文/量子化學(xué)有限公司/Ndiba Dioh/Jeff Borke

譯/北京斯普樂電線電纜有限公司/陳果

1 介紹

在電線電纜耐磨方面，已經(jīng)有過許多研究，特別是在汽車行業(yè)和石油開采業(yè)，在近海石油工業(yè)中，電纜必須能夠抵御來自延伸到井里面的檢測工具的破壞。在汽車工業(yè)，耐磨要求處理主要是由于電線線束安裝或組裝的需要；為了避免由于直接或者間接的耐磨原因?qū)е码娋€絕緣破壞使設(shè)計(jì)失效。理解耐磨的機(jī)理涉及到的每一個具體的系統(tǒng)是非常重要的。這通常涉及不同假定條件下的機(jī)械測試模型，例如：電纜與鋒利物體的刮擦。刮針和砂帶磨損試驗(yàn)這兩種測試方法被使用。

22AWG交聯(lián)聚烯烴（ XLPE） 絕緣厚度為16mil（0.41mm）的標(biāo)準(zhǔn)尺寸電線被用在汽車引擎蓋下，諸如此類結(jié)構(gòu)的電線已經(jīng)符合所有的已經(jīng)成功運(yùn)行20多年的美國汽車工程規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)包括砂帶耐磨試驗(yàn)，XLPE結(jié)構(gòu)均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。然而，在國際市場，XLPE 絕緣電線采用鋼針進(jìn)行耐磨測試的性能指標(biāo)一直不能令人滿意，已經(jīng)得到證實(shí)。

在本文中，我們涉及開發(fā)一個應(yīng)用在汽車引擎蓋下，滿足鋼針耐磨要求的系統(tǒng)。任何給定的電線電纜系統(tǒng)的鋼針耐磨性能指標(biāo)能夠通過增加絕緣厚度來實(shí)現(xiàn)，成本、重量、空間的限制通常會限制采用增加絕緣厚度這種途徑。在本文中，一個XLPE，HDPE電線的鋼針耐磨機(jī)構(gòu)研究已經(jīng)實(shí)施；其目的是為探索開發(fā)一種在給定的絕緣厚度，不犧牲性能指標(biāo)，采用共擠技術(shù)的方式來提高刮針耐磨性能的這種可能性。

只要知道一些材料的基本力學(xué)性能，就可以用來預(yù)測任何給定的高分子材料制成的電纜的磨損性能的這種方法被提出。

2 實(shí)驗(yàn)

本文研究的相關(guān)原材料的屬性包含在表1中，表中的兩種樹脂均由量子化工（Equistar chemicals LP）生產(chǎn)，不同的是分別應(yīng)用于通信電纜和汽車電線電纜，樣品A是高密度聚乙烯樹脂，具有較低的收縮性能，適合用作通信電纜的絕緣層，樣品B是無鹵阻燃交聯(lián)聚烯烴混合物，適合用于低壓汽車電線電纜絕緣。XLPE樣品含有機(jī)無鹵阻燃劑填充劑，兩種樹脂采用傳統(tǒng)的擠出設(shè)備進(jìn)行加工。然而，對于樣品B，需要有連續(xù)交聯(lián)管道。對于樣品A和B，加工的融化溫度大約分別是253℃和122℃。

耐刮針磨試驗(yàn)設(shè)備采用的是TVAB型試驗(yàn)儀器，刮針耐磨試驗(yàn)設(shè)備的鋼針直徑為45mil (1.14mm)，如圖1所示，鋼針的縱軸方向垂直于測試電線的方向，當(dāng)線夾第一次夾住電線放下后試驗(yàn)開始，鋼針以60Hz的頻率，25.4mm的振幅來回擺動。如圖1所示，試驗(yàn)時在鋼針上施加7N的荷載到絕緣上，電線的耐磨性能決定于電線絕緣被鋼針磨破后接觸時擺動的次數(shù)，電線在導(dǎo)體與鋼針之間短路后設(shè)備自動停止計(jì)數(shù)，現(xiàn)行的鋼針耐磨試驗(yàn)技術(shù)要求是超過200次后失效。

本次研究的所有電線是以548.64m/min的速度在普通生產(chǎn)線上生產(chǎn)，對于共擠樣品，采用兩個步驟，第一步在連續(xù)交聯(lián)生產(chǎn)線上擠出10mil(0.25mm)厚的22AWG的XLPE絕緣結(jié)構(gòu)。電線成圈，下一步在外面擠出一層3mil(0.08mm)厚的HDPE。

表1 目前研究的樹脂的機(jī)械性能

3 結(jié)果與討論

XLPE,HDPE和共擠結(jié)構(gòu)樣品的耐刮針磨試驗(yàn)結(jié)論如圖2所示，從圖2中可以得出下列令人關(guān)注的觀察結(jié)果：

（1） 16mil（0.41mm）厚HDPE樣品1363次刮磨后失效，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于要求的200次，因此，相同的絕緣厚度，相比XLPE 樣品而言，HDPE有的刮針耐磨性能大大優(yōu)于XLPE樣品。

（2）絕緣厚度為 13mil(0.33mm)的共擠結(jié)構(gòu)的樣品經(jīng)過843次刮磨后失效。符合200次的要求；事實(shí)上,在如此薄的絕緣厚度里， 正如第2部分所提到的， 多層結(jié)構(gòu)包含由10mil (0.25mm)厚XLPE的內(nèi)層絕緣和3mil (0.08mm)厚HDPE外層絕緣 。 值 得 關(guān) 注 的 是10Mil(0.25mm)厚的XLPE 絕緣樣品經(jīng)過45次刮磨后失效 和3Mil(0.08mm)厚 的HDPE絕緣樣品經(jīng)過5次刮磨后失效，然而，這種組合的系統(tǒng)是比任何單個自身結(jié)構(gòu)更有耐磨的效果。

（3）正如我們預(yù)料的一樣，耐刮磨性能與絕緣厚度有關(guān)，薄絕緣比厚絕緣的耐磨性能差。

絕緣厚度均為16mil(0.41mm)時，HDPE結(jié)構(gòu)比XLPE結(jié)構(gòu)在某種程度上性能優(yōu)異的一種解釋是兩種樹脂中具有的柔量不同，如表1所示，HDPE樹脂有較低的柔量，經(jīng)過測試過程顯示，由于施加相同的7N的力，鋼針在XLPE絕緣中穿透得更深。因此，當(dāng)鋼針來回擺動時，更容易導(dǎo)致XLPE絕緣層的破壞，由此看來，采用小直徑的鋼針應(yīng)該會增加破壞的效果和增加磨損率，這是因?yàn)閮蓚€鋼針的法向力相同， 細(xì)鋼針的絕緣上承受更高的應(yīng)力，滲透到絕緣的更深處，因此產(chǎn)生更大的破壞，獲得的數(shù)據(jù)顯示，細(xì)鋼針具有很高的磨損率，如圖3所示。電線的柔量在耐磨機(jī)理中扮演一個重要的角色。

HDPE絕緣電線比XLPE絕緣耐磨性能更優(yōu)異的更進(jìn)一步的解釋是相互的摩擦機(jī)理明顯不同。 絕緣厚度均為16mil(0.41mm) 的XLPE絕緣樣品和HDPE樣品的電子掃描顯微鏡刮磨面的圖片如圖4和圖5所示。

圖4和圖5是經(jīng)過5次刮磨測試后電子顯微鏡顯示的圖片，可以看到，兩種電線表現(xiàn)出高分子材料在嚴(yán)重的磨損時的典型的脊線模式[1]。它的特征是一系列的成直角的滑動方向的凸脊，鋼針在絕緣上來回擺動，磨損主要是發(fā)生在山脊底部的裂紋擴(kuò)展，在這個過程中，微小規(guī)模的斷裂過程發(fā)生。包括相當(dāng)大的碎料從凸脊的邊緣分離。在高填充的混合物中，由于其磨損特性，分離的碎片更容易導(dǎo)致更嚴(yán)重的磨損[2]。

由此可得出具有較好的抵御裂紋擴(kuò)展的材料很有可能會具有較好的耐刮磨性，因此，雖然XLPE和HDPE體現(xiàn)出類似磨損模式（至少在測試的初始階段），HDPE的裂紋擴(kuò)展性能優(yōu)于高填充的XLPE，導(dǎo)致具有更好的耐刮磨性能。

圖6是經(jīng)過5次刮磨后采用共擠工藝樣品的電子顯微圖片。與單層絕緣層結(jié)構(gòu)不同，共擠樣品的表面經(jīng)過5次刮磨后無明顯的破壞。使用HDPE絕緣的表面優(yōu)于XLPE絕緣表面，因此，延長了對絕緣表面初始階段的破壞，以致觀察到耐刮磨性能提高，盡管存在于復(fù)合絕緣層結(jié)構(gòu)的機(jī)理還沒有完全弄明白。可以認(rèn)為與存在于絕緣內(nèi)外表面的破壞區(qū)域有關(guān)[3]。

在鋼針刮磨測試過程中，施加在絕緣表面的法向力在鋼針與絕緣接觸面堅(jiān)硬材料處產(chǎn)生一個破壞區(qū)，這個法向力在電線的導(dǎo)體與絕緣內(nèi)側(cè)也產(chǎn)生另外一個破壞區(qū)（圖7）。由于絕緣厚度變薄，內(nèi)外破壞區(qū)域重疊，結(jié)果，位于導(dǎo)體和測試電線絕緣之間的大部分材料超過本身的屈服點(diǎn)，體現(xiàn)出很低的彈性模量，很高的柔量，結(jié)果是鋼針深深地滲透進(jìn)絕緣，導(dǎo)致絕緣產(chǎn)生更嚴(yán)重的破壞。顯然，絕緣厚度達(dá)到某個數(shù)值，內(nèi)外破壞區(qū)域?qū)⒅丿B，導(dǎo)致嚴(yán)重的磨損破壞，表現(xiàn)出高的磨損率，這在表8的數(shù)據(jù)中已經(jīng)得到證實(shí)。在目前試驗(yàn)中，薄絕緣的樣品表現(xiàn)出的磨損率至少比厚絕緣樣品高一個數(shù)量級。值得注意的是，在XPLE外面擠出一層HDPE，這種共擠結(jié)構(gòu)的磨損率與相同絕緣厚度單一HDPE結(jié)構(gòu)磨損率類似。

給出一個準(zhǔn)確的計(jì)算鋼針刮磨破壞區(qū)域大小的計(jì)算模型是很困難的，需要采用數(shù)據(jù)有限元或有限體積方法。然而，為比較材料的相關(guān)性能，采用塑性區(qū)域大小作為破壞區(qū)域的缺陷的尺寸標(biāo)志。塑性區(qū)定義為裂縫末端周圍的材料屈服可以預(yù)測的區(qū)域[4]。

在等式（1）中，Rp為塑料破壞區(qū)的尺寸，E，Gc和σ y分別為材料本身的楊氏模量、能量釋放率和屈服應(yīng)力。能量釋放率是一個測量材料的斷裂韌度測量數(shù)值。參數(shù)Rp，取決于單個材料的柔量數(shù)值，韌性和材料的屈服應(yīng)力值，鋼針刮磨的這些機(jī)械特性綜合影響可以通過分析耐磨試驗(yàn)中塑性區(qū)域的尺寸來研究。

許多常見的高分子材料的E，Gc和σ y在文獻(xiàn)中也很容易查到, 鋼針耐磨數(shù)據(jù)已經(jīng)獲得。圖9是所研究的聚合物計(jì)算塑性區(qū)尺寸。圖10是相應(yīng)材料采用絕緣厚度為10mil(0.25mm) 22AWG電線的剛針刮磨的試驗(yàn)值，顯然，像 PVC,聚丙烯和尼龍具有很小的塑性區(qū)尺寸，體現(xiàn)出比較好的鋼針耐磨性能。鋼針耐磨性能能夠通過一個參數(shù)Rp來預(yù)測，Rp主要與材料的柔量，韌性，屈服應(yīng)力有關(guān)。這與應(yīng)用在目前工作的結(jié)論一致，目前工作結(jié)論表明材料的柔量，韌性影響XLPE和HDPE絕緣電線的鋼針刮磨性能。

圖9和圖10所反映的結(jié)果是由上述列出的材料機(jī)械特性和每個特性與耐磨性的關(guān)系得出的。結(jié)果表明鋼針耐磨性能與單個機(jī)械性能存在關(guān)聯(lián)，然而，最恰當(dāng)?shù)南嗷リP(guān)系是將上述所有機(jī)械特性都集中體現(xiàn)在塑性區(qū)域這個定義中。

4 結(jié)論

研究數(shù)據(jù)表明XLPE 絕緣電線的刮針耐磨性能差的缺點(diǎn)能夠通過在單個XLPE絕緣層結(jié)構(gòu)外面擠出一層HDPE外層來解決，刮針耐磨性的這項(xiàng)改進(jìn)歸咎于對撕裂機(jī)理臨時抑制，否則會迅速磨損。另外，研究表明，高分子材料電線絕緣的磨損率與絕緣厚度緊密關(guān)聯(lián)，薄絕緣相對于厚絕緣而言體現(xiàn)出較高的磨損。最后，結(jié)論顯示，單一參數(shù)如塑性區(qū)域尺寸與絕緣材料的剛度，韌性，屈服應(yīng)力有關(guān)，塑性區(qū)域尺寸能夠用來預(yù)測刮針耐磨性能。

[1]Andrews E H.Developments in Polymer Fracture[M].London:Applied Science Publishers Ltd,1979:173.

[2]Symonds N,Mellor B G.Polymeric coatings for impact and wear resistance[J].Wear, 1999,111(1):225-229.

[3]Kinloch A J,Young R J. Fracture behavior of polymers[M].London: Applied Science Publishers,1983:91.

[4]Howatson A M,Lund P G,Todd J D.Engineering tables and data[M]. 2nd ed.London: Chapman and Hall,1991.