חוטים וכבלים: מבנה, חומרים ורכיבים מרכזיים

ניתן לחלק באופן כללי את הרכיבים המבניים של מוצרי חוטים וכבלים לארבעה חלקים מבניים עיקריים: מוליכים, שכבות בידוד, שכבות מיגון וכיסויי מגן, כמו גם אלמנטים של מילוי ואלמנטים של מתיחה וכו'. בהתאם לדרישות השימוש ותרחישי היישום של המוצרים, לחלק מהמוצרים יש מבנים פשוטים ביותר, עם רכיב מבני אחד בלבד, החוט, כגון חוטים חשופים עיליים, חוטי שרשרת, פסי אספקה מנחושת-אלומיניום (פסי אספקה) וכו'. הבידוד החשמלי החיצוני של מוצרים אלה מובטח באמצעות מבודדים ומרחק מרחבי במהלך ההתקנה וההנחה (כלומר, באמצעות בידוד אוויר).

לרוב המכריע של מוצרי חוטים וכבלים יש צורת חתך רוחב זהה לחלוטין (תוך התעלמות משגיאות ייצור) והם בצורת רצועות ארוכות. תכונה זו נקבעת על ידי השימוש בהם ליצירת מעגלים או סלילים במערכות או בציוד. לכן, כאשר בוחנים ומנתחים את ההרכב המבני של מוצרי כבלים, יש צורך רק להתבונן ולנתח מחתכי הרוחב שלהם.

להלן ניתוח מפורט של הרכב מבנה הכבל וחומרי הכבל:

1. הרכב מבנה הכבל: מוליך

חוטים הם המרכיבים העיקריים הבסיסיים וההכרחיים ביותר עבור מוצרים לביצוע הפונקציה של העברת מידע על זרם או גל אלקטרומגנטי. חוט הוא קיצור של ליבה מוליכה.

אילו חומרים כלולים במוליכי כבלים? חומרי המוליכים עשויים בדרך כלל ממתכות לא ברזליות בעלות מוליכות חשמלית מצוינת כגון נחושת ואלומיניום. כבלים אופטיים המשמשים ברשתות תקשורת אופטיות שהתפתחו במהירות בשלושת העשורים האחרונים בערך משתמשים בסיבים אופטיים כמוליכים.

2. הרכב מבנה הכבל: שכבת בידוד

שכבת הבידוד היא רכיב המכסה את היקף החוט ומשמשת כמבודד חשמלי. כלומר, היא יכולה להבטיח שהזרם המועבר או גלים אלקטרומגנטיים, גלי אור, ינועו רק לאורך החוט ולא יזרמו החוצה. ניתן לבודד את הפוטנציאל על המוליך (כלומר, הפרש הפוטנציאלים שנוצר לעצמים הסובבים, כלומר, המתח). כלומר, יש צורך להבטיח הן את תפקוד ההעברה התקין של החוט והן את בטיחותם של עצמים חיצוניים ואנשים. חוטים ושכבות בידוד הם שני המרכיבים הבסיסיים שחייבים להיות נוכחים כדי ליצור מוצרי כבלים (למעט חוטים חשופים).

מהם חומרי בידוד כבלים: בחוטים ובכבלים של ימינו, סיווג חומרי בידוד הכבלים מתחלק בעיקר לשתי קטגוריות: פלסטיק וגומי. חומרים פולימריים הם הדומיננטיים, מה שמוביל למגוון רחב של מוצרי חוטים וכבלים המתאימים לשימושים שונים ולדרישות סביבתיות שונות. חומרי בידוד נפוצים לחוטים וכבלים כוללים פוליוויניל כלוריד (PVC),פוליאתילן צולב (XLPE), פלואורפלסטיקה, תרכובות גומי, תרכובות גומי אתילן-פרופילן וחומרי בידוד מגומי סיליקון.

3. הרכב מבנה הכבל: נדן

כאשר מוצרי חוטים וכבלים מותקנים ומופעלים בסביבות שונות, חייבים להיות רכיבים המגנים על המוצר כולו, ובמיוחד שכבת הבידוד. זהו המעטפת. מכיוון שחומרי בידוד נדרשים להיות בעלי תכונות בידוד חשמליות מצוינות מכל הסוגים, יש צורך לדרוש טוהר גבוה במיוחד ותכולת זיהומים נמוכה ביותר של החומרים. לעתים קרובות, אי אפשר לקחת בחשבון את יכולת ההגנה שלהם מפני העולם החיצון. לכן, מבני הגנה שונים חייבים להיות אחראים על עמידות בפני כוחות מכניים שונים מבחוץ (כלומר, התקנה, אתר שימוש ובמהלך השימוש), עמידות לסביבה אטמוספרית, עמידות בפני כימיקלים או שמנים, מניעת נזק ביולוגי והפחתת סכנות אש. הפונקציות העיקריות של מעטפות כבלים הן איטום, עמידות בפני בעירה, עמידות באש ומניעת קורוזיה. מוצרי כבלים רבים שתוכננו במיוחד עבור סביבות חיצוניות טובות (כגון סביבות נקיות, יבשות ופנימיות נטולות כוחות מכניים חיצוניים), או כאלה עם חומרי בידוד בעלי חוזק מכני מסוים ועמידות בפני מזג אוויר, יכולים להסתדר ללא רכיב שכבת המגן.

אילו סוגי חומרי מעטפת כבלים קיימים? חומרי מעטפת הכבלים העיקריים כוללים גומי, פלסטיק, ציפוי, סיליקון ומוצרי סיבים שונים וכו'. מאפייני שכבת המגן מגומי ופלסטיק הם רכות וקלות משקל, והיא נמצאת בשימוש נרחב בכבלים ניידים. עם זאת, מכיוון שגם לגומי וגם לחומרי פלסטיק יש מידה מסוימת של חדירות מים, ניתן ליישם אותם רק כאשר משתמשים בחומרים פולימריים גבוהים בעלי עמידות גבוהה ללחות כבידוד כבלים. לאחר מכן, חלק מהמשתמשים עשויים לשאול מדוע פלסטיק משמש כשכבת המגן בשוק? בהשוואה למאפיינים של מעטפות פלסטיק, למעטפות גומי יש גמישות וגמישות גבוהות יותר, עמידות יותר בפני הזדקנות, אך תהליך הייצור שלהן מורכב יחסית. למעטפות פלסטיק יש תכונות מכניות טובות יותר ועמידות למים, והן עשירות במשאבים, מחירן נמוך וקלות לעיבוד. לכן, הן נמצאות בשימוש נרחב יותר בשוק. עמיתים בתעשייה צריכים לציין שקיים סוג נוסף של מעטפת מתכת. למעטפות מתכת יש לא רק פונקציות הגנה מכניות אלא גם את פונקציית המיגון המוזכרת להלן. יש להם גם תכונות כגון עמידות בפני קורוזיה, חוזק דחיסה ומתיחה ועמידות בפני מים, שיכולות למנוע חדירת לחות וחומרים מזיקים אחרים לתוך פנים בידוד הכבל. לכן, הם נמצאים בשימוש נרחב כמעטפות לכבלים חשמליים מבודדים מנייר ספוג בשמן בעלי עמידות לחות נמוכה.

4. הרכב מבנה הכבל: שכבת מיגון

שכבת המיגון היא מרכיב מפתח במוצרי כבלים להשגת בידוד שדה אלקטרומגנטי. היא יכולה לא רק למנוע דליפה של אותות אלקטרומגנטיים פנימיים ולהפריע למכשירים חיצוניים, מדי חשמל או קווים אחרים, אלא גם לחסום גלים אלקטרומגנטיים חיצוניים מלהיכנס למערכת הכבלים באמצעות צימוד. מבחינה מבנית, שכבת המיגון לא ממוקמת רק בחלקו החיצוני של הכבל אלא קיימת גם בין זוגות או קבוצות של חוטים בכבלים מרובי ליבות, ויוצרת "מסכי בידוד אלקטרומגנטיים" רב-שכבתיים. בשנים האחרונות, עם הדרישות הגוברות לכבלי תקשורת בתדר גבוה ולמניעת הפרעות, חומרי מיגון התפתחו מנייר מתכתי מסורתי וסרטי נייר מוליכים למחצה לחומרים מרוכבים מתקדמים יותר כגון...קלטות מיילר של נייר אלומיניום, סרטי מיילר מנחושת וסרטי נחושת. מבני מיגון נפוצים כוללים שכבות מיגון פנימיות העשויות מפולימרים מוליכים או סרטים מוליכים למחצה, כמו גם שכבות מיגון חיצוניות כגון עטיפת אורכית של סרט נחושת ורשת נחושת קלועה. ביניהן, השכבה הקלועה משתמשת בעיקר בנחושת מצופה בדיל כדי לשפר את עמידות בפני קורוזיה. עבור תרחישי יישומים מיוחדים, כגון כבלים בתדר משתנה המשתמשים בסרט נחושת + מיגון מרוכב חוט נחושת, כבלי נתונים המשתמשים בעטיפת אורכית של נייר אלומיניום + עיצוב יעיל, וכבלים רפואיים הדורשים שכבות קלועות נחושת מצופות כסף בכיסוי גבוה. עם כניסתו של עידן ה-5G, מבנה המיגון ההיברידי של סרט מרוכב אלומיניום-פלסטיק ואריגת חוטי נחושת מצופים בדיל הפך לפתרון המרכזי עבור כבלים בתדר גבוה. הפרקטיקה בתעשייה מראה ששכבת המיגון התפתחה ממבנה עזר לרכיב ליבה עצמאי של הכבל. בחירת החומרים עבורה צריכה להתחשב באופן מקיף במאפייני התדר, ביצועי הכיפוף וגורמי העלות כדי לעמוד בדרישות התאימות האלקטרומגנטית של תרחישי יישומים שונים.

5. הרכב מבנה הכבל: מבנה מלא

מוצרי חוטים וכבלים רבים הם רב-ליבתיים. לדוגמה, רוב כבלי החשמל במתח נמוך הם כבלים בעלי ארבעה או חמישה ליבות (מתאימים למערכות תלת פאזיות), וכבלי טלפון עירוניים מגיעים בכבלים של 800 זוגות, 1200 זוגות, 2400 זוגות עד 3600 זוגות. לאחר שליבת ליבות או זוגות חוטים מבודדים אלה (או כבלים בקבוצות מספר פעמים), ישנן שתי בעיות: האחת היא שהצורה אינה עגולה, והשנייה היא שישנם פערים גדולים בין ליבות החוטים המבודדות. לכן, יש להוסיף מבנה מילוי במהלך העברת הכבלים. מבנה המילוי נועד להפוך את הקוטר החיצוני של הכבלים לעגול יחסית, מה שתורם לעטיפה ולבליטה של המעטפת, וגם כדי להפוך את מבנה הכבל ליציב ואת פנים הכבל לחזק. במהלך השימוש (בעת מתיחה, דחיסה וכיפוף במהלך הייצור וההנחה), הכוח מופעל באופן שווה מבלי לפגוע במבנה הפנימי של הכבל. לכן, למרות שמבנה המילוי הוא מבנה עזר, הוא גם הכרחי, וישנן תקנות מפורטות לגבי בחירת החומרים שלו ועיצוב הצורה שלו.

חומרי מילוי לכבלים: בדרך כלל, חומרי המילוי לכבלים כוללים סרט פוליפרופילן, חבל PP לא ארוג, חבל קנבוס, או חומרים זולים יחסית העשויים מגומי ממוחזר. כדי לשמש כחומר מילוי לכבלים, עליו להיות בעל מאפיינים של אי גרימת השפעות שליליות על ליבת הכבל המבודדת, אי היגרוסקופיות בפני עצמה, אי נטייה להתכווצות ואינו שיתקלקל.

6. הרכב מבנה הכבל: אלמנטים מתיחה

מוצרי חוטים וכבלים מסורתיים מסתמכים על שכבת השריון של המעטפת כדי לעמוד בכוחות מתיחה חיצוניים או כוחות מתיחה הנגרמים ממשקלם האישי. המבנים האופייניים הם שריון סרט פלדה ושריון תיל פלדה (לדוגמה, עבור כבלים תת-ימיים, משתמשים בחוטי פלדה עבים בקוטר 8 מ"מ ומפותלים ליצירת שכבת השריון). עם זאת, על מנת להגן על הסיבים האופטיים מכוחות מתיחה קלים ולמנוע עיוות קל של הסיבים שעלול להשפיע על ביצועי השידור, מבנה כבל הסיב האופטי מצויד בחיפוי ראשוני ומשני וכן ברכיבי כוח מתיחה ייעודיים. בנוסף, אם כבל האוזניות של טלפון נייד מאמץ מבנה שבו חוט נחושת דק או סרט נחושת דק מלופף סביב סיבים סינתטיים ושכבת בידוד נבלמת מבחוץ, סיב סיבים סינתטי זה הוא אלמנט המתיחה. לסיכום, במוצרים מיוחדים, קטנים וגמישים שפותחו בשנים האחרונות הדורשים שימושים מרובים של כיפוף ופיתול, אלמנטי מתיחה ממלאים תפקיד מרכזי.

אילו חומרים כלולים עבור רכיבי מתיחה בכבלים: רצועות פלדה, חוטי פלדה ורדיד נירוסטה