汽車電線熱老化壽命的研究

【摘" 要】文章借鑒對普通電線絕緣材料壽命研究的方法，根據(jù)阿倫尼烏斯理論，結合汽車電線的特殊要求，對不同材料的汽車電線熱老化壽命預測和最高使用溫度推算進行研究。對汽車電線的設計、新材料的開發(fā)及材料選用具有指導意義，也有利于汽車電線使用時的選型。

【關鍵詞】電線；絕緣材料壽命；熱老化

中圖分類號：U463.62" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）08-0043-04

Study on Thermal Aging Life of Automobile Wire

ZHANG Ning

（1. Shandong Haiyun Electric Co.，Ltd.，Weifang 262200；

2. Changsha Haiyun Auto Parts Co.，Ltd.，Changsha 410300，China）

【Abstract】According to Arrhenius theory and the special requirements of automobile wire，this paper studies the prediction of thermal aging life of automobile wire with different materials and the calculation of the maximum service temperature. It has guiding significance for the design of automobile wire，the development of new materials and the selection of materials， and is also conducive to the selection of automobile wire.

【Key words】electric wire；insulation material life；thermal aging

1" 概述

汽車電線運行過程中，受到周圍環(huán)境機械、熱、化學腐蝕以及電場等綜合作用的影響，電線絕緣的結構和功能將產生不可逆的劣化，這種過程稱為老化，電線絕緣在熱的作用下的性能退化即為熱老化。

熱老化的本質是絕緣材料的分子在熱量的影響下發(fā)生了化學變化，熱老化過程是化學變化過程。大量的實踐經(jīng)驗證明，熱老化壽命與溫度服從Arrhenius定律。因而可以用加速壽命試驗研究不同溫度下的老化壽命，或根據(jù)壽命要求研究正常工作所需要的條件。

2" 熱老化壽命預測

2.1" 熱老化

用于電纜絕緣的高分子材料在有氧存在的條件下受熱，會引起兩種反應：降解和交聯(lián)。降解引起分子量下降，使得材料的機械性能變差。交聯(lián)則引起分子量增加，交聯(lián)到一定程度之前能改善聚合物的物理機械性能和耐熱性，但隨著分子間交聯(lián)的進一步增加，聚合物逐漸變成硬、脆、不溶不熔產物。電線絕緣受熱老化，電氣和機械性能均會下降，但其伸長率、拉伸強度等機械特性的變化更為顯著。

汽車電線在使用中受到周圍環(huán)境熱的作用，尤其是布置在發(fā)動機周圍等溫度較高區(qū)域的線束，其受熱的影響更為嚴重。在車輛運行中，電線導體因承載電流而發(fā)熱，電線絕緣同時受到來自內部和外部熱因素共同作用的影響，使其壽命降低。

2.2" 熱老化壽命預測方法

目前，絕緣材料熱老化壽命的預測評估方法有兩類：常規(guī)法和基于分析法的快速評定法。常規(guī)法應用已經(jīng)成熟，國內外均有相應的標準，但試驗周期長。快速評定法已提出了40多年，雖從理論上無法建立分析法所提供的信息和材料功能性失效之間的關系，但已成功地用在了一些高分子材料的壽命評估中?？焖僭u定法的主要思想是：在較高溫度下進行加速熱老化試驗，確定壽命特征與溫度之間的關系，并以此外推，得到所要研究的溫度下的老化壽命。

2.3" 用阿倫尼烏斯方程式推算熱壽命

上文提到，絕緣的熱老化過程主要是化學變化過程。試驗表明溫度是影響化學反應十分敏感的因素。荷蘭化學家范特霍夫（J.H.Vant Hoff）根據(jù)試驗結果，總結出了一個經(jīng)驗規(guī)則：一般情況下，在一定溫度范圍內，溫度每升高10℃，反應速率大約增加到原來的2～4倍。1889年瑞典化學家阿倫尼烏斯（Arrhenius）提出了一個較為精確的描述反應速率與溫度關系的經(jīng)驗公式，即阿倫尼烏斯方程式：

K（T）=A·e-E/RT（1）

式中：K（T）——反應速率常數(shù)，min-1；A——指數(shù)因數(shù)，min-1；R——氣體常數(shù)，8.314J·mol-1·K-1；T——熱力學溫度，K；E——活化能，J/mol。

化學反應關系式表示如下：

F（t）=K（T）·t（2）

式中：F（t）——反應關系的函數(shù)；t——反應時間，min。

式（1）代入式（2），整理如下：

F（t）=A·e-E/RT·t（3）

式（3）兩端取自然對數(shù)，整理為式（4）：

lnt=R/RT+ln[F（t）/A]（4）

在絕緣熱老化過程中，當選定的材料性能（如拉伸強度、斷裂伸長率等）達到指定的失效標準時，F(xiàn)（t）為常數(shù)。將式（4）常數(shù)項合并整理為式（5），即材料的熱老化方程：

logτ=a/T+b（5）

式中：τ——材料的壽命；T——熱力學溫度；a——與活化能有關的常數(shù)（在一定的溫度范圍內，活化能可認為是不變的）；b——與規(guī)定的失效性能有關的常數(shù)。由式（5）可知，老化壽命時間的對數(shù)與熱力學溫度的倒數(shù)成線性關系，可以根據(jù)這個方程推算出不同溫度下的老化壽命。

確定材料的熱老化方程的方法有很多，例如可以利用差分掃描量熱儀（DSC）等求算活化能，然后在一個溫度點下進行加速熱老化試驗，即可計算出式（5）中a和b的值。

也可以在3個以上的溫度點做試驗，獲得各溫度老化過程中材料的性能-時間曲線。例如，可將電線試樣放入熱空氣烘箱中老化，按一定的測試周期取出一些試樣，測其斷裂伸長率，直到伸長率數(shù)值降到臨界值以下。相同的試驗在至少3個不同溫度下進行，記錄數(shù)據(jù)，并在以時間作橫坐標、伸長率作縱坐標的坐標系內描點，作曲線，即可獲得3個不同溫度下伸長率隨時間變化的曲線，如圖1所示。

根據(jù)圖1，用插入法可推算出不同溫度下材料性能達到臨界值的時間t1、t2和t3，即各溫度下的失效時間。根據(jù)所得數(shù)據(jù)，用計算機線性擬合，或最小二乘法可計算出式（5）中a和b的值。將得到的失效時間-溫度數(shù)據(jù)，以熱力學溫度的倒數(shù)（1/T）作橫坐標、時間的對數(shù)（logh）作縱坐標作圖，得到如圖2所示的阿倫尼烏斯圖。

根據(jù)圖2，可推算某特定溫度下的老化壽命。在規(guī)定了使用壽命的條件下，將這個曲線外推，還可以計算出保證絕緣材料正常工作所允許的最高溫度。

值得注意的是，外推法通常限制在最終數(shù)據(jù)點的30～40℃內，因為在高溫下的材料化學反應可能會被另一種反應逐漸代替，材料發(fā)生熱分解及防老劑發(fā)生遷移或揮發(fā)的可能性增加，從而影響試驗結果。

3" 汽車電線的熱老化壽命試驗

根據(jù)以上所述，用阿倫尼烏斯方程式推算熱壽命的原理進行下文的試驗。

3.1" 試驗前的準備

3.1.1" 制樣

試驗樣品所選用的汽車電線型號為：日標AVSS（極薄壁PVC絕緣低壓電線）0.5mm2和2.0mm2，AVSSH 0.5mm2，AEX 20mm2。對于AEX 20mm2電線，按照相關規(guī)定制成啞鈴片試樣。AVSS 0.5mm2/2.0mm2和AVSSH 0.5mm2電線外徑較小，不適合制成啞鈴片試樣，因而改用管狀試樣。制備管狀試樣時，先從整根電線上截取約150mm長的電線試樣，然后小心地將導體從電線中拔出，注意不要損壞絕緣。制備數(shù)量取決于試驗溫度的個數(shù)、為得到臨界值所需的測試次數(shù)、有關試驗方法所需的試樣數(shù)等，為保障發(fā)生某些意外的情況后能作補充試驗，通常準備比所需最小試樣總數(shù)更多的試樣。但為保障烘箱內的空氣流通順暢，放置在同一個烘箱中的試樣也不應過多。

3.1.2" 測試樣初始伸長率

取未經(jīng)老化的試樣5個，在試樣中部以50mm的間距印上標線，試樣兩端端正且牢固地安裝在拉伸試驗機的夾頭上，用50mm/min的速度進行拉伸，測量試樣拉斷時的伸長率，并記錄數(shù)據(jù)。

3.1.3" 選定試驗溫度、取樣時間和臨界值

參考各線型的長期工作溫度和一些該線型熱老化試驗的結果，選定3個老化溫度如下：AVSS 0.5mm2、2.0mm2；AVSSH 0.5mm2 110℃、120℃、130℃；AEX 20mm2 150℃、170℃、180℃。其取樣時間初步制定如下。

1）110℃（150℃）：12×24h，18×24h，22×24h，26×24h，30×24h…

2）120℃（170℃）：4×24h，8×24h，10×24h，12×24h，14×24h…

3）130℃（180℃）：4×24h，5×24h，6×24h，7×24h，8×24h…

在試驗中，若以上取樣間隔不合適，則隨時作適當調整。

在這個試驗中，失效準則選定為試樣的伸長率降低為50%，即臨界值為伸長率50%。

3.1.4" 檢查

校準溫度計，檢查烘箱、拉伸試驗機等設備工作是否正常。

3.2" 試驗

將足夠多的試樣分別放入3個不同溫度的烘箱中進行老化。按照事先制定的取樣時間，每次取出至少5個試樣。將試樣在常溫冷卻放置4h以上，但不超過96h，測試試樣的斷裂伸長率。當測得的數(shù)值降低到臨界值以下時，停止老化試驗。

3.3" 數(shù)值計算和結果分析

3.3.1" 計算各溫度下伸長率達到臨界值的時間

根據(jù)測得的數(shù)值，使用計算機軟件進行線性擬合，得到各線型的曲線如圖3～圖7所示。各線型溫度-老化時間阿倫尼烏斯擬合曲線見圖8。圖8中，橫坐標為溫度（K）倒數(shù)的104倍，縱坐標為老化時間（h）的對數(shù)。

根據(jù)各線型曲線，可推算出各溫度下，各線型伸長率達到臨界值的老化時間，見表1。

對比AVSS 0.5mm2、1.25mm2、2.0mm2的伸長率-老化時間曲線，以及表1中各溫度下老化壽命，可以看到使用同種絕緣材料的電線，其截面越大，所得到的老化壽命數(shù)據(jù)越長。這是由于在試驗中采用管狀試樣，規(guī)格較小電線試樣的表面積更大，與熱空氣接觸受到熱和氧作用的影響較大，因而在試驗中，其伸長率比規(guī)格較大電線較早達到臨界值。

3.3.2" 數(shù)據(jù)處理及分析

按式（5）對表1數(shù)據(jù)用計算機軟件進行擬合，得到各型號電線的溫度T與老化壽命τ的關系式，并由此推算出老化壽命10000h時的最高使用溫度T，如下。

1）AVSS 0.5mm2：1/T×104=20.43+2.033logτ，τ=10000h，T=350.12K（76.97℃）。

2）AVSS 1.25mm2：1/T×104=21.34+1.627logτ，τ=10000h，T=358.73K（85.58℃）。

3）AVSS 2.0mm2 ：1/T×104=19.54+2.189logτ，τ=10000h，T=344.61K（71.46℃）。

4）AVSSH 0.5mm2：1/T×104=21.53+1.580logτ，τ=10000h，T=356.91K（83.77℃）。

5）AEX 20mm2：1/T×104=20.33+0.835logτ，τ=10000h，T=422.2K（149.05℃）。

比較截面同為0.5mm2的AVSS和AVSSH電線，AVSS 0.5mm2最高使用溫度76.97℃，而AVSSH 0.5mm2最高使用溫度為83.77℃，并參照表1數(shù)據(jù)可知，使用了耐熱等級更高的PVC的AVSSH耐熱性要好于AVSS電線，但并不十分顯著。

AEX 20mm2電線的最高使用溫度149.05℃，明顯高于其它型號。AEX采用交聯(lián)聚乙烯絕緣。聚乙烯雖然有很多優(yōu)良性能，但用作電纜絕緣卻存在一些缺點：如熔點較低、易于發(fā)生環(huán)境應力開裂、在低機械應力下仍能發(fā)生蠕變變形等。交聯(lián)聚乙烯是將聚乙烯線型分子通過化學交聯(lián)或高能射線的輻照，使其轉變?yōu)榱Ⅲw網(wǎng)狀結構，從而大大提高了耐熱性和耐環(huán)境應力開裂，減少了蠕變性，并保持了聚乙烯優(yōu)良的電氣性能和化學穩(wěn)定性。由圖7可以看出，AEX 20mm2電線試樣在150℃經(jīng)過長達1000h的老化后，伸長率比原始值降低了不到10%，其耐熱性明顯好于其它幾個型號的電線。

圖8橫軸坐標點轉換為溫度值的換算見表2。

觀察圖8發(fā)現(xiàn)，AVSS和AVSSH的擬合直線斜率較為接近，而AEX的擬合直線與其他直線相距較遠，斜率較大。這是由于不同高分子材料的分子結構不同，對氧作用的反應能力也不同。

在有氧情況下，聚氯乙烯的分解和氧化兩個反應過程往往會同時進行，在氧化作用發(fā)生之前，必須有一定量的脫HCl反應先發(fā)生，也就是在氧化降解之前，熱作用下有一個感應期，分子氧在降解過程中，在某點之前并不起明顯作用。而輻照交聯(lián)聚乙烯由于飽和度提高，氧化作用更為強烈。如果不存在氧的作用，輻照交聯(lián)聚乙烯的有效使用溫度可大大提高，并能保持長的壽命。但由于熱老化過程中存在氧，輻照交聯(lián)聚乙烯在較高溫度下的使用壽命迅速降低。由圖8可知，AEX電線絕緣在提高溫度的條件下，壽命降低更快。

本文中的試驗選用日標汽車電線AVSS 0.5mm2、1.25mm2、2.0mm2，AVSSH 0.5mm2，AEX 20mm2電線作樣品，在3個不同溫度下進行熱老化，由所得數(shù)據(jù)得知，使用同種絕緣材料的電線，其截面越大，所得到的老化壽命數(shù)據(jù)越長，這是由于熱氧老化是受擴散控制的，規(guī)格較大電線試樣的單位體積接觸熱空氣的面積更小，而且絕緣材料存在熱阻，絕緣壁厚較厚的電線試樣內部的溫度與表面的差異也相對較大。

對比表1中AVSS 2.0mm2和AVSS 1.25mm2的試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2.0mm2電線各溫度下老化壽命均長于1.25mm2電線，但推算出的最高使用溫度2.0mm2電線（71.46℃）卻低于1.5mm2電線（85.58℃），見圖9。

結合阿倫尼烏斯曲線進行分析，由于在較低溫度下老化時間較長，分子擴散和遷移有更充分的時間進行，試樣內部高分子的受熱氧作用的化學反應進行得更充分，反言之，較高溫度下試樣內部化學反應進行得較不充分，而且越厚的試樣這種現(xiàn)象越明顯。因而推算出的AVSS 2.0mm2高溫下壽命數(shù)值較高，由此得到的擬合直線的斜率較低（圖10），推算出的10000h下的溫度值也較低。這個現(xiàn)象說明，試樣厚度對試驗結果具有一定的影響，制備老化壽命試驗用的試樣，應嚴格按照相關規(guī)定控制試樣厚度。這也說明外推法存在一定的偏差，通常外推法限制在一定的溫度范圍內，如需獲得更長的外推曲線，應考慮到結果的不確定因素。

4" 汽車電線熱壽命的阿倫尼烏斯圖（Ar圖）的應用

在實際的工業(yè)應用中，應綜合考慮電流引起的有害熱影響和絕緣受外界熱量的作用。

通過Ar圖可以確定不同材料不同規(guī)格的電線（電纜）在期望使用壽命條件下所允許的最高環(huán)境溫度，減去電線使用環(huán)境的熱量影響（外部熱因素），即可確定允許的電流引起的溫升，進而可以確定允許的載流量。溫升測算方法是，使電線通過穩(wěn)定的電流，當發(fā)熱和散熱達到平衡時，測量導體的實際溫度，減去試驗時的環(huán)境溫度。

在現(xiàn)實的電線（電纜）熱壽命預計中，聯(lián)合使用Ar圖和溫升圖，可以繪制出電線的載流量-環(huán)境溫度曲線。該曲線典型例子見圖10。

圖10中，縱坐標為載流量，橫坐標為環(huán)境溫度（電線外部環(huán)境溫度），曲線上的點表示不同環(huán)境溫度下允許的最大承載電流。載流量-環(huán)境溫度曲線結合了Ar圖和電線的溫升圖，在確定了電氣載荷、環(huán)境條件和期望使用壽命的情況下，可以用來選擇合適的絕緣材料和電纜尺寸。

5" 總結

本文中的試驗選用日標汽車電線AVSS 0.5mm2、1.25mm2、2.0mm2，AVSSH 0.5mm2，AEX 20mm2電線作樣品，在3個不同溫度下進行熱老化試驗，根據(jù)阿倫尼烏斯方程，推算了其最高使用溫度，并探討了熱老化壽命曲線的實際應用。

根據(jù)老化壽命曲線可知，使用同種絕緣材料的電線，其截面越大所得到的老化壽命數(shù)據(jù)越長，但規(guī)格不同所造成的數(shù)據(jù)差異并不顯著，參見圖8。使用了耐熱等級更高的PVC的AVSSH的耐熱性要好于AVSS電線。而AEX 20mm2電線試樣在150℃經(jīng)過長達1000h的老化后，伸長率比原始值降低了不到10%，其耐熱性明顯好于其它幾個型號的電線。

根據(jù)所得的允許最高使用溫度，結合相應規(guī)格導線的溫升數(shù)據(jù)以及電線使用環(huán)境的溫度，即可確定電線允許的連續(xù)載流量。值得注意的是，這個方法適用于靜態(tài)的環(huán)境，即電線承載的電流和環(huán)境溫度較為穩(wěn)定的情況，為保證電線在過載電流情況下的安全使用，必須應用其它方法綜合考慮。

本文挑選了日標汽車電線的幾個型號進行試驗，今后將選取日標、美標、德標等各標準有代表性的多個規(guī)格和型號的電線進行熱老化壽命試驗，依據(jù)更加全面和詳盡的數(shù)據(jù)，消除偶然因素的影響，以發(fā)現(xiàn)更具普遍性的規(guī)律，對保證汽車電線的安全運行具有參考價值。這些數(shù)據(jù)也為電線熱性能的評估提供了豐富的數(shù)據(jù)資料，對汽車電線的設計和選擇、新材料的開發(fā)與應用具有重要的指導意義。

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