【摘" 要】文章借鑒對(duì)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(jié)合汽車電線的特殊要求，對(duì)不同材料的汽車電線熱老化壽命預(yù)測和最高使用溫度推算進(jìn)行研究。對(duì)汽車電線的設(shè)計(jì)、新材料的開發(fā)及材料選用具有指導(dǎo)意義，也有利于汽車電線使用時(shí)的選型。

【關(guān)鍵詞】電線；絕緣材料壽命；熱老化

中圖分類號(hào)：U463.62" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：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(yùn)行過程中，受到周圍環(huán)境機(jī)械、熱、化學(xué)腐蝕以及電場等綜合作用的影響，電線絕緣的結(jié)構(gòu)和功能將產(chǎn)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(zhì)是絕緣材料的分子在熱量的影響下發(fā)生了化學(xué)變化，熱老化過程是化學(xué)變化過程。大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(yù)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(huì)引起兩種反應(yīng)：降解和交聯(lián)。降解引起分子量下降，使得材料的機(jī)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(jī)械性能和耐熱性，但隨著分子間交聯(lián)的進(jìn)一步增加，聚合物逐漸變成硬、脆、不溶不熔產(chǎn)物。電線絕緣受熱老化，電氣和機(jī)械性能均會(huì)下降，但其伸長率、拉伸強(qiáng)度等機(jī)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(dòng)機(jī)周圍等溫度較高區(qū)域的線束，其受熱的影響更為嚴(yán)重。在車輛運(yùn)行中，電線導(dǎo)體因承載電流而發(fā)熱，電線絕緣同時(shí)受到來自內(nèi)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(yù)測方法

目前，絕緣材料熱老化壽命的預(yù)測評(píng)估方法有兩類：常規(guī)法和基于分析法的快速評(píng)定法。常規(guī)法應(yīng)用已經(jīng)成熟，國內(nèi)外均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但試驗(yàn)周期長。快速評(píng)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(guān)系，但已成功地用在了一些高分子材料的壽命評(píng)估中?？焖僭u(píng)定法的主要思想是：在較高溫度下進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)，確定壽命特征與溫度之間的關(guān)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(xué)變化過程。試驗(yàn)表明溫度是影響化學(xué)反應(yīng)十分敏感的因素。荷蘭化學(xué)家范特霍夫（J.H.Vant Hoff）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：一般情況下，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，反應(yīng)速率大約增加到原來的2～4倍。1889年瑞典化學(xué)家阿倫尼烏斯（Arrhenius）提出了一個(gè)較為精確的描述反應(yīng)速率與溫度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，即阿倫尼烏斯方程式：

K（T）=A·e-E/RT（1）

式中：K（T）——反應(yīng)速率常數(shù)，min-1；A——指數(shù)因數(shù)，min-1；R——?dú)怏w常數(shù)，8.314J·mol-1·K-1；T——熱力學(xué)溫度，K；E——活化能，J/mol。

化學(xué)反應(yīng)關(guān)系式表示如下：

F（t）=K（T）·t（2）

式中：F（t）——反應(yīng)關(guān)系的函數(shù)；t——反應(yīng)時(shí)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(duì)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(dāng)選定的材料性能（如拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等）達(dá)到指定的失效標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，F(xiàn)（t）為常數(shù)。將式（4）常數(shù)項(xiàng)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(xué)溫度；a——與活化能有關(guān)的常數(shù)（在一定的溫度范圍內(nèi)，活化能可認(rèn)為是不變的）；b——與規(guī)定的失效性能有關(guān)的常數(shù)。由式（5）可知，老化壽命時(shí)間的對(duì)數(shù)與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)成線性關(guān)系，可以根據(jù)這個(gè)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(gè)溫度點(diǎn)下進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)，即可計(jì)算出式（5）中a和b的值。

也可以在3個(gè)以上的溫度點(diǎn)做試驗(yàn)，獲得各溫度老化過程中材料的性能-時(shí)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(yàn)在至少3個(gè)不同溫度下進(jìn)行，記錄數(shù)據(jù)，并在以時(shí)間作橫坐標(biāo)、伸長率作縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系內(nèi)描點(diǎn)，作曲線，即可獲得3個(gè)不同溫度下伸長率隨時(shí)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(dá)到臨界值的時(shí)間t1、t2和t3，即各溫度下的失效時(shí)間。根據(jù)所得數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)線性擬合，或最小二乘法可計(jì)算出式（5）中a和b的值。將得到的失效時(shí)間-溫度數(shù)據(jù)，以熱力學(xué)溫度的倒數(shù)（1/T）作橫坐標(biāo)、時(shí)間的對(duì)數(shù)（logh）作縱坐標(biāo)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(gè)曲線外推，還可以計(jì)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(diǎn)的30～40℃內(nèi)，因?yàn)樵诟邷叵碌牟牧匣瘜W(xué)反應(yīng)可能會(huì)被另一種反應(yīng)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(yàn)結(jié)果。

3" 汽車電線的熱老化壽命試驗(yàn)

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(jìn)行下文的試驗(yàn)。

3.1" 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

3.1.1" 制樣

試驗(yàn)樣品所選用的汽車電線型號(hào)為：日標(biāo)AVSS（極薄壁PVC絕緣低壓電線）0.5mm2和2.0mm2，AVSSH 0.5mm2，AEX 20mm2。對(duì)于AEX 20mm2電線，按照相關(guān)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(shí)，先從整根電線上截取約150mm長的電線試樣，然后小心地將導(dǎo)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(yàn)溫度的個(gè)數(shù)、為得到臨界值所需的測試次數(shù)、有關(guān)試驗(yàn)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(bǔ)充試驗(yàn)，通常準(zhǔn)備比所需最小試樣總數(shù)更多的試樣。但為保障烘箱內(nèi)的空氣流通順暢，放置在同一個(gè)烘箱中的試樣也不應(yīng)過多。

3.1.2" 測試樣初始伸長率

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

3.1.3" 選定試驗(yàn)溫度、取樣時(shí)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(yàn)的結(jié)果，選定3個(gè)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(shí)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(yàn)中，若以上取樣間隔不合適，則隨時(shí)作適當(dāng)調(diào)整。

在這個(gè)試驗(yàn)中，失效準(zhǔn)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(zhǔn)溫度計(jì)，檢查烘箱、拉伸試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備工作是否正常。

3.2" 試驗(yàn)

將足夠多的試樣分別放入3個(gè)不同溫度的烘箱中進(jìn)行老化。按照事先制定的取樣時(shí)間，每次取出至少5個(gè)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(dāng)測得的數(shù)值降低到臨界值以下時(shí)，停止老化試驗(yàn)。

3.3" 數(shù)值計(jì)算和結(jié)果分析

3.3.1" 計(jì)算各溫度下伸長率達(dá)到臨界值的時(shí)間

根據(jù)測得的數(shù)值，使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)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(shí)間阿倫尼烏斯擬合曲線見圖8。圖8中，橫坐標(biāo)為溫度（K）倒數(shù)的104倍，縱坐標(biāo)為老化時(shí)間（h）的對(duì)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(dá)到臨界值的老化時(shí)間，見表1。

對(duì)比AVSS 0.5mm2、1.25mm2、2.0mm2的伸長率-老化時(shí)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(yàn)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(yàn)中，其伸長率比規(guī)格較大電線較早達(dá)到臨界值。

3.3.2" 數(shù)據(jù)處理及分析

按式（5）對(duì)表1數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行擬合，得到各型號(hào)電線的溫度T與老化壽命τ的關(guān)系式，并由此推算出老化壽命10000h時(shí)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(jí)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(hào)。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(diǎn)：如熔點(diǎn)較低、易于發(fā)生環(huán)境應(yīng)力開裂、在低機(jī)械應(yīng)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(xué)交聯(lián)或高能射線的輻照，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而大大提高了耐熱性和耐環(huán)境應(yīng)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(xué)穩(wěn)定性。由圖7可以看出，AEX 20mm2電線試樣在150℃經(jīng)過長達(dá)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(gè)型號(hào)的電線。

圖8橫軸坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)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(yuǎn)，斜率較大。這是由于不同高分子材料的分子結(jié)構(gòu)不同，對(duì)氧作用的反應(yīng)能力也不同。

在有氧情況下，聚氯乙烯的分解和氧化兩個(gè)反應(yīng)過程往往會(huì)同時(shí)進(jìn)行，在氧化作用發(fā)生之前，必須有一定量的脫HCl反應(yīng)先發(fā)生，也就是在氧化降解之前，熱作用下有一個(gè)感應(yīng)期，分子氧在降解過程中，在某點(diǎn)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(qiáng)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(yàn)選用日標(biāo)汽車電線AVSS 0.5mm2、1.25mm2、2.0mm2，AVSSH 0.5mm2，AEX 20mm2電線作樣品，在3個(gè)不同溫度下進(jìn)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(kuò)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(nèi)部的溫度與表面的差異也相對(duì)較大。

對(duì)比表1中AVSS 2.0mm2和AVSS 1.25mm2的試驗(yàn)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(jié)合阿倫尼烏斯曲線進(jìn)行分析，由于在較低溫度下老化時(shí)間較長，分子擴(kuò)散和遷移有更充分的時(shí)間進(jìn)行，試樣內(nèi)部高分子的受熱氧作用的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得更充分，反言之，較高溫度下試樣內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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(gè)現(xiàn)象說明，試樣厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有一定的影響，制備老化壽命試驗(yàn)用的試樣，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)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(nèi)，如需獲得更長的外推曲線，應(yīng)考慮到結(jié)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(yīng)用

在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，應(yīng)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(jìn)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(dāng)發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡時(shí)，測量導(dǎo)體的實(shí)際溫度，減去試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度。

在現(xiàn)實(shí)的電線（電纜）熱壽命預(yù)計(jì)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(biāo)為載流量，橫坐標(biāo)為環(huán)境溫度（電線外部環(huán)境溫度），曲線上的點(diǎn)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(jié)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(jié)

本文中的試驗(yàn)選用日標(biāo)汽車電線AVSS 0.5mm2、1.25mm2、2.0mm2，AVSSH 0.5mm2，AEX 20mm2電線作樣品，在3個(gè)不同溫度下進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，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(shí)際應(yīng)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(jí)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(dá)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(gè)型號(hào)的電線。

根據(jù)所得的允許最高使用溫度，結(jié)合相應(yīng)規(guī)格導(dǎo)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(gè)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(yīng)用其它方法綜合考慮。

本文挑選了日標(biāo)汽車電線的幾個(gè)型號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)，今后將選取日標(biāo)、美標(biāo)、德標(biāo)等各標(biāo)準(zhǔn)有代表性的多個(gè)規(guī)格和型號(hào)的電線進(jìn)行熱老化壽命試驗(yàn)，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(duì)保證汽車電線的安全運(yùn)行具有參考價(jià)值。這些數(shù)據(jù)也為電線熱性能的評(píng)估提供了豐富的數(shù)據(jù)資料，對(duì)汽車電線的設(shè)計(jì)和選擇、新材料的開發(fā)與應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

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（編輯" 凌" 波）