يعد فشل الدائرة أحد الأسباب الرئيسية للحرائق. وفقا للإحصاءات, أكثر من 35 % من حوادث الحرائق في جميع أنحاء العالم تنتج عن مشاكل في الكابلات كل عام. غالبًا ما تنتج هذه الأعطال عن استخدام الكابلات غير المقاومة للهب, من موصلات الكابلات التالفة, اتصالات الكابلات السيئة وعزل الكابلات القديم. ولذلك فإن مقاومة الحريق أمر بالغ الأهمية في اختيار مواد الكابلات.
حالياً, الكابلات المعزولة المقاومة للحريق الأكثر شيوعًا في السوق هي بشكل أساسي الكابلات المعدنية المعزولة (كابلات MI, عزل أكسيد المغنيسيوم) وكابلات مقاومة للحريق مغلفة بشريط الميكا. يتمتع كلا الكابلين بمقاومة جيدة لدرجات الحرارة العالية وخصائص مثبطة للهب, ولكن لديهم أيضًا بعض القيود في التطبيقات العملية.
أخطاء
على الرغم من الكابلات المعدنية المعزولة (كابلات MI) تقديم أداء ممتاز, يصعب تثبيتها بسبب عملية التثبيت المعقدة, متطلبات عالية للمهارات المهنية لعمال البناء وارتفاع تكاليف المواد الخام, مما يجعل من الصعب الترويج لها وتطبيقها على نطاق واسع. ما هو أكثر من ذلك, تتمتع كابلات MI بأداء انحناء ضعيف, مما يزيد من تعقيد وتكلفة التثبيت.
على الجانب الآخر, تتطلب الكابلات المقاومة للحريق المغلفة بشريط الميكا طبقات متعددة من اللف أثناء عملية الإنتاج. بسبب قيود عملية التصنيع, شرائط الميكا عرضة للعيوب في المفاصل, والميكا تتفحم بسهولة, يصبح هشًا أو حتى يتقشر عند درجات الحرارة المرتفعة, مما يؤثر على خصائص مقاومة الحريق بشكل عام. في نفس الوقت, تعتمد مقاومة الحريق للكابلات المغلفة بشريط الميكا إلى حد كبير على ضيق العبوة وتوحيدها, مما يجعل مراقبة الجودة أكثر صعوبة.
مع استمرار تعميق البحث حول الكابلات المعزولة المقاومة للحريق, ظهرت مادة مطاطية عالية الأداء ومقاومة لدرجة الحرارة العالية : سيليكون السيراميك. يمثل ابتكارا ماديا هاما في مجال الكابلات المقاومة للحريق ويقدم حلا جديدا لتحسين مقاومة الكابلات للحريق.
ولادة كابل السيليكون السيراميكي : ثورة مادية
تعتمد الكابلات المطاطية التقليدية على إضافة مثبطات اللهب الهالوجينية, لكن كلوريد الهيدروجين (حمض الهيدروكلوريك) والديوكسين المنطلق أثناء الاحتراق شديد السمية. لقد غير ظهور مطاط السيليكون هذا الوضع. لكن السيليكون الخزفي لا يتمتع فقط بالمرونة والمرونة التي يتمتع بها السيليكون, ولكن الأهم من ذلك, عند تعرضه لدرجات حرارة عالية فوق 500 درجة مئوية وتآكل اللهب, وسوف تخضع لعملية تحويل السيراميك لتشكيل مادة صلبة تشبه السيراميك, منع انتشار النار بشكل فعال. والأهم من ذلك, كلما زاد وقت التعرض ودرجة حرارة اللهب, كلما أصبحت طبقة السيراميك التي يتكون منها السيليكون الخزفي أكثر صلابة, مع مقاومة للحرارة تصل إلى 1200-1500 درجة مئوية, وبالتالي حماية أفضل للسائق من التلف.
تطور المواد : التآزر بين مطاط السيليكون وحشو السيراميك
مصفوفة مطاط السيليكون : السلسلة الرئيسية هي رابطة Si-O (طاقة ملزمة 452 كيلوجول / مول, أعلى بكثير من 346 كيلوجول/مول من الرابطة CC), مما يمنحها مقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة (-60~250 درجة مئوية) ومقاومة الشيخوخة.
حشو السيراميك : أضف مسحوق السيراميك الزجاجي النانوي (مثل نظام Al₂O₃-SiO₂), والتي تذوب في البورسلين عند درجات حرارة عالية لتشكل "طبقة ثانية من الحماية".
التعريف والفرق الأساسي : من الحماية السلبية من الحرائق إلى الخزف النشط
كابل سيراميك السيليكون هو كابل مقاوم للحريق مع مطاط السيليكون كمصفوفة وحشو سيراميك مركب, وهو متكلس في جسم السيراميك في اللهب. الفرق الأساسي مع الكابلات التقليدية هو :
الحماية السلبية من الحرائق ← الخزف النشط : تعتمد الكابلات التقليدية على طبقة الغلاف الخارجية المقاومة للهب (مثل شريط الميكا), بينما تحصل كابلات السيليكون المصنوعة من السيراميك على تعزيز هيكلي بفضل تفاعل المادة نفسها.
تم تحسين حماية البيئة : من المنتجات التي تحتوي على الهالوجينات وسمية الدخان العالية إلى المنتجات الخالية من الهالوجين ومنخفضة السمية, متوافقة مع قواعد الاتحاد الأوروبي RoHS.
هيكل كابل السيليكون السيراميكي
هنا هيكل متعدد الطبقات مشترك لكابلات السيليكون الخزفية (يمكن تعديلها في سيناريوهات مختلفة) :
سائق
عادة ما يكون الموصل مصنوعًا من الأسلاك النحاسية المعلبة أو موصل النحاس الخالي من الأكسجين, والهيكل الملتوي هو 1+6+12 (قلب خط الطاقة) أو 1+6 (جوهر الخط الأرضي) لتحسين المرونة والموصلية. في بعض التصاميم, الموصل مصنوع من سبائك الألومنيوم, كلاهما خفيف الوزن ومقاوم للتآكل.
طبقة عازلة
العزل الداخلي : يتم تغطية الموصل مباشرة بالبولي إيثيلين المتقاطع (XLPE) أو شريط الميكا لتوفير العزل الكهربائي الأساسي والحماية الميكانيكية.
طبقة سيليكون سيراميك : كطبقة مثبطات اللهب المركزية, مادة مطاط السيليكون السيراميك (مثل مركب مطاط السيليكون فينيل الميثيل) يستخدم بشكل عام. إنها مرنة في درجة حرارة الغرفة ومتكلسة عند درجة حرارة عالية (600-1300درجه مئوية) لتشكيل قشرة خزفية لعزل مصدر الحريق والحفاظ على العزل. في بعض التصاميم, ويكون سطح هذه الطبقة مسنناً لتحسين الالتصاق مع الطبقات المجاورة.
طبقة التدريع
طبقة من التدريع المعدني (مثل الشريط النحاسي أو الطبقة المضفرة) يتم ترتيبه خارج قلب خط الكهرباء وجوهر الخط الأرضي, والتي لديها كل من التدريع الكهرومغناطيسي ووظائف التأريض. يتم استخدام مطاط السيليكون الخزفي الموصل كطبقة حماية في بعض الهياكل ويحتوي على مادة لاصقة تفاعلية لتحسين الالتصاق بالطبقة العازلة.
هيكل التعبئة والعزل
مادة الحشو : تمتلئ المساحة بين قلب الكابل بألياف زجاجية خالية من القلويات, الحشوات المقاومة للحريق أو الطين الحراري لتحسين الاستقرار الهيكلي ومقاومة الحريق.
إطار تحديد المواقع : يتم وضع إطار تحديد المواقع مع الأخاديد القوسية بين عدة مجموعات من الموصلات, ويتم تثبيت الموضع عن طريق فتحات التوصيل المنشورية لتجنب الإزاحة الأساسية.
طبقة غمد
غمد داخلي : الغلاف الداخلي المصنوع من السيراميك والسيليكون المبثوق, مدمج مع شريط ملفوف خالٍ من الهالوجين وشريط مطاط السيليكون السيراميكي (بالتناوب لف اليسار / اليمين, معدل التداخل > 15 %), يشكل حاجز ناري مركب.
غمد في الهواء الطلق : مادة ل انخفاض الدخان والانبعاثات الهالوجين خالية (LSZH) أو غمد لدن بالحرارة مقاوم لدرجات الحرارة المرتفعة (مثل البولي أوليفين المتقاطع) يستخدم, مع الأخذ في الاعتبار متطلبات مقاومة التآكل, مقاومة التآكل وحماية البيئة.
التكنولوجيا هي الأساس : آلية التكرمل بدرجة حرارة عالية
يمكن استخدام السيليكون السيراميكي كطبقة عازلة للكابلات. يمكن أن تشكل طبقة واقية صلبة في حالة نشوب حريق وتحمي السائق بشكل فعال. يعد هذا اتجاهًا رئيسيًا للبحث والتطبيق في صناعة الكابلات المقاومة للحريق. ويكمن القلب في آلية التكرمز ذات درجة الحرارة العالية.
الاجتثاث على الخزف : من التركيب الجزيئي إلى الخصائص العيانية
تحت تأثير اللهب, يخضع السيليكون الخزفي للعمليات الديناميكية التالية :
الحالة في درجة حرارة الغرفة : مطاط السيليكون لديه هيكل مطاطي, يتم توزيع الحمل بشكل موحد, مقاومة الحجم هي ≥10¹⁵Ω·cm ونصف قطر الانحناء هو ≥6D (على سبيل المثال, كابل يبلغ قطره 10 مم يمكن ثنيها 60 مم).
حرق عند 350 ~ 1000 درجة مئوية :
منصة 1 (350~600 درجة مئوية) : يتحلل مطاط السيليكون لإنتاج SiO2 وCO₂, وتبدأ الشحنة في الذوبان.
منصة 2 (600-1000درجة مئوية) : تشكل الشحنة المنصهرة هيكلًا خزفيًا مستمرًا ويهرب غاز ثاني أكسيد الكربون ليشكل بنية مسامية (المسامية 3050%), مما يزيد من أداء العزل الحراري 3 مرات.
منظور علم المواد: انتصار التآزر
تعتمد عملية السيراميك هذه على التأثير التآزري للسلاسل الجزيئية لمطاط السيليكون والحشوات الخزفية :
سلسلة جزيئية من مطاط السيليكون : يوفر المرونة الأولية والعزل.
حشو السيراميك : يتدفق الطور الزجاجي Al₂O₃-SiO₂ عند درجة حرارة عالية لملء المسام وزيادة كثافة الطبقة الخزفية.
تكوين المسام الغازية : يشكل ثاني أكسيد الكربون الناتج عن التحلل بنية خلية مغلقة ذات موصلية حرارية منخفضة تصل إلى 0,12 ث/(م·ك) (بالقرب من الأسبستوس), تحسين أداء العزل الحراري بشكل ملحوظ.
مؤشرات الأداء الرئيسية :
وقت مقاومة الحريق : احتفظ بالطاقة لمدة ≥ 180 دقائق على النار 950 درجة مئوية (أعلى مستوى من معايير IEC 60331).
مقاومة الرش : متوافق مع درجة البكالوريوس 6387 CWZ (اختبار الاحتراق الثلاثي + الإسقاط + اهتزاز).
كثافة الدخان : انتقال الضوء ≥ 80 % (يحتوي كابل PVC التقليدي فقط على 20 %).
التحقق التجريبي :
تم إجراء الاختبار من قبل كلية علوم وهندسة المواد بجامعة تسينغهوا : يوضح SEM أن سمك الطبقة الخزفية بعد الاحتراق موحد (1 لديه 2 مم) وليس هناك الشقوق.
تقرير TÜV راينلاند : بعد الاجتثاث عند 1200 درجة مئوية/3 ساعات, لا يزال الكابل قادرًا على تحمل اختبار الجهد الكهربي 1000 فولت.
مقارنة الكابلات المقاومة للحريق
لفهم أفضل لمزايا كابل السيليكون القابل للتخزين, نقوم بمقارنتها بالكابلات المقاومة للحريق الموجودة, مثل الكابلات المعدنية المعزولة (مي) وكابل مقاوم للحريق بشريط الميكا :
| معايير | كابل معدني معزول (مي) | كابل مقاوم للحريق بشريط ميكا | كابل سيليكون سيراميزابل |
|---|---|---|---|
| فوائد | 1) قدرة ممتازة على الحماية من التحميل الزائد ; 2) مقاومة ممتازة للتآكل والانفجار. | 1) مقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية والحريق ; 2) لا تنبعث منها أبخرة سامة في حالة نشوب حريق. | 1) قوة ميكانيكية عالية ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية ; 2) الهالوجين, دخان منخفض, سمية منخفضة, إطفاء ذاتي وصديق للبيئة ; 3) سهلة الماكينة والتركيب. |
| أداء النار | ممتاز | ممتاز | ممتاز |
| العزل الحراري | غير كافٍ ; يمكن أن يتفاعل العزل كيميائيًا مع الرطوبة الموجودة في الهواء. | غير كافٍ ; سقوط شريط الميكا يقلل من فعالية العزل. | ممتاز ; يشكل طبقة سيراميك صلبة تحافظ على العزل سليمًا. |
| مقاومة التثبيت | عالي | عالي | ضعيف |
| مشاكل التثبيت الشائعة | 1) مقاومة العزل في بعض الأحيان غير متوافقة ; 2) دوائر قصيرة محتملة أثناء الاختبارات الوظيفية ; 3) فقدان الجماليات بعد التنقيح. | 1) عيوب في تقاطعات شرائط الميكا, مخاطر الانفصال التي تؤثر على مقاومة الحريق. | / |
| تكلفة دورة الحياة | تلميذ (التكاليف المادية, التثبيت والصيانة الهامة) | متوسط (تكاليف المواد والتركيب معتدلة, ولكن من المتوقع الصيانة) | ضعيف (تكلفة معقولة للمواد, سهل التثبيت, موثوقية عالية على المدى الطويل) |
تقنيات الأداء
| معايير | كابل سيليكون سيراميزابل | كابل شريط ميكا | كابل معدني معزول (مي) |
|---|---|---|---|
| وقت مقاومة الحريق (950 درجة مئوية) | ≥180 دقيقة | ≥90 دقيقة (الكربنة وسقوط الميكا) | ≥240 دقيقة (ولكن تشوه ممكن) |
| كثافة الدخان (%) | ≥15 | ≥50 | 0 (ولكن تكلفة غمد النحاس مرتفعة للغاية) |
| تكلفة التثبيت | ضعيف (مرونة كبيرة, تركيب سهل) | متوسط (الحاجة إلى لف معزز) | تلميذ (الحاجة إلى موصلات خاصة) |
| حياة | 30 الإجابة (مقاومة ممتازة للشيخوخة) | 15 لديه 20 الإجابة (التدهور التدريجي للميكا) | 50 الإجابة (لكن تكاليف الصيانة مرتفعة) |
إجمالي, يمثل كابل السيليكون القابل للسيراميزا حلاً موثوقًا لمقاومة الحريق, اقتصادية ودائمة للمشاريع التي تتطلب سلامة عالية من الحرائق.
بفضل سهولة تركيبه, أداء عزل ممتاز في حالة نشوب حريق وتكلفة دورة حياة منخفضة, فهو يشكل بديلاً مبتكرًا للكابلات التقليدية.
خصائص السيليكون السيراميكي
كنوع جديد من مواد الكابلات المقاومة للحريق, الخصائص الفريدة للسيليكون السيراميكي هي حجر الزاوية في أدائه الممتاز.
تكوين جسم خزفي ذاتي الدعم في اللهب
المواد المطاطية التقليدية التي تحتوي على حشوات غير عضوية تتحلل أو تحترق عند تعرضها للهب, منتجات التحلل أو الاحتراق المتطايرة, تاركة وراءها بقايا غير عضوية أو رماد منخفض القوة. هذه البقايا بشكل عام ليست متماسكة أو ذاتية الدعم وقد تنقسم إلى جزيئات أو غبار, وبالتالي تفتقر إلى فعالية مثبطات اللهب.
لكن, عندما يتعرض المطاط المصنوع خصيصًا للسيراميك للهب, يمكن سيراميكته في درجات حرارة تتراوح من 350 لديه 800 درجة مئوية أو أكثر, اعتمادًا على نوع المطاط والتركيبة المستخدمة, تلبد في جسم خزفي مسامي ذاتي الدعم. في درجات حرارة بين 650 و 1000 درجة مئوية, يمكن أن يحافظ السيليكون الخزفي على سلامته الهيكلية لفترة من الوقت (0,5 لديه 2 ساعات أو أكثر), وبالتالي تلعب وظيفة "الحماية السلبية من الحرائق" الفعالة وتوفر وقتًا ثمينًا للسلامة من الحرائق. تعد عملية السيراميك هذه هي الفرق الأساسي بين السيليكون السيراميكي والمواد المطاطية التقليدية.
قوة جيدة ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية
يتميز الجسم الملبد بالسيليكون الخزفي بصلابة عالية وينتج صوتًا يشبه السيراميك عند ضربه, مما يدل على أن لديها مقاومة ميكانيكية جيدة. مقاومة جيدة للانحناء والضغط. تعد قوة الانثناء لعينات السيليكون الخزفية أعلى بكثير من تلك الخاصة بالسيليكون التقليدي وتزداد بشكل ملحوظ مع زيادة درجة الحرارة.
ما هو أكثر من ذلك, يتمتع السيليكون الخزفي بمقاومة ممتازة للصدمات الحرارية. في محاكاة لعملية إطفاء الحرائق, عندما تم رش الماء على العينة عند درجة حرارة عالية, لم يتشقق الجسم الملبد بالسيليكون الخزفي, مما يشير إلى أنه قادر على الحفاظ على سلامته الهيكلية في ظل التغيرات السريعة في درجات الحرارة. تعتبر هذه المقاومة للصدمات الحرارية ضرورية لموثوقية الكابل في حالة نشوب حريق., لأن مشاهد الحرائق غالباً ما تكون مصحوبة برش مياه الإطفاء.
الهالوجين, دخان منخفض, سمية منخفضة, قابل للاشتعال تلقائيًا, صديقة للبيئة
على عكس مواد الكابلات التقليدية التي تحتوي على مثبطات اللهب المهلجنة, يمكن للسيليكون الخزفي تحقيق تأثير مثبط للهب ذاتي الإطفاء دون إضافة إضافات مهلجنة. يفي بتصنيف القابلية للاشتعال UL94V-0 ولديه مؤشر أكسجين يصل إلى 38. بعد بضع دقائق من الاتصال بمصدر الحريق, سوف تتوقف انبعاثات الدخان بشكل شبه كامل ولن يتم توليد كميات كبيرة من الدخان أثناء عملية الاحتراق اللاحقة.
ما هو أكثر من ذلك, يعتبر السيليكون الخزفي مادة صديقة للبيئة تنتج بشكل أساسي مواد غير سامة مثل ثاني أكسيد الكربون, الماء والسيليكا عند حرقها, يقلل بشكل كبير من خطر التسمم في حالة نشوب حريق. وهذا يجعله خيارًا مثاليًا للتطبيقات ذات المتطلبات البيئية العالية.
الأداء الكهربائي الجيد
يُظهر السيليكون القابل للسيراميزا ذو التركيبة المُحسّنة خصائص كهربائية ممتازة : قبل التلبد, لا تقل مقاومتها الحجمية عمومًا عن 10¹⁵ Ω cm, ضمان أداء جيد لعزل الكابلات في ظل ظروف العمل العادية. على الرغم من أن المقاومة تقل مع زيادة درجة حرارة التلبيد, لا يزال من الممكن الحفاظ على مقاومته الحجمية أعلى من 10⁷ Ω·cm بعد الاحتراق عند 1000 درجة مئوية ل 30 دقائق, وبالتالي ضمان قدرة الكابل على الاستمرار في توفير الطاقة أو نقل الإشارات أثناء الحريق. المقاومة الحجمية للسيليكون التقليدي قبل وبعد التلبيد لا تقل عن 10¹⁵ و10⁷Ω·سم على التوالي.
سهلة المعالجة
تشبه عملية تحضير وإنتاج مادة السيليكون الخزفية عملية السيليكون التقليدي ويمكن معالجتها باستخدام معدات معالجة المطاط القياسية (بثق, الفلكنة, آلات صب الحقن, إلخ.). وهذا يلغي حاجة الشركات المصنعة للكابلات إلى إجراء ترقيات أو تعديلات على نطاق واسع للمعدات, وبالتالي تبسيط عملية إنتاج الكابلات المقاومة للحريق وتقليل تكاليف الإنتاج.
تطبيقات كابل السيليكون السيراميكي المقاوم للحريق
التطبيق الرئيسي للسيليكون السيراميكي هو ذلك كابلات الجهد المتوسط والمنخفض مقاومة للحريق, والتي يتم استخدامها لضمان التدفق الآمن للطاقة في حالة نشوب حريق وضمان استمرار تشغيل المعدات الحيوية. أبدت صناعة الكابلات اهتمامًا كبيرًا بتطوير وتطبيق هذا النوع الجديد من المواد العازلة المقاومة للحريق، وتعتقد أن لديها آفاق تطبيق واسعة..
يمكن إنتاج مركبات السيليكون القابلة للسيراميزا باستخدام نفس المعدات المستخدمة في السيليكون التقليدي, دون الحاجة إلى آلات إضافية. تتميز المادة بخصائص قذف وقولبة ممتازة ويمكن استخدامها لتصنيع الكابلات باستخدام معدات بثق السيليكون التقليدية والفلكنة, مما يقلل بشكل كبير من تكاليف الإنتاج ويحسن كفاءة الإنتاج.
ما هو أكثر من ذلك, لا يزال السيليكون القابل للسيراميز يحتفظ بمرونته الأصلية في درجة حرارة الغرفة ولن يصبح هشًا أو يتقشر مثل شريط الميكا عند خبزه., ويمكنه تحمل اختبارات الرش والاهتزاز, ضمان قدرة الكابل على الحفاظ على الأداء الجيد في مختلف البيئات القاسية. حيث أن العديد من الحرائق الخطيرة في المباني المدنية في السنوات الأخيرة كانت مرتبطة بالكابلات, هناك طلب كبير على الكابلات في المباني المدنية المقاومة للحريق. من المتوقع أن تشهد كابلات السيليكون الخزفية ذات الجهد المتوسط والمنخفض تطورًا كبيرًا في المستقبل وتصبح جزءًا مهمًا من سوق الكابلات المقاومة للحريق..
ملخص والتوقعات
أصبحت كابلات السيليكون الخزفية خيارًا جديدًا في صناعة الكابلات نظرًا لمقاومتها الممتازة للحريق, خصائص حماية البيئة وسهولة المعالجة. مع التقدم المستمر للتكنولوجيا والتوسع المستمر في مجالات التطبيق, من المؤكد أن كابلات سيراميك السيليكون ستلعب دورًا أكثر أهمية في المجالات المستقبلية لنقل الطاقة والأمن, وسوف تساعد في بناء مجتمع أكثر أمانًا وموثوقية.