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一、引言

     近二十年来,随着通信技术的迅速发展,光缆的应用领域日益扩大,环境要求也不断提高,光缆技术的发展不断上升到新的台阶,对缆用材料的质量要求和适用范围也随之提高,其中对光缆非金属加强材料玻璃纤维杆的要求也越来越高。光缆用非金属加强材料玻璃纤维杆,简称FRP,是用玻璃纤维加上树脂及各种添加剂热固化而成。由于光缆的制造、试验、运输、贮存和使用过程中要经受环境变化的考验,玻璃纤维杆必须经受得起这种考验,且不能影响光缆的性能,如果有影响,必须限制在允许的范围内,超出限度就会对光缆的可靠性造成威胁。FRP具备什么指标才不致对光缆的可靠性造成威胁,正是标准要解决的问题,根据国家下达的计划,由中国电子科技集团公司第八研究所负责编制了《军用光缆非金属加强材料玻璃纤维杆规范》,2012年4月完成了报批稿。针对行业标准制定较早性能参数较老以及上述问题,新制定的标准中与行业标准相比增加了耐水老化性能和与光缆填充膏进行相容性的试验等。

     光缆非金属加强材料玻璃纤维杆的特性对光缆性能的影响有很多,其各种特性之间也有相关性,因此要满足军用光缆的要求,其指标是一个综合优化的结果,其质量水平是一个综合平衡的结果,不能只以某一个特性参数来衡量。这一特点就决定了非金属加强材料玻璃纤维杆的大部分性能参数值要用范围来表示,而不是一个定值。


二、调研与分析工作

     主办单位接受任务后,在项目论证的基础上拟定了工作计划,邀请了部分有代表性厂家的专业技术人员参加编制组,并对国内多个相关厂家进行了调研,在此基础上起草了草案稿,历经编制组会、起草会、向全国28个相关的单位征求意见,然后经过预审会、军标委光电子专业工作组对送审稿进行审查并最终通过了军用电子元器件标准化委员会的综合审查,于2012年4月完成报批稿及相关报批材料。

     1、调研工作

     在编制组原有研制生产使用的基础上,收集分析了大量技术资料,先后调研了上海晓宝增强塑料公司、江苏通鼎光电股份有限公司、无锡市鸿昌通讯材料有限公司、富通集团有限公司、江苏永鼎股份有限公司、长飞光纤光缆有限公司、烽火科技股份有限公司、上海电缆研究所、中国电子科技集团公司第二十三所、中国电子科技集团公司第四十四所、江苏亨通光电股份有限公司、中天科技股份有限公司、浙江富春江光电科技股份有限公司等单位,了解有关光缆用非金属加强材料玻璃纤维杆的研制、生产和使用情况,为准确理解和编写标准技术指标和试验方法打下了基础。同时与总参第61研究所的军标委工作组委员和中国电子技术标准化研究所相关人员共同探讨了军用光缆用非金属加强材料玻璃纤维杆的相关要求。近几年来,随着通信技术的迅速发展,光缆的应用领域日益扩大,环境要求也不断提高,对光缆用材料的质量要求也逐渐提高、适用范围也随之扩展。光缆用非金属加强材料玻璃纤维杆,即玻璃纤维增强塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics,简称GFRP,以区别KFRP)是光缆行业广泛采用的具有抗电磁干扰的非金属加强材料之一,其品种和性能也随着光缆的发展得到不断地改进和完善。调研工作为标准编写提供了感性认识和编制依据。

     2、分析工作

     光缆用非金属加强材料主要包括玻璃纤维杆(Glass fiber rods)和芳纶纱(Aramid Yarn,将由另一标准规定)。从材料使用角度来看,玻璃纤维杆是一种复合材料,它具有重量轻、强度高、耐腐蚀、电绝缘性能好、传热慢、热绝缘性好、耐瞬时超高温性能好以及容易着色、抗电磁干扰等特性。它有其自身的特性(下文中叙述)。大量的研究成果表明,不合适的玻璃纤维杆对光缆抗张强度及传输性能的长期稳定性会产生较大危害。这种危害,在光缆的制造过程中和出厂检验时是难以发现的,但在光缆敷设以后以及长期使用的过程中会逐渐显现出来。等到发现光缆的性能劣化,已无法挽救了。因而要在光缆制造之前,依据正确恰当的标准来选择合适的、性能优良的玻璃纤维杆,显得极为重要。随着产品的性能要求不断增加,测试方法更趋合理,迫切需要制定一个更全面、技术指标更合理的检验标准,寻求一个各方能够接受的恰当的评价依据。大量的研究、生产、使用实践为制定光缆非金属加强材料玻璃纤维杆的标准提供了很充分的技术依据,制定本规范不但是紧迫的,而且是可行的。


三、有关技术问题的说明

     1、光缆用非金属加强材料玻璃纤维杆概述

     光缆用非金属加强材料玻璃纤维杆,是用玻璃纤维加上树脂及各种添加剂热固化而成。由于光缆的制造、试验、运输、贮存和使用过程中要经受环境变化的考验,玻璃纤维杆必须经受得起这种考验,且不能影响光缆的性能。如果有影响,必须限制在允许的范围内,超出限度就会对光缆的可靠性造成威胁。玻璃纤维杆具备什么指标才不致对光缆的可靠性造成威胁,正是标准要解决的问题,针对这一问题,标准制定中与行业标准相比增加了耐水老化性能和与光缆填充膏进行相容性的试验。

      光缆非金属加强材料玻璃纤维杆的特性对光缆性能的影响有很多,其各种特性之间也有相关性,因此要满足军用光缆的要求,其指标是一个综合优化的结果,其质量水平是一个综合平衡的结果,不能只以某一个特性参数来衡量。这一特点就决定了非金属加强材料玻璃纤维杆的大部分性能参数值要用范围来表示,而不是一个定值。

     2、GFRP有哪些特性和关注点

     (1)GFRP优点

     A、质量轻强度高

     相对密度在2.0左右,只有碳素钢的1/4~1/5,可是拉伸强度却接近,甚至超过碳素钢,而比强度(即强度除以密度)可以与高级合金钢相比。因此,在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的产品应用中,都具有卓越成效。通过采用环氧树脂等热固化GFRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到1000 MPa以上。

     B、耐腐蚀性能好

     GFRP是良好的耐腐材料,对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。

     C、电性能好

     是优良的绝缘材料,高频下仍能保护良好介电性能。

     D、热性能良好

     GFRP热导率低,室温下为(1.25~1.67)kJ/(m·h·K),只有金属的1/100~1/1000,是优良的绝热材料。

     E、可设计性好

     ① 可以根据需要设计出各种尺寸结构产品,来满足使用要求,可以使产品有很好的整体性;② 可以充分选择材料来满足产品的性能。如:可以设计出耐腐的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的,等等。

     F、工艺性优良

     ① 可以灵活地选择成型工艺;② 工艺简单,可以一次成型,经济效益突出。

     (2)GFRP着重关注点

     不能要求一种GFRP来满足所有要求,GFRP应着重关注以下几点:

     A、弹性模量和抗张强度

     普通的玻璃纤维杆的弹性模量比木材大两倍,但比钢(E=2.1×106)(钢的弹性模量通常取190 GPa,GFRP为50 GPa)小3倍,因此在产品结构中常感到刚性不足,故军用光缆中要求其抗张强度应大于1200MPa。这就要求采用高模量的玻璃纤维来达到。

     B、长期耐温性

     一般的GFRP不能在高温下长期使用,通用型聚酯GFRP在50℃以上强度就开始下降,一般只在100℃以下使用;通用型环氧GFRP在60℃以上,强度有明显下降。通过选择耐高温的树脂,使长期工作温度在200℃~300℃是可能的。因而进行100℃下120h的高温弯曲性能试验是必要的。

     C、老化现象

     老化现象是塑料的共同缺陷,在紫外线、热水、化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降,但GFRP通过选择玻璃纤维及树脂材料经高温工艺加工,比起普通塑料和金属来,是最耐腐蚀最耐老化的材料,因为GFRP是一种复合材料,它是增强塑料,能够经受-40℃~100℃的高低温试验。

     (3)综合特点

     光缆用非金属加强材料玻璃纤维杆制作成型时的一次性,也是区别于金属材料的另一个显著的特点。只要根据产品的设计,选择合适的原材料铺设方法和排列顺序,就可以将玻璃纤维杆一次性地完成,避免了金属材料通常所需要的二次加工,从而可以大大降低产品生产过程的资源消耗,减少了人力和物力的浪费。

同时GFRP的比强度好,可以与高级合金钢相比,也是被军用光缆广泛采用替代金属加强材料的一大优势。

     3、确定性能参数值的依据

     确定性能参数值的依据如下:

     (1)光缆用非金属加强材料玻璃纤维杆的使用需求;

     (2)光缆用非金属加强材料玻璃纤维杆的制造和使用厂家的技术指标;

     (3)与光缆用非金属加强材料玻璃纤维杆相关的标准要求(主要是GJB 1428B-2009《光缆通用规范》);

     (4)已有光缆用非金属加强材料玻璃纤维杆的特性对光缆性能影响的研究成果。

     4、规范相关内容的说明

     (1)外观

     玻璃纤维杆为外径均匀的圆杆,颜色应均匀一致,表面光滑且应无裂纹、无毛刺、无白色粉尘。

     (2)物理性能

     基本上是将物理机械性能及试验方法放在一起,不同的单列出来。

     (3)弯曲性能

     包括最小弯曲半径下绕圈,并重复弯曲3次;分别在100 ℃±2 ℃、-40 ℃±2 ℃下的高、低温弯曲性能试验。

     (4)试验方法的选择

     试验方法的选择关系到产品性能的可比性和可重复性,甚至关系到产品是否合格的问题,判定的依据不同,结果会有很大的区别。

     非金属加强材料玻璃纤维杆属特种复合产品,大部分特性均有相应国家标准规定的试验方法(大多是参照采用ASTM标准制定,而这方面的国家军用标准则很少),实际上国内大多数厂家已采用国标。本标准本着尽量采用已有的标准方法的原则,有国军标的采用国军标,无国军标的采用国标,无国标的采用行标。


四、主要试验或验证分析报告的说明

     所附检验报告列出了2家有代表性厂家的检验报告,分别由上海晓宝增强塑料公司、无锡市鸿昌通讯材料有限公司提供,均是由国家认可的检测中心出具,具有一定的权威性。样品均选用了具有代表性的中间尺寸试样,直径为:Ф2.05 mm、Ф2.3 mm,各项指标检测结果均满足行业标准要求,其中关键指标抗张强度均大于1200 MPa(行业标准要求是1100 MPa),弹性模量均大于50 GPa,成为确定国军标要求的重要依据。


五、与现行的法律、法规及国家标准、国家军用标准、行业标准的关系

     专利技术与现行的法律、法规无冲突。

     该规范与GJB 1428B-2009《光缆通用规范》密切相关,它是对GJB 1428B中规定的光缆材料之一的具体细化,同时GJB 1428B对光缆材料机械性能试验的要求在标准的相容性试验中也有所反映。

     该规范与YD/T 1181.1-2002《光缆用非金属加强件的特性 第1部分:玻璃纤维增强塑料杆》的关系是YD/T 1181.1规定的光缆增强塑料杆要求是GJB XXXX《军用光缆非金属加强材料玻璃纤维杆规范》的一部分,而且相关指标有较大提高(如抗张强度),最主要的是GJB XXXX对相关指标对应的试验方法描述更为完整。


六、结束语

     GJB XXXX《军用光缆非金属加强材料玻璃纤维杆规范》是依据目前为止关于光缆非金属加强材料玻璃纤维杆对光缆性能影响的研究成果,综合了军用光缆对光缆非金属加强材料玻璃纤维杆的要求,在性能要求上较为全面。各项指标的确定既考虑到能满足军用,又兼顾性能价格比因素,因而该标准具有较强的通用性。同时根据目前光纤生产工艺水平、各研制生产厂家的生产使用实践经验,提出了较全面的质量要求,可操作性较强。在确保光纤光缆可靠性和生产效益方面的作用和生产效益更为显著。建议尽快按程序审定并报批发布实施,以期更早的发挥标准的效益。

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