Материиалы проводников

>> Материалы проводников

Поговорим о металлах, которые наиболее часто встречаются в кабелях.

Медь. В электротехнике медь занимает главенствующее положение. Относительно невысокая цена при отличных показателях электропроводности, теплопроводности и устойчивости к коррозии, делают её незаменимой в изготовлении кабельной продукции. Более половины всей выплавляемой в мире меди идет на изготовление кабельной проволоки, разъемов, плат и, прочей электротехники и электроники. Только серебро может тягаться с медью по проводимости, но сильно превосходит её по цене. Остальные металлы, такие как олово, алюминий, золото, железо и никель, обладают значительно большим электрическим сопротивлением, чем медь. Плотность меди составляет 8,96 г/куб.см при +20С; Температура плавления +1083С. Стоимость около 6000 долларов за метрическую тонну (LME на фев. 2019).

Серебро на 8% лучше меди проводит электрический ток, поэтому серебряные кабели очень ценятся аудиофилами. Оксид серебра, образующийся на поверхности проводника имеет такую же электропроводность, как и чистое серебро. Это свойство дает серебру преимущество перед медью, поверхностный окисел



которой гораздо хуже проводит ток. Покрывая медную проволоку серебром, можно улучшить проводимость кабеля за относительно небольшие деньги. На заметку: серебро играет важную роль в кабельном производстве, прежде всего как защитное покрытие медной проволоки от химического воздействия диэлектрика (например, тефлона).

Золото, несмотря на свое благородство, почти на 50% проигрывает  меди по показателю электропроводности. Золотом покрывают поверхности латунных или бронзовых разъемов (медных трасс в электронике) для предотвращения образования оксидной пленки на их поверхности.

Алюминий. Cопротивление этого металла на 70% ниже медного, но все же он занимает устойчивую позицию в кабельном производстве, так как стоит гораздо дешевле меди. Тем более, что инженеры научились алюминиевую жилу протаскивать через медную трубку и обжимать её это таким образом, что получается монолитная жила из омедненного алюминия (10-15% меди от общего веса) с хорошей электропроводностью, достаточно гибкая, дешевая и легкая, что сразу же оценили авиационные инженеры. Акустические кабели из омеднённой меди (ССА) применяются в недорогих проектах по озвучиванию больших помещений.

Олово - неизменный спутник меди во многих сплавах (латунях). Уступает ей по проводимости более чем в 6 раз. Покрытые оловом медные кабели (TC) очень популярны на рынке. Олово увеличивает срок службы кабеля, создает комфорт при пайке и защищает медный проводник от воздействия изоляции.

Железо. Сопротивление железа выше медного в 7 раз. Однако, покрыв медью стальную жилу, можно изготовить дешевые и очень прочные электрокабели. Некоторые дешевые аудио кабели могут быть изготовлены из омеднённой стали (CCS).

Как видим, медь самый главный металл в кабельном производстве. Откуда берется она и как из неё делают проволоку? Попробуем разобраться с самого начала.

Карьер.  Представим себе огромную воронку диаметром в четыре километра и в пару сотен метров в глубину, где-нибудь в жаркой Аризоне. Серпантин дороги винтом уходит глубоко вниз на дно карьера. Взрыв породы. Огромный экскаватор с ковшом в 25 кубов наваливает куски халькопирита в 300-тонный грузовик - haul truck. Десятки таких машин вывозят породу на поверхность.  На самом деле, в кузове грузовика всего полтора процента меди от общей массы загрузки. Везти далеко нет смысла, необходимо тут же размельчить породу для извлечения ценного металла.

Дробление. Породу размельчают  в стальных дробилках в несколько этапов с промывкой водой от песка и грязи недалеко от карьера. В результате измельчения получают шламовую суспензию с частицами диаметром 0.25мм.

Концентрат. Шлам разбавляют водой, добавляют химикаты и пенообразующий реагент. Все это в огромном чане перемешивается с подачей пузырьков воздуха. Химические реагенты обволакивают частички металлов и с пузырьками воздуха выносятся на поверхность.  На поверхности воды постепенно скапливается концентрат - пена, содержащая 25-35% меди в виде различных соединений с серой, железо, немного серебра и золота. Концентрат сушат и продают металлургическим заводам, которые в процессе плавки выделяют из него чистую медь и остальные полезные металлы.
 
Выплавка меди. Доставленный на металлургический комбинат концентрат, загружают в печь с добавлением флюса из кремнезёма и струи кислорода. В расплаве сульфид меди скапливается на дне печи, а на поверхности его плавает железо и шлак, которые удаляются скребком.  Серу, как побочный продукт плавления, используют для производства серной кислоты. Все что скопилось на дне печи, называют штейном. Он уже содержит 60% меди от общего веса. Далее, расплавленный штейн заливают во вторую печь – конвертер, где опять добавляют кремнезём и продувают кислородом. В результате получается практически чистая медь – 99%.

Огневое рафинирование меди. Полученную конвертерную медь нагревают в специальной печи, продувают воздухом, добавляют химикаты, которые выводят из расплава мышьяк и сурьму. Результат – 99.5% меди.

Электролитическое рафинирование меди. Далее полученную медь разливают в формы квадратного сечения. Остывшие листы (анод) помещают в 1250 ванн из полимерного бетона для проведения процесса электролиза в растворе кислоты и сульфата меди с пропусканием электрического тока. На отрицательном полюсе (катоде) через пару недель оседает чистая медь в виде 136 килограммовых катодных листов, имеющая степень очистки 99.95-99.99%. В процессе электролиза примеси остаются на дне раствора в виде шлама. Некоторые из них, такие как золото, серебро, теллур и селен извлекаются и идут на продажу.  Полученные катодные листы переплавляются и разливаются в различные формы, (чушки, прутки, листы) удобные для производства тех или иных изделий. Данная медь называется электролитической катодной или бескислородной (oxygen-free copper). Марка этой меди С10100 по системе Американской Ассоциации Содействия Развитию Промышленности Медных Сплавов – CDA. В России бескислородная медь маркируется как М00б и М0б, ГОСТ 859-2001.    

Мы описали только один из методов рафинирования меди, который дает результат очистки меди в 99.99%. По количеству  «девяток» его условно называют 4N (four nines). Из этого материала в основном и делаются аудио и видео кабели. Вот еще несколько методов очистки меди:

- медь, переплавленная с раскислителем. Очистка 99.5–99.9%;
-медь бескислородная, выплавляемая в инертной атмосфере с применением покровного флюса. Очистка до 99.99%;
-медь, выплавленная в вакуумируемом объеме. Очистка 99.99%;
-зонная плавка меди. Результат очистки до 99.9999% (6N)

Примеси, даже в небольших количествах, резко снижают электрические свойства меди, делая порой невозможной ее обработку, ухудшая технологические и потребительские свойства. Поскольку медь выступает в роли проводника тока, то важно знать насколько примеси влияют электропроводность. Практически все примеси снижают электропроводность её. В порядке возрастания действия примеси серебра, кадмия, кальция, висмута, серы, теллура снижают электропроводность меди незначительно. Примеси хрома, кислорода, цинка, магния, бериллия снижают электропроводность меди сильно. Примеси никеля, олова, сурьмы, марганца, алюминия, мышьяка, железа, кремния, фосфора и титана – очень сильно. В связи с этим при выплавке меди для электротехнических целей добиваются минимального количества примесей. Обязательным методом испытаний в этом случае является исследование электрического сопротивления металла. 
  
Более подробно о марках меди и методах её очистки можно почитать, перейдя по следующим ссылкам:         

Марки меди по российским, европейским (EN) и американским (ASTM) стандартам:
Справочник по цветным металлам
Про медь, бескислородную медь, бронзы и латуни более подробно читайте
в книге Ю.Н. Логинова "Медь и деформируемые медные сплавы", Екатеринбург 2004г.
У. Болтон. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты.
ISBN 5-94120-046-3 (рус.)
РосЦветМет - Медь

Снижение содержания кислорода в меди и медных сплавах, при производстве электрических проводов и отливок электротехнического назначения
Русский металл. Медь бескислородная


>> Монокристаллическая медь

Синонимы: длинозерная медь (Long Grain Copper), однокристаллическая медь (Single Crystal Copper);

Это медь, которая переходит из расплавленной фазы в твердую относительно долго и равномерно по всему объему. В результате получается металл с относительно упорядоченной кристаллической решеткой. Существует несколько методов получения монокристаллов. Это относится не только к меди, но и любому веществу, имеющему внутреннее строение в виде кристаллической решетки (металлы, металлические сплавы, кремний, германий, алмаз и т.д.). Монокристаллы широко применяются в электронике, авиационной технике, машиностроении и т.д. 

Термин "монокристалл" не совсем корректен, так как им принято описывать одиночный кристалл вещества. Мы же, для удобства, называем монокристаллом однонаправленную упорядоченную структуру всего поликристалла меди, состоящего из одиночных кристаллов (т.е. монокристаллов). Аналогичные термины, принятые в коммерциии: Single Crystal Copper, Long-Grain Copper, Unidirectional Long-Grain Copper (однонаправленная медь, длиннозерная медь и пр.)  

Кристаллическая решетка меди. Представим себе микроскопический куб размером 0.36х0.36х0.36 нанометров. В каждой вершине этого куба и в центре каждой его грани находится атом меди. Всего этот кубик содержит 14 атомов меди. Это элементарная ячейка кристаллической решетки меди. Именно эти кубики составляют жидкую фазу расплавленной меди. При остывании, то есть с уменьшением энергии расплава, межатомные связи сцепляют кубики в кристаллическую решетку. Эта решетка получается неупорядоченной, поликристаллической. Кубики тут необязательно сцепляются ровно грань к грани. Появляются развороты по осям, пустоты между гранями кубиков и т.д. Возникают целые области в структуре металла, в которых упорядоченность кубиков имеет определённую закономерность. Области (зерна) с разными закономерностями упорядоченности, касающиеся друг друга, образуют видимую под микроскопом ярко выраженную границу. Это есть граница между зернами кристаллической решетки меди.

Смотрите фото зёрен меди:
Различные микроструктуры меди марки М1, непрерывное литье, кристаллизатор, пруток d 8,0 мм увеличение х200.
Источник: Агентство Литье++

   
Автор: СЕЗОНЕНКО Юрий Дмитриевич — технический директор ООО «Инженерная компания САС», г. Киев, Украина

Электропроводность меди, как и любого металла, обеспечивается электронами, которые могут покидать атомы и свободно путешествовать (колебаться) в кристаллической решетке и, тем самым, проводить электрический ток. Чем свободнее и без помех происходит перемещение электронного облака, тем меньше электрический сигнал подвергается межкристаллической дисторсии (искажению). Примеси кислорода, серебра, фосфора и других веществ в меди ухудшают её электропроводность. Следовательно, чем чище медь, и, чем больше порядка в её решетке (например, существует качественная длиннозерная медь, имеющая длинные, сильно вытянутые зерна), тем лучше аудио кабель. Наилучший результат дает монокристаллическая медь (Single Crystal или Monocrystal Copper) высокой степени очистки. Чтобы её изготовить необходимо кристаллическую решетку очищенной меди привести в порядок, то есть изготовить практически однозерную медь. 
              
Процесс производства металлов с однонаправленной длиннозерной структурой (unidirectional columnar structure) в первые был запатентован профессором Ацуми Оно (Atsumi Ohno) из института Чиба (Япония) в 1982 году (патент US4515204; JAPAN PAT.1049146). Данный процесс обеспечивает непрерывное литье (Continuous Casting) расплавленного металла или сплава (в том числе и меди) в предварительно разогретые формы, с  последующим равномерным остывание всего объема металла. В результате получается однородная медь с упорядоченной кристаллической решеткой. Для производства ОСС меди (Ohno Continuous Casting) применяется металл повышенной очистки 99.9997% Cu или 99.9999% Cu. Этот процесс очень затратный в плане энергии и времени, что делает OCC медь очень дорогой по сравнению со стандартными марками. Кроме того, спектр применения такой меди очень узок, что приводит к дополнительному её удорожанию. Производители кабельной продукции закупают ОСС медь для изготовления очень дорогих акустических и аудио кабелей класса High-End. При прохождении через монокристалл меди аудио сигнал подвергается минимальному искажению, что обеспечивает «нейтральную» звуковую картину, т.е. сигнал почти остается таким, каким он является на самом деле без дополнительных, нежелательных «окрасов». Данное свойство кабеля очень ценится аудиофилами и особенно ярко проявляется при коммутации дорогостоящей высококачественной аппаратуры.



Существует несколько способов производства монокристаллической меди, дающих различную степень упорядоченности кристаллической решетки металла. Наиболее эффективным на данный момент является метод бестигельной зонной плавки, который заменил собой более дорогостоящий метод OCC. В процессе зонной плавки стержень из стандартной бескислородной меди с очисткой до 99,99% подвергается рафинированию до 5N или 6N, с одновременным упорядочением кристаллической решетки металла. В дальнейшем из таких стержней изготавливают жилы для производства кабелей.

Зонная плавка металлов (глубокая очистка металлов или полупроводников от примесей) основана на физических процессах разделения веществ при плавке. Преимущество этих процессов заключается в том, что очистка протекает без использования реагентов, вносимых извне в очищаемый металл. Зонная плавка или кристаллизационный метод очистки удаляет примеси движущимся жидким фронтом кристаллизации и применима для любого вещества, имеющего кристаллическую решетку и различную растворимость примесей в жидком и твердом состояниях. Жидкий фронт (расплавленная зона) формируется электронно-лучевым нагревом медного стержня без тигеля в вакууме. Стержень бомбардируется направленным стабилизированным пучком электронов, создаваемым электронной пушкой с кольцевым катодом (нагревателем). Процесс заключается в медленном движении расплавленной зоны вдоль стержня, которая охватывает всю его площадь поперечного сечения и постепенном перераспределении примесей (см.схему ниже). В процессе медленного движения узкой расплавленной зоны от одного конца стержня к другому, сгусток примесей перед расплавленной зоной перераспределяется (выталкивается) к концу стержня.

Одновременно происходит упорядочение кристаллической решетки меди из-за медленного и равномерного её остывания в поперечном сечении стержня вдоль всей его длины при движении расплавленной зоны. 


Подробнее об этом читайте по ссылкам: 

The Production of Ultrahigh Purity Copper for Advanced Applications на англ.яз.
Про монокристаллическую медь, выплавляемую методом Astumi Ohno (OCC),
Solidification. The Separation Theory and its Practical Application. London-Paris-Tokyo, 1987 (англ.)
https://link.springer.com/article/10.1007/BF02841295
Выдержка из статьи о выращивании монокристаллов меди методом Чохларского:
Growth of single crystals of copper ans their thermal profile estimation
https://link.springer.com/article/10.1007/BF02847635
Зонная плавка металлов:
Информация о различных методах производства монокристаллов металлов, в том числе и меди на англ.
Установка зонной плавки и её применение для получения сверхчистых металлов. на русском; на англ.яз.

Продажа монокристаллических (Single Crystal) медных прутков (стержней) для изготовления кабельной проволоки:
http://cuprime.com.tw/product01_en.html
https://www.americanelements.com/copper-single-crystal-7440-50-8
https://princetonscientific.com/materials/metal-single-crystals/copper-single-crystal/
http://www.goodfellow.com/E/Copper-Single-Crystal.html

Производство медной поволоки. Компании, производящие проволоку, закупают медные или серебряные стержни у металлургических компаний или у компаний, занимающихся дополнительным рафинированием (до 6N) и монокристаллизацией металлов (читайте выше). Медные стержни в специальных станках пропускаются через алмазные кольца меньшего диаметра (см. фото внизу справа). Полученный пруток повторно волочат через кольцо еще меньшего диаметра. Куски проволоки сваривают между собой и повторяют процесс  до тех пор пока не получится тонкая жила диаметром 0.25, 0.2, 0.15 или 0.1мм. Внутреннее напряжение, возникающее в жиле после волочения, снимают при помощи её нагрева. Этот процесс называется нормализацией или отжигом. Отжигают жилу, пропуская через неё электрический ток, который нагревает ее до требуемой температуры. При необходимости медную жилу лудят или покрывают серебром. Жилы различного сортамента готовы к продаже заводам, производящим различные типы кабелей (коаксиальные, витые пары, аудио, видео, акустические и пр.). Стоимость жилы зависит от стоимости металлов на бирже. Цена может сильно колебаться в течение года. Стоимость полимеров для изготовления изоляции также зависит от многих факторов: стоимости нефтепродуктов, химических добавок, транспортных затрат и пр. О полимерах для кабельной изоляции поговорим ниже.

Кабельный завод, получая заказ от кабельного бренда, формирует отпускную цену на тот или иной кабель, учитывая стоимость жилы и диэлектриков, плюс стоимость рабочей силы и электроэнергии. Кабельные бренды могут работать с несколькими заводами на территории Китая, Тайваня, США, Европы и России. Кабельные заводы, в свою очередь, могут изготавливать продукцию для нескольких десятков различных кабельных брендов.     

Задача кабельного бренда - инженерно-техническая. То есть создать оптимальную кабельную конструкцию, подобрать нужные для этого материалы, найти хороший кабельный завод, а также эффективно решить проблему транспортировки, маркетинга, наладить устойчивую дилерскую сеть и пр.               

Thermoseting (термосеты) - класс полимерных материалов, которые имеют трехмерную молекулярную сетку. Такие полимеры можно один раз размягчить сильным нагреванием при производстве изделия, но после процесса затвердевания они более не подвержены переработке. Производство изоляции из термосетов более дорогой и медленный процесс, зато изоляция получается термостойкая, износоустойчивая и стойкая воздействию всевозможной химии. Вот они, термосеты: CPE - Chlorinated PE (хлорированный полиэтилен), CP (хлоропрен или неопрен), XLP, XLPE - Cross-Linked Polyethilene (сшитый полиэтилен); EP, EPR - Ethylene Propylene Rubber (этилен-пропиленовый каучук), силикон, латекс, бутил, CSPE- ChloroSulfonated PE и другие.

Из термосетов изготавливают кабели более стойкие к высоким и низким температурам, солнечному свету, химическим реагентам, воде, почве и даже взрывам (кабели для тральщиков мин). Идем далее.

Thermoplasts (термопласты) - изоляция из полимеров этого класса имеет линейную молекулярную конструкцию и легко поддается вторичной переработке. Их можно, в отличие от термосетов, многократно нагревать и повторно использовать в хороших делах. Кроме того, термопласты дешевле в производстве изоляции кабеля (процесс экструдирования более быстрый и простой).  В основном электрические низковольтные кабели изготавливаются из термопластов, таких как ПВХ (PVC), полиэтилен (PE), термопластичный эластомер (TPE), нейлон (полиамид), тефлон (фторопласт), полиуретан (PUR), полипропилен (PP), CPE  и другие.

Как видим, некоторые материалы могу быть как термосетами, так и термопластами. Например, обычный полиэтилен (PE) - это термопласт из которого можно лепить все подряд, а  сшитый полиэтилен (XLPE) - термосет и повторной переработке не подлежит.    

Если смешать два или более полимера, то можно получить сополимер (copolymer). Например, Chrystalline Propylen/Ethylene Copolymer. Из него изготавливают изоляцию для некоторых типов коммуникационных кабелей с рабочей температурой до 90 градусов по Цельсию.  Еще есть этиленвинилацетат (EVA). Из этого сополмера, помимо кабельной безгалогенной изоляции, делают поливочные шланги, коврики для автомобилей и прочие важные товары народного потребления. 

PVC (поливинилхлорид, винил) - самый распространенный материал для диэлектриков кабелей. Он относительно недорог, может иметь рабочую температуру от -55С до +105С по Цельсию. Достаточно гибок, хорошо окрашивается вплоть до прозрачности, легко маркируется.  Имеет хорошие диэлектрические свойства. Хорошо противостоит механическим воздействиям, ультрафиолету и влаге. Имеет очень много модификаций, благодаря восприимчивости всевозможным добавкам. Добавки в ПВХ могут увеличить раб. температуру изоляции до +105С (Premium Grade PVC), сделать её негорючей (Flame Retardant), некоррозивной (Non Corrosive), очень гибкой (UltraFlex), хорошо противостоящей ультрафилетовому излучению (UV Protected), морозу и тд. ПВХ боится керосина, бензина, масел и растворителей, зато не боится кислот и алкоголя.  Не очень любит, когда его закапывают в открытый грунт (в принципе, этого никто не любит). В его состав входит галоген - хлор, поэтому при горении он выделяет достаточно токсичный и густой дым. Однако, магические добавки могут сделать ПВХ малодымным (Low Smoke) и негорючим (Flame Retardant). В общем, для производства аудио-видео, бытовых электрических и коммуникационных кабелей ПВХ незаменим! Во всяком случае, на сегодняшний день.

Polyolefins (полиолефины) - это семейство полимеров, в которое входят известные всем любителям музыки и кино полиэтилен (PE) и полипропилен (PP).
 
PE обладает отличными электрическими свойствами. Если полиэтилен вспенить, те наполнить его пузырьками воздуха или азота, то можно добиться очень низкой диэлектрической константы, равной 1.5 - 1.6. Вспененный полиэтилен (Foamed PE) применяется в высокочастотных  коаксиальных кабелях, которые передают телевизионный сигнал или поток цифровых данных на относительно большие расстояния (тут нужна низкая емкость кабеля). Хорошие межблочные кабели, которые передают низковольтный аудио-видео сигнал тоже изготавливают из вспененного PE для снижения емкости. PE менее гибок, чем PVC и плохо сопротивляется огню, зато хорошо противостоит маслу, бензину и керосину. Боится бензола и толуола; не боится солнца и дождя. Не содержит галогенов (<0.02%), а значит кабели из PE  изоляции можно смело называть ZH (Zero Halogen) или HF (Halogen Free), т.е. безгалогенными.

PP -  полипропилен, родной брат полиэтилена, имеет с ним схожие характеристики. Ну разве что, менее элестичен.      

Fluoropolymer (фторополимеры) - материалы, в состав которых входит фтор.
Вот они: TFE - TertaFluoroEthylene или Teflon (раб. темп. до +260С); FEP - FlexaFluoroPropylene (+200C) применяется в изготовлении миниатюрных коаксиальных кабелей; PFA - PerFluoroAlkoxy (+260C) применяется в кабелях для авиации и нефтедобычи. Есть еще изоляционные материалы на основе фтора: E-CTEE (Halar +150C), ETFE (Tefzel +150C) для компьютерной техники, PCTFE (+135C), Kynar (+135C) и другие.

Как видим, изоляция из фторополимеров термостойкая, хорошо противостоит химическим реагентам и влаге. Если вы ищете бензо-маслостойкие кабели, то тефлоновые кабели как раз то, что нужно (хотя есть и более дешевые кабели из бензостойкой резины). Высокая рабочая температура тефлона делает его незаменимым в производстве монтажных кабелей (не боятся паяльника!), а низкая его диэлектрическая константа дает возможность применять в дорогих аудио кабелях, где аудиофилы гоняются за низкой емкостью межблочников. Однако, следует помнить, что полиэтилен (Foamed PE) и полипропилен (Foamed PP), если дать им пинка,  могут обогнать тефлон по диэлектрической константе и быть дешевле по стоимости.       

И так, мы разобрались с диэлектриками, которые наиболее популярны в аудио и видео кабелях. Это PVC, PE, PP и Тефлон. Есть ещё много видов резины, силикон и нейлон, но эти полимеры не играют важной роли в "звучании" кабеля. Например, полиуретан очень прочный и крутой диэлектрик, который вдобавок имеет свойство "запоминать" первоначальную форму. Он имеет широкий спектр применения только как внешний диэлектрик. Скрученные в виде пружины кабели для телефонных трубок - это он и есть. И конечно же бумага, из которой кабельную изоляцию делали ещё во времена Томаса Эдисона. В XXI веке бумагу применяют в очень редких аудио кабелях ручного изготовления. Это высокий хай-энд. Стоимость пары подобных 2-метровых кабелей из винтажной меди и не менее винтажной бумаги, пропитанной воском диких пчёл, плюс ручная работа в Новой Англии может превышать стоимость рояля средней руки. Так что, если вы хотите живое натуральное звучание, то у вас есть выбор!

Halogen and Halogen Free Insulation (галогенные и безгалогенные диэлектрики)

Далее разберемся с кабелями, диэлектрики которых называютcя галогеносодержащими, безгалогенными, малодымными и негорючими.

Для начала поймем, что такое галогены. Галогены - сильные окислители из 17 группы таблицы Менделеева. Это хлор, фтор, бром, йод  и другие. Если в названиях полимеров диэлектриков мы встречаем слово хлор (поливинилхлорид) или фтор (тетрафтороэтилен), то с уверенностью говорим, что это галогеносодержащие диэлектрики.  При горении они будут выделять густой и токсичный дым. Зато, эти материалы легко модифицируются для приобретения свойств негорючести и малодымности. Обычный ПВХ можно за небольшие деньги сделать негорючим FR (Flame Retardant), малодымным LS (Low Smoke), что делает его самым распространенным среди других изоляционных материалов. Следует помнить, что малодымный ПВХ выделяет меньше дыма, но дыма все же токсичного. Негорючесть ПВХ достигается наличием галогенов, которые при горении генерируют свободные радикалы, которые покидая горящий полимер, отбирают значительную часть энергии горения и тем самым не дают пламени разгореться. При отводе огня негорючий ПВХ затухает сам. Негорючий ПВХ хорошо проходит противопожарный тест UL 1581 VW-1.

Безгалогеные диэлектики - это те, у кого нет в составе хлора, фтора и брома или содержат их очень мало (<0.2%). К ним относятся полиэтилен PE, полипропилен PP, полиуретан PUR, XLPE, EVA и другие (см. таблицу вверху). При горении эти полимеры выделяют белый, не особо токсичный дым, что делает эвакуацию людей при пожаре более безопасной. Маркируются безгалогенные диэлектрики аббревиатурой ZH (Zero Halogen), HF (Halogen Free) или LH (Low Halogen); ZH полимеры могут быть модифицированы до уровня LS (Low Smoke),  что дает право аббревиатуре LSZH (малодымный и безгалогенный) быть нанесенной на оболочку кабеля. Следует принимать во внимание, что LSZH  кабели, хоть и безвредны при горении, но сами по себе горят весело и ярко. Эти кабели плохо справляются с противопожарными тестами, хоть и очень стараются. Определенные неорганические присадки, например такие, как тригидрат алюминия (ATH)  или  гидроксид магния (MDH), добавленные в безгалогенный полимер, делают его негорючим. При нагревании кабеля до +230С, минеральная добавка АТН разлагается, выделяя водяной пар, который гасит горние (для MDH температура разложения равна +330С). Около половины всех негорючих LSZH кабелей на европейском рынке имеют АТН добавку. Эта добавка неорганическая и плохо вписывается в органическую структуру полимера, что делает диэлектрик негибким, ломким, хорошо впитывающем влагу (значит менее долговечным) и дорогим. Все это следует учитывать в монтажных кабельных работах и технико-экономических обоснованиях проекта.

На американском рынке LSZH кабели менее популярны, чем в Европе. В США предпочтение отдается негорючим галогенным FRNC кабелям, которые держат удар в огневых тестах. Американцы считают, что кабель при пожаре должен как можно дольше сопротивляться горению, даря драгоценные минуты эвакуации персонала, чем сразу начать бодро гореть, выделяя немного экологически чистого дыма, состав которого одобрен Еврокомиссией. Решение тут принимает инженер, который в комплексе оценивает общую систему пожаротушения, плотность кабельных трасс, их расположение относительно путей эвакуации людей и тд. Например, в тоннелях лондонского метро все электрокабели покрыты LSZH полимерами; на подводных лодках и атомных электростанциях, где установлена мощная система пожаротушения, применяются только LSZH кабели. Тут инженеры решили, что горящие кабели легче тушить, чем потом проветривать помещение (особенно на подводной лодке). Что касается офисных зданий, которые уже напичканы самыми разными кабелями в подвесных потолках, которые в свою очередь могуг токсично дымить, прокладка нескольких гордых LSZH кабелей не сыграет важной роли. 

Итак, давайте еще раз пройдемся по аббревиатуре диэлектриков:

LS - Low Smoke, малодымный. Может быть у галогенных и безгалогенных диэлектриков; При горении выделяет малое количество дыма.

FR - Flame Retardant, негорючий (пожароустойчивый); не поддерживает горение при отводе пламени (самозатухание). В основном характеризует галогенные полимеры (PVC). У безгалогенных встречается редко (добавка ATH). Данную аббревиатуру не путать с Fire Resistance, что означает огнеупорный кабель; 

NC - Non Corrosive, некоррозивный, т.е. не выделяет при горении веществ, негативно влияющих на электронику и металлические конструкции. Не путать с защитой самого кабеля от ржавчины. 

ZH - Zero Halogen, безгалогенный диэлектрик (EVA, PUR, PE, PP, XLPE и др.) То есть тот, который не содержит хлора, фтора, брома и пр. При горении выделяет белый, малотоксичный дым. Не является негорючим. Поддерживает горение при отводе пламени.

FRNC - Flame Retardant and Non Corrosive, одновременно негорючий и некоррозивный. В основном, это - галогенный полимер. Сопротивляется горению, но, начав гореть, выделяет дым, безвредный для электронных плат и металлических конструкций. Дым густой, вреден для людей. 

FRLS - Flame Retardant and Low Smoke, негорючий и малодымный. Добавки для галогенных полимеров. Сопротивляется горению. При горении выделяет мало дыма. Дым содержит галогены.  

LSZH - Low Smoke and Zero Halogen, диэлектрик, который не содержит галогенов, малодымный. При горении выделяет малое количество дыма, в котором нет галогенов. Не является негорючим. Поддерживает горение при отводе пламени.
 
FR-LSZH - одновременно безгалогенный, малодымный и негорючий. Это свойство достигается применением неорганической негорючей добавки АТН (MDH или силиконовых добавок) в безгалогенный основной полимер, например в EVA (чаще всего, только в качестве внешней оплетки кабеля).

Исследования в области безгалогенных диэлектриков продолжается, уже есть компаунды с наночастицами и всевозможными глинами, которые обеспечивают негорючесть ZH полимеров. Но проблема гибкости, износоустойчивости и дороговизны пока не решена. Химики обещают решение этой проблемы в ближайшем будущем.    

Полезные ссылки:
Статья о негорючих добавках  (FR) в полимеры:
 
https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/el/fire_research/2-Reilly.pdf

https://www.flameretardants.eu/flame-retardants/products/

https://www.flameretardants-online.com/

https://www.clariant.com/en/Business-Units/Additives/Flame-Retardants