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高频线材基础和设计理论

高频数据线理论与设计基础


第一章:电线电缆导体介绍 …………………………………………………………… 03 第一节:导体概述 …………………………………………………………… 03 第二节:铜导体 …………………………………………………………… 03-06 铜线的类别 ………………………………………………………… 03-04 铜线的各种性能 …………………………………………………… 04 导体的容许电流计算 ……………………………………………… 04-06 第二章:UL 简介 …………………………………………………………… 07 一、什么是 UL …………………………………………………………… 07 二、AWM(UL758)说明 ……………………………………………………… 07-08 三、UL 防火标准的说明 ……………………………………………………… 07-09 1、2、3、 UL910,UL1666,UL1581………………………………………… 08-09 4、5、6、 CSA 防火,UL 防火,94V0 ……………………………………… 10 7、 UL 安规明细: ……………………………………………… 10 第三章:UL 导体规格标准 …………………………………………………………… 11 一、UL 导体标准 …………………………………………………………… 11-12 二、绞铜导体规格的确定 …………………………………………………… 13 1、2、单位换算,裁面积计算 ……………………………………………… 13 绞铜最大绞距表,常用导体组合表:……………………………………… 14 第四章:绝缘体和被覆材料 第一节:塑料概述 …………………………………………………………… 12-22 一、塑料的分类 …………………………………………………………… 15 二、塑料的性质 …………………………………………………………… 15-16 三、塑料添加剂 …………………………………………………………… 16 四、塑料的加工形式 ………………………………………………………… 17 五、塑料的鉴别 …………………………………………………………… 17 第二节:绝缘体和外被料 …………………………………………………… 18 一、绝缘体 …………………………………………………………… 18 二、被覆材料 …………………………………………………………… 19 三、PVC 胶粒 …………………………………………………………… 20 四、常用的塑料 …………………………………………………………… 22 五、材料介电常数与铜绞 K 系数 …………………………………………… 22 第五章:线缆(CABLE) …………………………………………………………… 23-52 第一节:Cable 的构成 ……………………………………………………… 23 第二节:Cable 的种类 ……………………………………………………… 23-47 (一)、RGB Cable (VGA)…………………………………………………… 23-24 (二)、DVI Cable …………………………………………………………… 24-27 (三)、USB Cable …………………………………………………………… 27-32 (四)、IEEE 1394 Cable …………………………………………………… 32 (五)、Coaxial Cable ……………………………………………………… 32-34 (六)、SCSI Cable ……………………………………………………… 34-36 (七)、IEEE 1284 Cable …………………………………………………… 36 (八)、LVDS Cable ……………………………………………………… 36-38 (九)、Multicore Cable …………………………………………………… 38-39
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(十)、S-ATA Cable ……………………………………………………… (十一)、LAN Cable ………………………………………………………… (十二)、Telephone Cable ……………………………………………… (十三)、HDMI Cable ……………………………………………………… (十四)、DisplayPort Cable ……………………………………………… (十五)、InfiniBand Cable ……………………………………………… (十六)、杂规线 ………………………………………………………… (十七)、Cable 常用种类规格表 …………………………………………… 第三节:Cable 的特性 …………………………………………………… 第六章:Cable 设计基础理论 …………………………………………………… 一、导体部分 ……………………………………………………………… 二、挤出部分 ……………………………………………………………… 三、芯线绞合 ……………………………………………………………… 四、屏蔽 ……………………………………………………………… 五、填充 ……………………………………………………………… 六、编织 ……………………………………………………………… 七、电气传输 ……………………………………………………………… 1、对称电缆 ……………………………………………………… 2、同轴电缆 ……………………………………………………… 第七章:屏蔽的设计 ……………………………………………………………… 第九章:高频网络线设计与制造技术 ……………………………………………
40-41 41-45 45 46-47 48-51 51-52 53 53-56 57-59 59 59-60 60-61 62-64 64-65 65-66 67 68-75 70-72 72-75 76-78 85-94
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本书汇编作者:夏侯欢军 2008 年 12 月
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高频数据线理论与设计基础
第一章
第一节
电线电缆导体介绍
导 体 概 述
按电阻率(长为 1m,截面积为 1mm2 的材料电阻值大小)划分,一般情况下我们将材料 分为三类:导体:电阻率在 102Ω·mm2/m 以下;半导体:电阻率为 103~108Ω·mm2/m 绝缘体: 电阻率为 108Ω·mm2/m 以上。 目前常用的金属导体有金、银、铜等(如下表),考虑到导体的价格和导电性能,最常用 的为铜导体。导电系数以铜为标准(100%),各导体比较如下表: 名 称 金 银 铜 钢(铁) 铝镁 铜包铝镁 符 号 Au Ag Cu Fe Al/Mg CCA 比 重(g/cm3) 19.3 10.5 8.89 7.86 2.7 3.63 导电常数% 70.80 109 100 17.80 30~35 53~57 备 注
不氧化、价格昂贵 导电性最优、价格昂贵 导电性次优、价格普及 导电性不良、抗张好 质量轻、价格便宜,吃锡难 质量轻、伸长好、价格普及
由上表可知,铜的导电率较佳,适用性能广,成本较低,还可在其表面镀锡,利于焊接, 并有抗氧化作用(指与空气中氧气结合氧化)。
第二节
铜 导 体
一、铜线的类别: 铜导体由单条铜线或多条铜线组成,分别叙述如下: 1.硬铜线:经伸线冷加工而成,具有较高的抗张强度,适用于架空输电线、配电线及建筑 线之导体。 2.软铜线:硬铜线加热去除冷却加工所产生之残余应力而成,富柔软性及弯曲性,并具有 较高之导电率,用以制造通信及电力线缆之导体、电气机械及各种家用电器之导线。 3.半硬铜线:抗张强度介于硬铜线与软铜线之间,用于架空线之绑线及收音机之配线。 4.镀锡铜线: 铜线表面镀锡以增加焊接性及保护铜导体于 PVC 或橡胶绝缘押出时不受侵蚀, 并防止橡胶绝缘之老化。 5.平角铜线:断面为正方形或长方形之铜线,为制造大型变压器或大型马达等感应线圈之 材料。 6.无氧铜线:含氧量 0.001%以下、纯度特高之铜线,铜之含量在 99.99%以上,不会受氧脆 化,用以制真空管内之导线、半导体零件导线及极细线等。 7.漆包线:铜线软化后,表面涂以绝缘漆,经加热烤干而成,一般分为天然树脂及合成树 脂漆包线。 8.铜箔丝:以扁平且极薄之铜丝卷绕于纤维丝上的导体,在 Cable 上主要应用是增加抗摇 摆能力。
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9.先绞后镀线:将未镀之铜线绞合后,再加以镀铝。 10.铜包钢:一般用于同轴线作信号的传输(如电视机与 VCD 的连接、户外电视天线、闭路 电视等﹔较硬线具有更高的抗张强度,在高山地带,跨越河流等须长距离时作为架空线 用,依其铜厚度,一般分导电率 21%、30%、40%等。 11.合金铜:由铜和其它导体金属组成,如铜镍合金等,用于特殊用途线。 註﹕ 目前我公司常用的导体主要有如下几种: (1) 镀锡铜线,英文缩写为 TD﹔ (2) 裸铜线,英文缩写为 AD﹔ (3) 镀银铜线,英文缩写为 SC﹔ (4) 镀银铜包钢,英文缩写为 SCCS﹔ (5) 铜包钢,英文缩写为 CP。 (6) 铜包铝镁,英文缩写为 CCA (7) 铝镁丝,英文缩写为 LMS 其它如铜铂丝、漆包线(UEW)也有用到,但用很少。 二、铜线的各种性能 1. 导体电阻 — 导体之电阻与其长度成正比与其截面积成反比 。
R=ρ
L A
ohm ? cm 數 2 2.导电率—以 20℃时长度为 1m、截面积为 1mm 之标准软铜线之电阻 1/58Ω(0.017241Ω) 为基准,称为 100%导电率。电阻愈大,则导电率愈低,两者成反比例。 3.耐弯折性—单线之一端固定,另一端加上重量使垂直向下,然后来回 180 地弯折,直至 线断为止,弯折次数愈多,表示耐弯折性愈强。 4.拉断力—抗张试验时,施于试样而使其断裂之最大负荷重量或力。 5.抗张强度—抗张试验时,使得试样断裂,单位面积承受的拉断力。 6.伸长率—于规定之标准距离,试样经伸长至断裂后所增加之长度与原来长度之比率。 导体在温度不同时会有不同的阻抗,一般常以 20℃或 25℃时为标准,温度愈高,阻抗 会愈大。
三、导体的容许电流计算: 1、单芯电子线容许电流计算: 单芯容许电流式(General formula for single insulation): I1 =√(Tc-Ta)/r*Rth Tc:表示额定温度(Temperature rating) a:表示测试环境温度(Ambient temperature test) r:表示导体电阻 (Conductor resistance)Ω/CM 铜导体电阻计算式(Copper Conductor resistance formula) r=r0{1+0.00393(Tc –20℃)} r0:为 20℃时导体电阻 Rth:全热电阻(high heat resistance)(℃.Ω/CM) Rth=R1+R2 R1:表示绝缘体热电阻(Insulator heat resistance) R1=ρ1/2π* loge(d2/d1) ρ1:为绝缘体固有热电阻(Insulator inherent heat resistance), PVC绝缘体的固有热电阻为 500(PVC insulator inherent heat resistance 500)(℃.
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ρ

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Ω/CM) d1:导体绞合外径(Conductor stranding OD) d2:绝缘体外径(Insulator OD) R2:表面放散热电阻(Outside radiation heat resistance)(℃.Ω/CM) R2=10ρ2/πd2 ρ2:表面放散热电阻 (Outside radiation heat resistance)(℃.Ω/CM) ρ2=500+10d2 例:16AWG 65/0.16TD、 1007 PVC 绝缘、线径为 2.35mm 电线(使用环境温度为 20℃): (TD 指镀锡铜) Tc=80℃ d1=1.5mm d2=2.35mm r0=13.7Ω/km(20℃) -5 r0=13.7*10 (Ω/CM) -5 -5 r=r0*{1+0.00393(80℃–20℃)}* 10 =16.9*10 (Ω/CM) ρ0=600(℃.Ω/CM) ρ2=500+10*23.5(℃.Ω/CM)=523.5(℃. Ω/CM) R1=600/2π*loge(2.35/1.5)= 42.87 e=2.7183(常数) R2=(10*523.5)/(π*2.35)=709.1 单芯线容许流式(General formula for single insulation): I1 =√Tc-Ta/r*Rth =√(80-20)/16.9*10-5*(42.87+709.1) = 21.7 A (当周围环境温度约为 20℃) 例:16AWG 65/0.16TD、 1007 PVC 绝缘、线径为 2.35mm 电线(使用环境温度为 40℃): Tc=80℃ d1=1.5mm d2=2.35mm r0=14.9Ω/km(20℃) -5 r0=13.7*10 (Ω/CM) r=r0*{1+0.00393(80℃–40℃)}* 10-5 =18.4*10-5 (Ω/CM) ρ0=600(℃.Ω/CM) ρ2=500+10*2.35(℃.Ω/CM)=523.5(℃. Ω/CM) R1=600/2π*loge(2.35/1.5)= 42.87 e=2.7183(常数) R2=(10*523.5)/(π*2.35)=709.1 单芯线容许流式(General formula for single insulation): -5 I1 =√Tc-Ta/r*Rth=√(80-40)/18.4*10 *(42.87+709.1) = 17 A (当周围环境温度约为 40℃) 例:16AWG 65/0.16TD、1015 PVC 绝缘、线径为 3.1mm 电线(使用环境温度为 20℃): Tc=105℃ d1=1.5mm d2=3.1mm r0=13.7Ω/km(20℃) -5 r0=13.7*10 (Ω/CM) r=r0*{1+0.00393(105℃–20℃)}* 10-5 =18.3*10-5 (Ω/CM) ρ0=600(℃.Ω/CM) ρ2=500+10*3.1(℃.Ω/CM)=531(℃Ω/CM) R1=600/2π*loge(3.1/1.5)=69.3 e=2.7183(常数) R2=(10*531)/(π*3.1)=545.2 单芯线容许流式(General formula for single insulation): I1 =√Tc-Ta/r*Rth=√(105-20)/18.3*10-5*(69.3+545.2) =27.5 A (当周围环境温度 约为 20℃) (*附注:绝缘体固有热电阻(Insulator inherent heat resistance);PVC:500,PE: 450,PTFE:450,PFA:450,FEO:500,ETFE:450。 ) 2、 下表为本公司所订定的容许电流的标准,因考虑使用之周围环境之差异理论值与实际容 许电流会有相差。
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常用规格容许电流一览表
UL 安规 AWG 绞合外 绝缘材质 径 绝缘 OD (MM) 导体电阻 (Ω/KM) @20℃ 理论容许 实际容许 电流 电流 A(MAX) A(MIN)
30(7/0.102) 28(7/0.127) 26(7/0.16) 1007 24(11/0.16) (30V 80℃) 22(17/0.16) 20(21/0.178) 18(34/0.178) 16(26/0.254) 26(7/0.16) 24(11/0.16) 22(17/0.16) 20(21/0.178) 1015 18(34/0.178) 600V/105℃ 16(26/0.254) 14(41/0.254) 12(65/0.254) 10(105/0.254) 30(7/0.102) 28(7/0.127) 26(7/0.16) 1061 300V/80℃
PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC 0.31 SR-PVC 0.38 SR-PVC
0.31 0.38 0.48 0.61 0.84 0.94 1.20 1.50 0.48 0.61 0.84 0.94 1.20 1.50 1.88 2.40 3.00
1.1±0.05 1.2±0.05 1.3±0.07 1.4±0.07 1.6±0.07 1.8±0.07 2.0±0.07 2.35±0.1 2.1±0.1 2.2±0.1 2.3±0.1 2.5±0.1 2.8±0.1 3.1±0.1 3.5±0.15 4.0±0.15 5.0±0.15
0.80±0.05 0.90±0.05
376.9 237 148.9 93.3 55 34.6 21.7 13.7 148.9 93.3 55 34.6 21.7 13.7 8.62 5.43 3.41 376.9 237 148.9 93.3 55
2.8 3.7 4.9 6.4 9.0 11.9 15.9 21.7 6.78 8.8 11.9 15.5 20.7 27.5 36.8 49.5 68.4 2.47 3.30 4.39 5.82 8.25 11.11 15.48 21.70 3.31 4.28 5.63 7.40 10.32 13.72 18.48 25.07
----------------------------------
0.48 SR-PVC 1.00±0.07
24(11/0.16) 0.61 SR-PVC 1.10±0.07 22(17/0.16) 0.84 SR-PVC 1.30±0.07
20(21/0.178) 0.94 SR-PVC 1.50±0.07 34.6 18(34/0.178) 1.20 SR-PVC 1.85±0.07 21.7 16(26/0.254) 1.50 SR-PVC 2.35±0.1 13.7 30(7/0.102) 0.31 XL-PVC 1.15±0.05 376.9 28(7/0.127) 0.38 XL-PVC 1.20±0.05 237 26(7/0.16) 0.48 XL-PVC 1.30±0.07 148.9 24(11/0.16) 0.61 XL-PVC 1.40±0.07 93.3 1430 300/105℃ 22(17/0.16) 0.84 XL-PVC 1.60±0.07 55 20(21/0.178) 0.94 XL-PVC 1.80±0.07 34.6 18(34/0.178) 1.20 XL-PVC 2.05±0.07 21.7 13.7 16(26/0.254) 1.50 XL-PVC 2.40±0.1 备注:1、以上资料仅供参考!本电流值计算环境温度为 20℃。 2、电流值有时会受接头或压着端子、布线等因素限制。
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第二章
UL 简介
我公司绝大部分的成品线缆上都有 UL 的印字或喷字。E170689(E315618)-AWM 及 E320763-CM E317442-CL2 就是我公司在 UL 申请认证下来的不同线种的档案号。 一、什么是 UL UL 是“Underwriters Laboratories--(美国)保险商实验所” 的缩写, 成立于 1894 年,机构系以公共安全之检查与检定为目的,由美国火灾保险协会之援助,而设立的 非营利性组织。UL 规格以电线及电气机器为首,防止因燃烧器具,防火装置等的品 质问题而引起的火灾﹔对于经审查而合于此规格之制品, 其安全性以及品质在美国及 世界各地有很好的信誉。 我公司经过严格的工厂审查与制品审查,获有多项电线(一般电子连接线、隔离 线、 电源线、 电脑线及设备用线等)经 UL 检定认可, 通用性和安全性都有很好的保证。 为证明其符合 UL 规范,于是在制品上贴有之标签(LABEL),分 UL 附卡和标签。 二、AWM(UL758)电线说明。 目前公司的主力方向是 UL758(AWM)电线,故特别对此类线做 UL 方面的说明: 1、AWM 线的分类: 1***:指单导体(单芯)结构热塑性绝缘电线。如:1007,1015,10368 等 2***:指双导体或多导体外被结构的电线。如:2725,2464,2468,20276 等 3***:指单导体(单芯)结构热固性绝缘电线。如:3385,3386 等 4***:指多导体,外被结构热固性绝缘电缆。 5***:指单导体或多导体特殊项目电线。 2、UL Style Pages 简介(UL 型号页) 每张 Style Pages 列名相对应的 AWM 线种所应用的要求、测试。一般来讲包括: Rating,Conductor,Insulation,Jacket,Reference Standard Instructions to Inspector,Conntercheck Program,Marking,Use 等项目。每个项目中的页码对应于 Subject758 中的页码,详细说明了该项目的实验方法和允许标准。 Rating:额定电压、额定温度值 Conductor:导体材质、线径及绞合结构等。 Insulation:指绝缘材质、绝缘等级或绝缘厚度等。 Instructions to Inspector:UL 检验员必需现场核查的试验项目。 Marking:指明 Subject758 Section Generals 可应用的线种标识、项目。 Use:列名必须在 Tag 上注明的该线种的特殊用途。 3、电线表面印字解说: 例:RU E315618 AWM STYLE 20276 80℃ 30V VW-1 Linoya CSA LL242699 AWM I/II A/B 60℃ 30V FT1 LM LP (HF) ①、RU:UL之注册标志 ②、E170689、LL242699为本公司在UL、CSA之认证编号(档案号)。 ③、AWM 是本线材适用标准名称(电器配备用线)。 ④、20276为STYLE NO. I/II A/B为CSA STYLE NO. CLASS I INTERNAL(内部)、CLASS II EXTERNAL(外部) A- Where not subjected to mechanical abuse (电子) B- Where may be subjected to mechanical abuse (电机)
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⑤、80℃指额定温度、30V指额定电压。(28AWG为美国28号线规) ⑥、VW-1、FT1为耐然等级。 ⑦、“LM”=重金属环保,“LP”=不含邻苯二甲酸(6P),“HF”=不含卤素。 三、UL 防火标准的说明: 1、UL910 此试验着重于燃烧时产生烟的浓度和延上燃 烧特性,将长7.32 米(24ft)的电缆试样合并,平 行安置于耐火砖密封的平行梯架上,辅以平均速 度73.2±1.5 米/min(240±5ft/min)的对流空气, 以300000Btu/Hr 的火焰燃烧10分钟,延燃长度不 可大于1.52 米(5ft),且发烟量的最大光视密度 须在0.5 以下,平均光视密度须在0.15 以下。 2、UL1666 此试验为了能达到阻此下层楼火苗顺电线管 道向上层蔓延,分别将两组长5.33 米(17ft)的试 样垂直安置于长2.44 米(4ft)高5.79 米(19ft) 分上下两层的耐燃模拟试验室内,以495000bBtu/Hr 的火焰燃烧30 分钟,任一组试样 火焰延高差不得大于15%,而耐燃验室之上层信道口温度亦不得大于454.4 度。 3、UL1581 为垂直梯架试验(Vcrtical-Tray Flame Test)此试验基本上与ANSI/IEEE383 所述试验 相同.将两组外径12.7mm(1/2in)长2.44米 (96in)的试样固定于垂直梯架上,以 70000Btu/Hr 的火焰燃烧20 分钟后,试样上方 不能出现损坏的情形。 1.) UL1581 section 1080:CMX Outdoor 使用,同UL VW-1 垂直燃烧法 2.) CSA22.2.NO.03:CMH 3.)IEC332-1 类似UL VW-1 垂直自燃烧法 方式 项目 延燃时间 燃烧方式 产生灯火 焰位置 CMX VW-1 60 秒 CMH FT1 60 秒 IEC 332-1 ---
每 次 烧 15 秒 , 停 15 同VW-1,对滴落不做 连续烧60 秒 秒,共燃烧5 次 评定 20 度角,离地241MM 20 度角,离地238MM 45 度角
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样品长度 炭化长度 旗标位置
旗标熏黑部
600 --旗标位置,离火焰 254MM 1/4
600 --宽20MM离火焰250MM 1/4
600 475 两端固定距离550MM ---
1.)UL1581 section 1164: CMG (CSA PCC-FT4 改同CMG) 2.)UL1581 section 1160:CM(同IEEE383) 3.)IEC332.3 类似CM 之燃烧方法 标准 项目 热量(KW) 燃烧时间 (min) 燃烧器位置 600mm 燃烧器角度 梯架长度(m) 梯架宽度(m) 样品长度(m) UL1581(CM)IEEE 383 21 20 600mm 75mm in back Horizontal 2.4 0.3 2.4 CMG(CSA FT-4) 20.5 20 300MM 75mm in front 20 度以上 3.0 0.3 2.3 0.25 front only 2 1.5 IEC332.3 20.5 Cat.A 40,Cat.B 40 Cat.C 20 600mm 75mm in front Horizontal 3.5 0.5 3.5 0.3 梯前+梯后 1 2.5
样品排列宽度 0.15 front only 测试次数 炭化长度(m) 3 2.45
(*注:IEC332.3 样品分类:Catcgory A 可燃物量7L/M,Catcgory B 可燃物量 3.5L/M,Catcgory C 可燃物量1.5L/M) IEEE383 与UL1581Section1080 不同点: 标准 IEEE383 UL1581Section1080 项目 燃烧器高度 2ft 1.5ft 空气条件 丙烷条件 压力计1.7±0.2 压力计-17±0.1 流量计163±10SCFH 流量计 28±1SCFH 2500Btu/ft3
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燃烧温度条件 815 度 (*SCFH:standard cubic feet per hour)

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4、CSA 防火等级: FT1:垂直燃烧测试(对滴落物不做要求) FT2:水平燃烧测试 FT3:垂直燃烧燃烧物滴落测试(不能点燃新闻用纸) FT4:在一密闭燃烧箱中做垂直燃烧测试(类似密闭大楼)热能 70000 btu/h FT5:耐燃测试,通常使用于地下作业携带式 CABLE 5、UL 防火等级: A:水平防火测试 B:VW-1:垂直防火测试,滴落物不能点燃棉絮。 VW-1SC:垂直防火测试,绝缘芯线与成品线材分开测试。 C:CL2 (VERTICAL TRAY FLAM TEST): 在一密闭燃烧箱中做垂直燃烧测试(类似密闭大楼 UL1581) D:CL2R(RISET CABLE) E:CL2P(PLENUM CABLE) F:CM(COMMUNICATION CABLE 通信线) ; G:CMR ; H:CMP 。 6、UL 塑料材料 94-V0 之内容(94V0 即所谓难燃等级,共分为 5 个等级) 94-V0 燃烧时火一离开马上熄灭不会自燃。 94-V1 燃烧时火一离开会燃烧 1 秒后马上熄灭不会自燃。 94-V2 燃烧时火一离开会燃烧 2 秒后马上熄灭不会自燃。 94-V5 燃烧时火一离开会燃烧 5 秒后马上熄灭不会自燃。 94-HB 燃烧时火一离开会燃烧到只剩下碳。
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第三章
UL 导体规格标准
我公司铜线导体的组成种类繁多,如 7/0.05mm,7/0.06mm,7/0.08mm, 19/0.08mm 等等, 那么这些组成怎么区分,怎么确定是什么规格,怎么判定符不符合 UL 标准呢? 一、UL 导体规格标准 导体组成因需要的不同而多种多样,如果没有一个统一的判定标准,将很令人头疼。在 UL758 里就专门有对导体的规格标准的详述,它的标准为 AWG,就是 American Wire Guage, 中文意思是“美国线材规格” ,也就是我公司所参照的标准。它把导体分为单铜(单条铜导 体)和绞铜(多条铜导体绞合成的铜导体) ,单铜根据直径大小划分规格﹔绞铜根据截面积 大小划分规格,如下表所示:
UL758 导体规格标准
`导体规 格 (AWG) 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33
单条导体直径
标准尺寸 Mils (mm) 0.99 1.11 1.24 1.40 1.57 1.76 2.0 2.2 2.5 2.8 3.1 3.5 4.0 4.5 5.0 5.6 6.3 7.1 0.0251 0.0282 0.0315 0.0356 0.0399 0.0447 0.051 0.056 0.064 0.071 0.079 0.089 0.102 0.114 0.127 0.142 0.160 0.180 最小尺寸 Mils (mm) 0.98 1.10 1.23 1.39 1.55 1.74 1.98 2.18 2.48 2.77 3.07 3.47 3.96 4.46 4.95 5.54 6.24 7.03 0.025 0.028 0.031 0.035 0.029 0.044 0.050 0.055 0.063 0.070 0.078 0.088 0.101 0.113 0.126 0.141 0.158 0.179
绞铜导体的截面积
标准尺寸 Cmils (mm2) 0.980 1.23 1.54 1.96 2.46 3.10 4.00 4.84 6.25 7.84 9.61 12.2 16.0 20.2 25.0 31.4 39.7 50.4 0.000497 0.000624 0.000768 0.000993 0.00125 0.00157 0.00203 0.00245 0.00317 0.00397 0.00487 0.00621 0.00811 0.0103 0.0127 0.0159 0.020 0.0255 最小尺寸 Cmils (mm2) 0.960 12.1 1.51 1.92 2.41 3.04 3.92 4.74 6.13 7.68 9.42 11.9 15.7 19.8 24.5 30.8 38.9 49.4 0.000486 0.000613 0.000765 0.000973 0.00122 0.00154 0.00198 0.00240 0.003115 0.00389 0.00477 0.00603 0.00796 0.0100 0.0124 0.0156 0.0197 0.0250
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32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6
8.0 8.9 10.0 11.3 12.6 14.2 15.9 17.9 20.1 22.6 25.3 28.5 32.0 35.9 40.3 45.3 50.8 57.1 64.1 72.0 80.8 90.7 101.9 114.4 128.5 144.3 162.0
0.203 0.226 0.254 0.287 0.320 0.361 0.404 0.455 0.511 0.574 0.643 0.724 0.813 0.912 1.02 1.15 1.29 1.45 1.63 1.83 2.05 2.30 2.588 2.906 3.264 3.665 4.115
7.92 8.81 9.9 11.2 12.5 14.1 15.7 17.7 19.9 22.4 25.0 28.2 31.7 35.6 40.0 44.9 50.3 56.5 63.5 71 80 90 101 113 127 143 160
0.201 0.244 0.251 0.284 0.318 0.358 0.399 0.450 0.506 0.568 0.637 0.717 0.805 0.904 1.016 1.140 1.278 1.435 1.613 1.81 2.03 2.28 2.56 2.88 3.23 3.63 4.07
64.0 79.2 100 128 159 202 253 320 404 511 640 812 1020 1290 1620 2050 2580 3260 4110 5180 6530 8230 10380 13090 16510 20820 26240
0.0324 0.0401 0.0507 0.0647 0.0804 0.102 0.128 0.162 0.205 0.259 0.324 0.412 0.519 0.653 0.823 1.04 1.31 1.65 2.08 2.63 3.31 4.17 5.261 6.631 8.367 10.55 13.30
62.7 77.6 98 125 156 198 248 314 396 501 627 796 1000 1264 1588 2009 2528 3195 4028 5076 6399 8065 10172 12828 16180 20404 25715
0.0318 0.0393 0.0497 0.0633 0.0790 0.100 0.126 0.159 0.201 0.254 0.318 0.404 0.509 0.641 0.807 1.02 1.28 1.62 2.04 2.58 3.24 4.09 5.16 6.50 8.20 10.34 13.03
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二、绞铜导体规格的确定
1、单位换算 单铜导体可通过用千分尺或者螺旋测微表直接测量直径, 对照标准确定规格即可 ﹔绞铜导体不能直接测量,而要通过计算截面积来确定规格。UL 758 导体标准里有 用 mil(密尔)和 cmil(圆密尔)作单位,所以先要懂得它们和国际单位(公制单位) 的换算。mil(密尔)是长度单位,cmil(圆密尔)是面积单位。 1inch = 25.4mm = 1000 mil;1mm = 39.37mil; 1inch2 = 106 cmil;1mm2 = 39.37 2cmil = 1550 cmil 2、截面积的计算 UL758 对导体截面积的计算,和我们以前学习到的计算圆的面积不一样, 假设: 为截面积, A 单位为 cmil 或 mm2﹔d 为绞铜组成中单根铜线的直径, 单位为 mil 2 或 mm﹔n 为绞铜导体由单根直径为 d 组成的条数﹔则其截面积为 A = 0.7854*nd 这里需特别指出:上面的计算公式只适用于确定导体规格标准时截面积的计算, 不能用于其它面积计算! 举例:请计算导体 7/36AWG = 7/0.127mm (36AWG Solid = 0.127 mm)是属于什 么规格的。 解:n = 7, d = 0.127*39.37mil, 则 A = 0.7854*n*d2 = 7*(0.127*39.37)2 = 174.9993cmil 对照表 UL758 导体规格标准可知,它属于 28AWG 的导体。 3.导体的绞距 绞铜导体的绞距在 UL758 里也有相应的标准,根据绞铜导体的规格大小,规定了 它们的最大绞距,具体如下表: 绞铜导体的最大绞距(UL)检验标准
规格尺寸 (AWG) 28 或更高规格 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 英寸 (Inches) 0.5 0.6 0.7 0.8 1.25 2.0 2.0 2.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 毫米 (mm) 12.7 15.2 17.5 20.3 31.8 50.8 50.8 50.8 50.8 63.5 76.2 88.9 101.6
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常 用 导 体 组 合 表:
AWG
36 34 32 30
组合
7/0.05 7/0.063 7/0.080 7/0.100 11/0.080 7/0.127
UL 公差
(MM)
绞 距
(MM)
电阻
Ohms/KM
单重(g/m)
理论/实磅
备注
±0.002 ±0.003 ±0.004 ±0.005 ±0.004 ±0.007 ±0.007 ±0.004 ±0.004 ±0.008 ±0.005 ±0.008 ±0.007 ±0.009 ±0.007 ±0.011 ±0.004 ±0.007 ±0.014 ±0.006 ±0.016 ±0.003 ±0.002 ±0.005 ±0.004 ±0.002 ±0.001 ±0.001 ±0.004 ±0.002 ±0.001 ±0.002 ±0.001 ±0.002 ±0.004 ±0.005
5.10 5.10 5.10 9.18 6.54 11.47 7.64 11.47 11.47 13.11 13.11 9.18 9.18 15.85 15.85 15.85 15.85 15.85 19.00 19.00 27.90 27.90 27.90 27.90 39.66 39.66 39.66 21.90 46.91 46.91 46.91 46.91 多股绞 46.91 58.64 多股绞
---6.54 -7.64 -7.64 7.64 9.18 9.18 --------------------------
1480 1080 588 381 381 239 239 239 239 150 150 150 150 94.2 94.2 94.2 94.2 94.2 59.4 59.4 36.7 36.7 36.7 36.7 23.2 23.2 23.2 23.2 14.6 14.6 14.6 8.96 8.96 5.64 3.55 2.23
0.125 0.198 0.319 0.499 0.501 0.804 0.866 0.712 0.783 1.276 1.231 1.353 1.367 1.994 2.006 2.182 1.949 2.051 3.216 3.099 5.105 4.739 4.740 4.939 7.672 7.475 7.352 7.384 11.946 11.851 11.794 18.838 18.973 29.866 48.245 77.192
此组合不常规 此组合不常规 此组合不常规 此组合不常规 小绞距适用摇摆 小绞距适用高频线
28
19/0.080 10/0.100 11/0.100 7/0.160
26
12/0.120 19/0.100 30/0.080 7/0.200 11/0.160
24
19/0.127 19/0.120 20/0.120
22
7/0.254 17/0.160 7/0.320
20
21/0.178 26/0.160 43/0.127 34/0.178
18
41/0.160 16/0.254 72/0.120 26/0.254
16
65/0.160 115/0.120
14 12 10 8
41/0.254 185/0.120 65/0.254 105/0.254 168/0.254
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第四章
绝缘体和被覆材料
塑料概述
第一节
一、 塑料的分类 1. 热塑性塑料: 此材料加热时可以迅速软化或液化, 成型后再加热也可再度软化成型, PVC, 如 PP, PE 等。 2. 热固性塑料: 此材料固化成型后,再加热无法软化成型,这种塑料在我公司极少用。
二、塑料的性质
1.基本物理性质: a)比重(密度) b)分子量 c)粘度 d)假比重及粒径分布 e)游离单体含量(聚合程度) f)吸水性 g)透气性 2.机械性质: a)抗张强度及伸长率 b)弯曲强度 c)压缩强度 d)冲击强度 e)硬度 f)弹性系数:受外力作用变形后回复原来形状的能力 3.热性质: a)热变形温度:显示塑料在高温受压下能否保持不变的外形。 b)软化点:受热而硬度降低,即将开始流动温度。 c)热传导率:热量在塑料材料中传导的速率。 d)热膨胀系数:塑料加热时尺寸膨胀的比率。 e)收缩率:收缩后与原模具设计尺寸的比例。 f)熔态指数又称熔化指数:通常用来判断热塑性塑料的加工性质。 4.化学性质 a)抗溶剂性:对酸、碱、醚、醇、酮、芳香烃、脂肪烃……等抵抗性。 b)燃烧性:为改善塑料的耐烧性通常添加难燃剂。 c)耐候性:受光、热、空气……等影响而引起的变质,劣化的抵抗性,包含在紫 外光、氧、臭氧影响下之安定性。 5.光学性质 a.透明度:可视光域的光透过率,分为透明、半透明、不透明。 b.雾度:透明塑料内部或表面呈现模糊状的、雾状外观程度,雾状外观是由于光线 散射而引起的。 c.尚有其它要求之光泽度、折光率、黄色指数等。 6.电气特性 a.导电率及电阻率:导电性越高表示导电率越好,导电性越低表示导电率越差即绝 缘性越好。 b.容积电阻:将绝缘体内部 1cm3 的立方体在其相对两面施加电压的电阻,以Ω- cm 表示,详细方法可查 JIS K6911 或 ASTM D527 规定。 c.介电强度(Dielectric Strength) : 绝缘体所能承受的介电破坏电压与其厚度的商值,可参考 ASTM D149 方法测 试。
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d.介电常数 (Dielectric Constant) 介电常数亦称电容率,为物体中电容与真空中电容的比值,可参考 ASTM D150。 e.功率因子(Power Factor) 散逸于物质中电力对正弦曲线电压(V)与电流(I)乘积的比例,即:PF =W/(VI)=sinδ,sinδ为损失角度,可参考 ASTM D150。 f.散逸因子(Dissipation Factor) 施于介电物质之交流电压的正弦曲线与流过介电物质的电压曲线的夹角的 余角。δ的正切值 tanδ称为散逸因子,可参考 ASTM D150。 g.屏蔽效果(Shielding Effectiveness) 指减少电磁干扰(EMI)与射频干扰(RFI)的效应,其测定方法为: SE=20xLOG(Eb/Ea)。 Eb=:屏蔽前的电场强度﹔ Ea=:屏蔽后的电场强度。 7.加工性 要注意其流动性,热安定性,成型(押出)温度,融解温度点(融点) ,成形 收缩率等问题。
三、塑料添加剂
添加剂是指分散在塑料分子构造中,不会严重影响塑料分子结构、却能改善 其性质或降低成本的化学物质,依其功能可分下述各类: 1.抗氧化剂(Antionxidant) 主要是防止塑料中的不饱和双键受氧原子侵袭而引起的品质劣化,如芳香胺 类,烷基酚……等。 2.抗静电剂(Antistatic agent) 主要是赋予塑料细微的导电性,以避免因磨擦而造成静电的积存,如乙氧化胺 类……等。 3.发泡剂:发泡剂主要有三类 a.直接压入塑料熔胶中使发泡,压入气体有氮气、二氧化碳、空气……等。 b.挥发性液体,升温后挥发膨胀,而使塑料体发泡,常见有聚苯乙烯泡棉。 c.分解性化学发泡剂,一般为固体粉未,它们在加热时即分解放出气体(通常为氮 或二氧化碳)常用者为偶氮化合物(有机物)或无机盐类,如酸氢钠。 4.着色剂(染料) 分有机与无机两大类,又分为染料及颜料两大类。 5.难燃剂(又称防火剂) 当塑料暴露于火焰时,能压抑火焰之蔓延,防止烟雾形成,当火焰去掉时,燃 烧便会停止,大致可分为有机与无机二大类型。 6.安定剂(Heat Stabilizer) 一般塑料均会在高温时分解劣化,以 PVC 最严重,PVC 在 100℃以上长时间加 热,有少量盐酸游离出来,开始分解,安定剂的作用是阻止分解,因此安定剂的添 加是非常重要的。 7.紫外光吸收剂(UV absorber) 塑料受到高温能量的紫外光照射而发生劣化, 因此户外使用的塑料必须添加此
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剂,将紫外光线吸收或遮断,如水杨酸脂类。 8.冲击改质剂(Impact modifier) 加入具有特殊性质的树脂,可籍着混炼的方式增加,以改良塑料的耐冲击性, 该剂也常影响到塑料的耐热性,流动性,必须慎重选择。 9.滑剂(Lubricant) 可分内部与外部滑剂:内部滑剂的目的减少聚合分子间的磨擦,降低粘度, 提高流动性﹔外部滑剂是使塑料从金属模具表面易于脱模。常用滑剂有脂肪酸酯 类或脂肪酯醯胺类、烃类(如天然石腊) ,金属皂类。 10.可塑剂(Plasticizer) 可塑剂为挥发性低的物质,添加于塑料时,能使塑料的弹性系数增加或减少, 而于常温时增加柔软性,高温时易于加工,以 PVC 为例,添加量愈多时制品愈软。 11.硬化剂(Curing agent) 硬化剂目的在促进塑料形成交联结构称之硬化,其目的提高机械强 度、耐热性、耐溶剂性、与尺寸稳定性,如 DCP ……等。 12.填充剂(Filler) 改善机械强度作为补强剂,增加重量作为增量剂,以降低成本,如高岭土, 碳酸钙等。 13.其它 a)成核剂:有些无机粉未在发泡中可使泡棉结构更为细致。 b)导电剂:如碳烟,金属粉未等。
四、塑料的加工形式
塑料的加工方式有压缩成型、注射、挤出成型等。电线绝大部分用押出成型 (Extrusion),是将热熔性塑料在加热筒内溶化再用螺杆予以押出。
五、塑料的鉴别
1、燃烧法:依据材料是否燃烧,若有,辨其火焰颜色;是否冒烟,若有,辨其 烟的颜色,如:烟为清烟还是含炭灰之烟;是否有溶胶滴落,若有看溶胶是否继 续燃烧;以及燃烧时产生何种气味等。 Teflon:遇火软化变形,有邹曲薄层,少量焦炭,微焦发味,不可燃性。 PVC:绿色火焰光罩,软化冒出白烟并有盐酸味,自熄性塑料; 置于水中,下沉。 PE:兰色光罩,燃烧区熔融透明,有熔胶滴落及蜡烛味﹔置于水中,上浮。 PP:兰色光罩,燃烧区熔融透明,有熔胶滴落及煤油味﹔置于水中,上浮。 PU:黑烟,有熔胶滴落,无焦灰,氮氧化合物味,延烧性。 Nylon:兰色光罩,熔融,头发焦味,自熄性。 Silicone 类:无味,浓浓白烟,白色残余灰份,自熄性。 2、 比重法:密度比较法,即以水的密度为基准,塑胶料置于水中,若下沉,则 塑胶密度比水大,若上浮,则比水小。此方法可与其它方法配合使用。 品名 PVC Teflon PE PP 硬质 1.30-1.58 2.08-2.2 0.917-0.965 0.90-0.92 比重 软质 1.16-1.35 品名 PU Nylon Silicone PVDF 比重 1.1-1.5 1.12-1.15 / 1.76-1.78
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1. 其它法如光谱分析法、溶剂鉴别法……等。 第二节 一、绝缘体(insulation)
1、目的:为导体绝缘。 2、常用材料一览表,如下: 种 类 主要用途 PVC 一般 60℃
绝缘体和外被料
代表性产品 特 性 VCTF……等 1.广泛用于绝缘体,耐臭氧、耐油、耐药性优良, UL1007 硬度、 耐寒性可调整配合, 介电常数, 散逸因素…… 75℃,80℃, UL1015 UL10453 等(常数)大。 耐热 PVC 90℃,105℃ SVT 等 架桥(照射,化学架桥)增加耐热性,改变机械强 度,耐有机溶剂性,焊接性。 80℃,90℃, UL1061 等 SR-PVC 2.SR-PVC(半硬质)有较良好的焊接性。 105℃ 3.架桥有照射、化学、温水、空气架桥,以电子照 UL1429,1430 射(X-ray)效果最好。 架桥 PVC 105℃,125℃ ……等 信号线(21100) PE 75℃,80℃ 同轴线(1354) PE 分为中高低密度 PE、架桥、发泡 PE,阻燃 PE。 FRPE 网络线(UTP) 一般电气特性良好(如介电常数……等)机械性、耐 药性、耐溶剂性良好,对直射日光、紫外线性不良, 105℃, 10368,3385, 有热变形缺点,广泛用于高压线(绝缘性良好),通 XL-PE 125℃ 3386 等 信用线,发泡目的在改变介质常数进而改善衰减等 电气特性 UL1354 发泡 PE 80℃ 同轴线等 PTFE 260℃ RG 同轴线 PFA 260℃ 氟 UL1330,1332 耐温度性(-70~+260℃)有良好的电气特性(比 PE FEP 200℃ 好),电气特性、不燃性、耐药品性良好,可用于薄 塑 10064,RG316 等 皮膜押出,高价、高品位电线,价格高,专用押出 料 UL1829,1828 机,比重高,硬、耐屈曲性不良 ETFE 150℃ ……等 PVDF 150℃ / PP(或发泡 80℃ UL1589 UL2960 等 介电常数小,亦有发泡 PP 常用于传输信号线等 PP) Polyes 耐屈曲疲劳性良好、弹性佳,用于曲线绝缘或机械 UL1982 Thermopl ter 系 人线缆外被,硬度等级低时(软)体积抵抗低绝缘性 60℃ UL10104 UL10190 不良,押出时必须先干燥 聚脂系 -astic 列 Elastome r Polyol 目前:交索爱手机 USB 数 热塑性弹 efines 比重 0.9 以下,电气特性良好,有适度的弹性及耐 据线;交索尼(SMK)漆包 / 燃性,常用于橡胶绝缘类之机械人用线之绝缘材料 性体 聚烯烃 耳机线有用此类料 类 天然橡胶 天然橡胶绝缘 电气特性、机械特性、低温柔软性良好,耐热性、 / 耐油性差,可燃 (NR) 线 60℃
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Silicone 橡胶
/
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耐温度环境性能,耐候性能以及电气特性良好,机 械特性、耐磨性能差 它具有刚性大、耐热性高、难燃、强度较高电性能 优良等优点。另外,聚苯醚还具有耐磨、无毒、耐 污染等优点。PPO 介电常数小,比重轻,几乎不受温 度、湿度的影响,可用于低、中、高频电场领域。 PPO 的负荷变形温度可达 190℃以上。脆化温度为 -170℃。
MPPE
聚苯醚(PPO) 80℃
10981

注 绝缘材料使用按场合应选择,最小体积抵抗在 1015Ω以上
二、被覆材料(Sheath)
1.目的:保护绝缘体……等,其材质及厚度皆有相关规定如 UL 等。 2.材料一览表: 材 料 一般 PVC 耐热 PVC Polyethylene (PE) Polyamide 尼龙 TPU 主要用途 一般 PVC 外被 (60℃) 耐热 PVC 外被 75℃、80℃、 90℃、105℃ PE 外被 (75℃、80℃) ―― ―― 代表性制品 一般线缆 UL1007、1015、 使用的要求的各种性能,价格低廉。 2464、2725、 20276 等 UL20855(FR-PE) 抗紫外线性能不良 UL THHN 等
适用于耐汽油用线 用途最广,有较好的阻燃性能和线缆生产与


一般常用低密度 PE,耐溶液性良,可燃性和
个别对应用线 耐摩性、机械强度优良,弹性好 UL20197 UL20279 / /
具有机械特性,低温柔软性,但耐候性,耐 热性,耐油性,可燃性不良 耐候,耐热,耐药性良好,明色配色(合)软 易,一部份被氯丁二烯橡胶取代,耐低温性 不好,加工性不易 耐候,耐油,耐摩耗,耐屈曲性良好,但贮 藏性不好,明色配合困难
天然橡胶(NR) 天然橡胶外被 (备注 1) (60℃) Hy palon Hy palon 外被 (CSM) (80℃) (备注 2) 氯丁二烯橡胶 Chloroprene 外被 (CR) (60℃) (备注 3) 硅胶 (Silicongum) 氟塑料 PS、ABS Silicon 外被 (180℃) 氟塑料料外被 (200℃)
出口线等 3239 耐热线外被
温度环境性、耐候性、电气特性良好,作于 耐热线用途,机械特性,耐摩性不良 耐热、耐药品、耐油、耐候、电气特性良好,
如 RG316、RG178 耐寒性、加工性差,价格偏高
非移行 PVC 线缆 非移行 PVC 线缆 用途较广,有良好耐药、耐油和非移行性等, 加工较易。 被覆 被覆
:xiahou
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高频数据线理论与设计基础
LSNH 低烟无卤
高阻燃环保电线电 缆绝缘与被覆
UL20855
阻燃,低烟,无毒,发生火灾时电线电缆不 易燃烧,能防止火灾蔓延;即使被点燃后, 材料释放的主要是水和二氧化碳,能有效的 防止烟雾对人体的损害。


(1)NR:natural rubber 天然橡胶 (2)CSM:chlorosulphonated polyethylene 氯磺酮化聚乙烯合成橡胶 (3)CR:polychloroprene rubber 聚氯丁二烯橡胶 其它之外被:如 TPR、TPE……等
三、PVC 胶粒
(一)PVC 用途简介和分类 1.用途:电线电缆、绝缘材料、外被材料、唱片、地砖、塑料管、人造窗帘、雨 衣、鞋子、海滩椅、插头、电子零件等等。 2.分类:按硬度分为三种,即硬质、半硬质、软质﹔它们的优点是电气绝缘性佳, 耐水性、耐臭氧性、耐燃性、耐候性皆很好。 (二)PVC 胶粒 1.PVC 胶粒的基本配方 PVC 粉:主体一般常用 S60、S65、S70﹔ 可塑剂:主要目的在调整软硬度,提高耐寒绝缘等作用﹔ 填充剂:目的在增强加热、光之安全性及绝缘性﹔ 改质剂:依特性要求添加﹔ 安定剂:抑制 PVC 内之少量游离 Cl-分解﹔ 防火剂:增强耐烧性﹔ 染颜料:颜色调配。 2.硬度 国际上常以 shore A 表示之,而国内软硬度常以 P%表示,例如:50kg 之 PVC 料、可塑剂 40kg 时软硬度以 80P 表示﹔50kgPVC 料、可塑剂 55kg 时是以 110P 表示,即可塑剂愈多 P 数愈大,PVC 胶粒就愈软。恰好相反,萧氏硬度(shore A) 度数愈大,PVC 胶粒愈硬。 3.移行说明 电气用品之外壳常用的塑料材质大部份为 PS、ABS、HIPS.电线被覆为 PVC 塑料 时,由于 PVC 含有可塑剂,而有此可塑剂会移行者,会将 PS,ABS,HIPS 塑料 壳侵蚀,因此对 PVC 有非移行的要求。 ※附 PVC 移行的试验方法 将试片(ABS,或 PS 或 HIPS)两片(长 50x 宽 50x 厚 20mm),中间夹 PVC 电线,再 上下两层用玻璃盖住并用一定重量的砝码(我公司常用 500±5g 砝码)压住, 施以不同时间(24,48,72 小时)不同温度(50℃,60℃,70±2℃)之条件下, 测试(条件由客户设定),测试后取出试片,用肉眼观察,试片上不能有痕迹或 痕迹可以插掉为合格。 ABS = Acrylonitrile Butadiene Styrene Terpolymer 苯乙烯、丁二烯、丙烯参聚合体 PS = POLYSTRRENE 聚苯乙烯 HIPS = High Impact Polystyrene 高冲击聚苯乙烯
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