本發明屬于光電復合電纜，具體涉及一種光電復合鋁合金導體航空航天電纜及制備方法。
背景技術：
1、隨著現代航空航天工業的發展，對電纜性能的要求日益嚴格。在航空航天領域，電纜不僅需要承擔電力傳輸的任務，還必須能夠支持高效的數據通信，以滿足復雜系統間的信息交互需求，電纜的性能將直接關系到飛行器的安全性和可靠性。
2、與此同時，為了實現數據的快速傳輸和處理，還需要集成光纖通信功能，通過將光纖與電力傳輸線路整合到同一根電纜中，可以大大簡化安裝過程，并減少所需的空間。這種光電復合電纜不僅能承載大量的電力負荷，而且能夠支持高速數據傳輸，確保各種電子設備之間的無縫連接，在航空航天領域，這種復合型電纜能夠有效地減少飛機或衛星內部的布線復雜度，提高整體系統的可靠性和效率。
3、傳統的銅導體電纜雖然具有良好的導電性，但是存在重量大、柔韌性差、抗拉強度不足、電磁屏蔽效果有限等問題，并且在高低溫和輻照等極端環境下性能不穩定，難以滿足現代航空航天設備的輕量化要求以及對高性能電纜的需求。
4、鋁合金導體相較于傳統銅導體具有重量輕、耐腐蝕性強等顯著優勢，但是無論是銅導體還是鋁合金導體的抗電磁屏蔽效果都有限，在極端環境下性能都難以保持穩定，因此，亟需開發一種輕量化、抗電磁干擾能力強且耐環境性能優異的光電復合電纜。
技術實現思路
1、本發明的目的在于提供一種光電復合鋁合金導體航空航天電纜及制備方法，以解決光電復合電纜抗電磁干擾能力差、耐高低溫性和耐輻照性能不佳的問題。
2、本發明的目的可以通過以下技術方案實現：
3、第一方面，本發明提供了一種光電復合鋁合金導體航空航天電纜，包括光纖單元、導體單元、絕緣層、抗電磁單元和護套層；抗電磁單元由雙層金屬化聚酰亞胺纖維編織得到；
4、雙層金屬化聚酰亞胺纖維從內向外依次為聚酰亞胺纖維、第一金屬鍍層和第二金屬鍍層；聚酰亞胺纖維表面涂覆有改性聚多巴胺；第一金屬鍍層為銅；第二金屬鍍層為銀和/或鎳。
5、通過采用上述技術方案，改性聚多巴胺的原料包括質量比為1：(0.1～0.2)的鹽酸多巴胺和二氧化鈦納米管。
6、通過采用上述技術方案，聚酰亞胺纖維具有優良的熱穩定性、機械性能和耐輻照性能，在聚酰亞胺纖維表面鍍覆兩層金屬層，其金屬鍍層在聚酰亞胺纖維表面形成連續的導電膜，構建三維導電網絡，可以使聚酰亞胺纖維具有導電、電磁屏蔽及消除靜電的功能，并且相較于一般金屬纖維更加輕質柔軟，編織得到抗電磁單元之后，其電磁屏蔽效果得到顯著提升。
7、并且本發明的金屬鍍層為雙層金屬鍍層，相較于單鍍層，可以通過與底層合金的過渡作用，形成更為致密的金屬外層，從而提高金屬鍍層的機械穩定性和環境耐久性，而單金屬鍍層可能因為界面結合較弱而影響長期穩定性，在航空航天極端的環境下，耐輻照性有明顯下降。并且雙金屬層可以形成多重電磁屏障，復合結構可以優化電磁波的多重反射和吸收路徑，從而提高整體的抗電磁屏蔽效果。
8、同時本發明采用里層是銅鍍層，外層是銀和/或鎳鍍層的結構，金屬銅作為導電基底，相較于其他金屬鍍層具有高導電性，并降低整體制作成本，而且內層銅與聚酰亞胺纖維之間的結合力更強，可以提高金屬鍍層在纖維表面的附著力；外層采用抗氧化性更好的金屬銀和/或金屬鎳，可以更好的保護內層金屬，防止內層氧化，導致導電性能下降，這種結構組合可以大大提高屏蔽效能以及使用壽命，在極端環境下也能夠保持基本性能。
9、但是傳統的在聚酰亞胺纖維表面進行金屬化的方法多為化學鍍，化學鍍是一種有效的金屬化方法，可選擇范圍廣，形成的鍍層導電性和力學性能都比較優良，然而，聚酰亞胺纖維表面惰性強，在化學鍍之前都要對聚酰亞胺纖維進行活化改性，其活化改性過程通常需要長時間的堿處理使聚酰亞胺纖維中的酰亞胺環水解產生極性基團，從而實現與金屬鍍層之間的緊密結合，但是經過堿處理之后，纖維的力學性能嚴重下降，難以支撐長期的極端環境侵擾，抗電磁干擾能力大大下降。
10、為了解決這一問題，本發明的聚酰亞胺纖維表面涂覆有改性聚多巴胺，一方面聚多巴胺中含有的芳香環結構與聚酰亞胺纖維主鏈的苯環可以通過π-π堆積作用增強界面結合，聚多巴胺中含有的羥基也能夠與聚酰亞胺纖維的酰亞胺基團形成氫鍵網絡，從而抑制鍍層剝離，使聚酰亞胺纖維不需要經過堿處理活化就具有一定的化學活性，并且能夠與改性聚多巴胺的涂覆層之間緊密結合；
11、另一方面，聚多巴胺中含有的大量鄰苯二酚、氨基等活性基團可以與金屬離子之間形成配位鍵，增強金屬的成核密度，并且可以加強金屬的還原過程，提高化學鍍層的反應效率，而且聚多巴胺形成的涂層可以在聚酰亞胺纖維表面形成多孔狀結構，從而增強金屬鍍層的機械互鎖效應，實現金屬鍍層與聚酰亞胺纖維的緊密結合，并且還能夠不傷害聚酰亞胺纖維本體，維持住聚酰亞胺纖維優異的耐輻照和力學性能。
12、同時，經過改性聚多巴胺表面涂覆之后的聚酰亞胺纖維能夠幫助金屬鍍層沉積的更致密，提高導電性，增強電磁屏蔽效能。涂覆形成的聚多巴胺涂層還可以起到保護作用，在化學鍍的過程中，化學鍍液不會直接接觸聚酰亞胺纖維，而是在涂覆形成的改性聚多巴胺涂層表面形成鍍層，這樣聚酰亞胺纖維在不經過活化處理之后依然能夠與金屬鍍層之間形成緊密鏈接，從而賦予聚酰亞胺纖維一定的導電性，聚酰亞胺纖維的力學強度也不會受到影響。
13、優選的，二氧化鈦納米管經過單寧酸改性處理；二氧化鈦納米管與單寧酸的質量比為1：(0.4～0.6)。
14、優選的，二氧化鈦納米管按照以下方法改性處理：
15、將二氧化鈦納米管分散在單寧酸水溶液中，在40～60℃下浸漬10～12h，最后經過離心、洗滌和干燥得到改性后的二氧化鈦納米管。
16、通過采用上述技術方案，經過改性聚多巴胺涂覆之后的聚酰亞胺纖維在不經過堿性試劑活化的條件下也能夠與金屬鍍層之間形成緊密結合，可以在獲得導電性的同時維持本身的力學性質。同時由于該電纜應用于航空航天領域，需要其能夠在一些極端環境下仍能夠保持良好的抗電磁干擾性能。
17、本發明的聚酰亞胺纖維表面涂覆改性聚多巴胺除了能夠起到上述作用之外，聚多巴胺的柔性鏈段能夠吸收部分聚酰亞胺纖維與金屬鍍層之間的熱膨脹系數差異，延緩界面開裂，同時在低溫下氨基能夠與聚酰亞胺纖維中含有的羰基之間形成更強的氫鍵網絡，提高涂層與纖維之間的界面結合力；同時聚多巴胺中鄰苯二酚基團可以高效猝滅輻照產生的活性氧，抑制聚酰亞胺纖維的主鏈氧化斷裂，并且致密的聚多巴胺涂層可以散射低能離子，降低輻照能量沉積率。由此可見，經過聚多巴胺改性處理之后，能夠顯著提高抗電磁單元在極端環境下的抗電磁干擾能力。
18、但是，聚多巴胺涂層在更高溫度下會就會逐漸碳化，失去粘附性和自由基清除功能，限制在更高溫度場景下的應用，并且在長時間高劑量輻照下聚多巴胺的鄰苯二酚結構可能會被氧化，降低自由基清除效率，分子鏈也可能發生交聯或者斷裂，為了進一步改善聚多巴胺涂層對聚酰亞胺纖維耐高低溫性能和耐輻照性能的提升作用，在聚多巴胺中還添加有二氧化鈦納米管。
19、二氧化鈦納米管分散在聚多巴胺涂層中可以作為物理屏障延緩聚多巴胺的熱分解，提高整體的耐高溫性能，同時二氧化鈦納米管的低收縮率會抵消低溫環境下的聚酰亞胺纖維與聚多巴胺之間的收縮差異，減少低溫下的界面剝離。
20、并且二氧化鈦納米管還可以有效吸收和散射高能射線，減少聚多巴胺的分子鏈的斷裂，抑制聚多巴胺的氧化降解，從而提高聚多巴胺的耐高溫降解和長期輻照穩定性。
21、但是由于二氧化鈦納米管的納米分散性不好，容易在體系中團聚，反而會影響材料的性能，因此，還可以對二氧化鈦納米管做進一步的改性處理。具體的，本發明采用單寧酸改性二氧化鈦納米管，單寧酸通過其豐富的羥基和羧酸基團與二氧化鈦納米管表面的羥基形成氫鍵或者算配位鍵，形成穩定的包覆層，減少納米管之間的范德華力，從而抑制團聚。
22、同時，單寧酸還可以作為橋梁，其芳香環可以與聚酰亞胺纖維的苯環通過π-π堆積作用結合，羥基與聚酰亞胺纖維的酰亞胺基團形成氫鍵，從而提高改性聚多巴胺涂層與聚酰亞胺纖維之間的結合力。單寧酸的引入還可以幫助清除自由基，提高整體的耐輻照性能，從而提高在極端環境下的抗電磁干擾能力。
23、優選的，雙層金屬化聚酰亞胺纖維按照以下方法制備得到：
24、s101.將聚酰亞胺纖維進行超聲清洗3～4h；
25、s102.在緩沖溶液中加入鹽酸多巴胺，混合均勻得到多巴胺溶液，然后加入二氧化鈦納米管，分散均勻后，將清洗后的聚酰亞胺纖維浸入混合溶液中，室溫下攪拌混合12～15h，最后經過洗滌和干燥得到預處理聚酰亞胺纖維；
26、s103.將預處理聚酰亞胺纖維浸漬在化學鍍銅液中，升高溫度至40～45℃，浸漬20～30min，形成第一金屬鍍層；
27、s104.將鍍覆第一金屬鍍層的聚酰亞胺纖維放入水溶性鈀鹽溶液中，超聲反應30～40s；再轉移到化學鍍銀液和/或化學鍍鎳液中，升高溫度至70～80℃，反應2～5min，最后經過洗滌和干燥即得雙層金屬化聚酰亞胺纖維。
28、優選的，多巴胺溶液的濃度為2～4g/l；聚酰亞胺纖維與多巴胺溶液的質量體積比為1g：(3～5)ml。
29、優選的，水溶性鈀鹽包括氯化鈀、硝酸鈀、四氯鈀酸鈉和硫酸鈀中的一種或多種的組合。
30、通過采用上述技術方案，首先對聚酰亞胺纖維進行涂覆改性處理，在表面原位聚合聚多巴胺，并分散有二氧化鈦納米管，用于改善聚多巴胺涂層的耐高溫性和長期輻照穩定性，進一步的，涂覆有改性聚多巴胺涂層的聚酰亞胺纖維不需要經過堿處理就能夠與金屬鍍層之間緊密結合，最后經過兩次鍍覆，在聚酰亞胺纖維表面包覆兩層金屬層，從而使聚酰亞胺纖維具有一定的導電作用，編織得到的抗電磁單元在極端環境下依然具有良好的抗電磁干擾能力。
31、優選的，導體單元的原料為1350系鋁合金。
32、通過采用上述技術方案，本發明采用1350系鋁合金替換常規銅導體，可以在相同導電性能下，大大降低整體重量，實現輕量化設計，大幅降低了安裝支撐成本，并且由于1350系鋁合金的抗蠕變能力接近銅導體，聯系穩定性顯著提升，還具有優異的抗氧化性能，使用壽命更長。
33、優選的，光纖單元包括光纖、松套管、纖維加強層和包覆層；纖維加強層由6～10根芳綸纖維組成。
34、優選的，導體單元通過絞合復合在光纖單元外部。
35、優選的，包覆層的原料為四氟乙烯-乙烯共聚物。
36、優選的，包覆層的厚度為0.12～0.20mm。
37、通過采用上述技術方案，在光纖外還增設有纖維加強層，能夠有效防止光纖因為拉伸或者彎曲而導致的斷裂，降低光纖微彎損耗，四氟乙烯-乙烯共聚物為原料的包覆層可以提供一定的抗壓柔性，能夠更好的保護內部光纖。
38、優選的，絕緣層和護套層的原料為四氟乙烯-乙烯共聚物。
39、更優選的，絕緣層的厚度為0.12～0.20mm；護套層的厚度為0.15～0.25mm。
40、第二方面，本發明提供了一種光電復合鋁合金導體航空航天電纜的制備方法，其特征在于，包括以下工藝步驟：
41、s201.在光纖外套松套管，松套管外擠出包覆四氟乙烯-乙烯共聚物形成包覆層，并在擠出過程中引入芳綸纖維，在松套管和包覆層之間圍繞組成纖維加強層，得到光纖單元；
42、s202.以光纖單元為中心，采用1350系鋁合金在光纖單元外部絞合，得到導體單元，在導體單元外絕緣擠出四氟乙烯-乙烯共聚物并輻射交聯形成絕緣層；
43、s203.將雙層金屬化聚酰亞胺纖維編織得到抗電磁單元，其中編織密度為85～95％，編織角為40～50°，抗電磁單元包覆在成纜后的絕緣線芯外；
44、s204.絕緣擠出四氟乙烯-乙烯共聚物，包覆在抗電磁單元外，輻射交聯形成護套層。
45、本發明的有益效果：
46、1、本發明的光電復合鋁合金導體航空航天電纜中設置有抗電磁單元，該抗電磁單元由雙層金屬化的聚酰亞胺纖維構成，雙層金屬鍍層可以通過與底層合金的過渡作用，形成更為致密的金屬外層，滿足航空航天的惡劣外界環境，形成穩定性更高的導電網絡，使電磁屏蔽效果得到顯著提升。
47、2、本發明的抗電磁單元中聚酰亞胺纖維鍍覆金屬鍍層前沒有經過堿處理活化，還是在表面涂覆聚多巴胺涂層，可以更好地維持纖維結構和力學性能，還可以增強聚酰亞胺纖維與金屬鍍層之間的結合力，而且聚多巴胺結合二氧化鈦納米管可以大大提升整體的耐高低溫性和耐輻照性，增強抗電磁單元在極端環境下的抗電磁干擾能力。