绝缘线芯绝缘中间还设有微孔聚四氟乙烯绳，在星绞的过程中加入真空微孔聚四氟乙烯带填充层，在缆芯的外侧编织有镀银铜包钢扁线编织层，在镀银铜包钢扁线编织层外侧编织有镀银铜包镍圆线编织层，在镀银铜包镍圆线编织层外侧挤出辐照交联乙烯四氟乙烯外护套；

所述的石墨烯银铜合金内导体是采用19股0.127mm的石墨烯银铜合金丝束绞而成的；

所述的聚全氟乙丙烯绝缘层采用皮-泡-皮发泡聚全氟乙丙烯，绝缘层厚度为0.2mm，发泡层厚度为0.15mm；

所述的一种超高速数据传输电缆的制造工艺，包括以下步骤：

（1）将72%的纯银和25%的纯铜混合同时加入2.5%的石墨烯和0.5%的金属镍在780℃～820℃温度条件下进行固溶处理，使铜、石墨烯、镍充分的溶解在液态银中，再在290℃条件下时效90min，制备成石墨烯银铜合金材料，将制备的石墨烯银铜合金拉制成圆柱状，然后拉丝机拉成石墨烯银铜合金丝，最后用电线电缆导体绞线机绞合石墨烯银铜合金丝，成为石墨烯银铜合金内导体；

（2）在石墨烯银铜合金内导体外采用三层共挤氟塑料发泡挤出设备挤出内皮层-中间发泡层-外皮层发泡聚全氟乙丙烯；

（3）通过高速星绞机绞合石墨烯银铜合金内导体绝缘线芯和微孔聚四氟乙烯绳并同机进行绕包填充真空微孔聚四氟乙烯填充层，高速星绞机的绞合节距设置为32mm～35mm，节距公差控制在0.2mm以内；

（4）在真空微孔聚四氟乙烯填充层外面采用扁带编织机进行镀银铜包钢扁线编织加工；

（5）在镀银铜包钢扁线编织外侧采用高速编织机进行镀银铜包镍圆线编织加工；

（6）最后采用交联XETFE挤出设备挤出交联乙烯四氟乙烯外护套，然后再经过电子加速器在10Mrad～12Mrad辐照剂量下进行辐照外护套。

2.根据权利要求1所述的一种超高速数据传输电缆，其特征在于：步骤（1）中制成石墨烯银铜合金内导体后再采用紧压模具进行紧压。

3.根据权利要求1所述的一种超高速数据传输电缆，其特征在于：所述的真空微孔聚四氟乙烯是聚四氟乙烯通过挤出，在真空环境下通过压延和拉伸制造成的薄膜状微孔聚四氟乙烯带。