汽车电线热老化寿命的研究

【摘" 要】文章借鉴对普通电线绝缘材料寿命研究的方法，根据阿伦尼乌斯理论，结合汽车电线的特殊要求，对不同材料的汽车电线热老化寿命预测和最高使用温度推算进行研究。对汽车电线的设计、新材料的开发及材料选用具有指导意义，也有利于汽车电线使用时的选型。

【关键词】电线；绝缘材料寿命；热老化

中图分类号：U463.62" " 文献标识码：A" " 文章编号：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

汽车电线运行过程中，受到周围环境机械、热、化学腐蚀以及电场等综合作用的影响，电线绝缘的结构和功能将产生不可逆的劣化，这种过程称为老化，电线绝缘在热的作用下的性能退化即为热老化。

热老化的本质是绝缘材料的分子在热量的影响下发生了化学变化，热老化过程是化学变化过程。大量的实践经验证明，热老化寿命与温度服从Arrhenius定律。因而可以用加速寿命试验研究不同温度下的老化寿命，或根据寿命要求研究正常工作所需要的条件。

2" 热老化寿命预测

2.1" 热老化

用于电缆绝缘的高分子材料在有氧存在的条件下受热，会引起两种反应：降解和交联。降解引起分子量下降，使得材料的机械性能变差。交联则引起分子量增加，交联到一定程度之前能改善聚合物的物理机械性能和耐热性，但随着分子间交联的进一步增加，聚合物逐渐变成硬、脆、不溶不熔产物。电线绝缘受热老化，电气和机械性能均会下降，但其伸长率、拉伸强度等机械特性的变化更为显著。

汽车电线在使用中受到周围环境热的作用，尤其是布置在发动机周围等温度较高区域的线束，其受热的影响更为严重。在车辆运行中，电线导体因承载电流而发热，电线绝缘同时受到来自内部和外部热因素共同作用的影响，使其寿命降低。

2.2" 热老化寿命预测方法

目前，绝缘材料热老化寿命的预测评估方法有两类：常规法和基于分析法的快速评定法。常规法应用已经成熟，国内外均有相应的标准，但试验周期长。快速评定法已提出了40多年，虽从理论上无法建立分析法所提供的信息和材料功能性失效之间的关系，但已成功地用在了一些高分子材料的寿命评估中。快速评定法的主要思想是：在较高温度下进行加速热老化试验，确定寿命特征与温度之间的关系，并以此外推，得到所要研究的温度下的老化寿命。

2.3" 用阿伦尼乌斯方程式推算热寿命

上文提到，绝缘的热老化过程主要是化学变化过程。试验表明温度是影响化学反应十分敏感的因素。荷兰化学家范特霍夫（J.H.Vant Hoff）根据试验结果，总结出了一个经验规则：一般情况下，在一定温度范围内，温度每升高10℃，反应速率大约增加到原来的2～4倍。1889年瑞典化学家阿伦尼乌斯（Arrhenius）提出了一个较为精确的描述反应速率与温度关系的经验公式，即阿伦尼乌斯方程式：

K（T）=A·e-E/RT（1）

式中：K（T）——反应速率常数，min-1；A——指数因数，min-1；R——气体常数，8.314J·mol-1·K-1；T——热力学温度，K；E——活化能，J/mol。

化学反应关系式表示如下：

F（t）=K（T）·t（2）

式中：F（t）——反应关系的函数；t——反应时间，min。

式（1）代入式（2），整理如下：

F（t）=A·e-E/RT·t（3）

式（3）两端取自然对数，整理为式（4）：

lnt=R/RT+ln[F（t）/A]（4）

在绝缘热老化过程中，当选定的材料性能（如拉伸强度、断裂伸长率等）达到指定的失效标准时，F（t）为常数。将式（4）常数项合并整理为式（5），即材料的热老化方程：

logτ=a/T+b（5）

式中：τ——材料的寿命；T——热力学温度；a——与活化能有关的常数（在一定的温度范围内，活化能可认为是不变的）；b——与规定的失效性能有关的常数。由式（5）可知，老化寿命时间的对数与热力学温度的倒数成线性关系，可以根据这个方程推算出不同温度下的老化寿命。

确定材料的热老化方程的方法有很多，例如可以利用差分扫描量热仪（DSC）等求算活化能，然后在一个温度点下进行加速热老化试验，即可计算出式（5）中a和b的值。

也可以在3个以上的温度点做试验，获得各温度老化过程中材料的性能-时间曲线。例如，可将电线试样放入热空气烘箱中老化，按一定的测试周期取出一些试样，测其断裂伸长率，直到伸长率数值降到临界值以下。相同的试验在至少3个不同温度下进行，记录数据，并在以时间作横坐标、伸长率作纵坐标的坐标系内描点，作曲线，即可获得3个不同温度下伸长率随时间变化的曲线，如图1所示。

根据图1，用插入法可推算出不同温度下材料性能达到临界值的时间t1、t2和t3，即各温度下的失效时间。根据所得数据，用计算机线性拟合，或最小二乘法可计算出式（5）中a和b的值。将得到的失效时间-温度数据，以热力学温度的倒数（1/T）作横坐标、时间的对数（logh）作纵坐标作图，得到如图2所示的阿伦尼乌斯图。

根据图2，可推算某特定温度下的老化寿命。在规定了使用寿命的条件下，将这个曲线外推，还可以计算出保证绝缘材料正常工作所允许的最高温度。

值得注意的是，外推法通常限制在最终数据点的30～40℃内，因为在高温下的材料化学反应可能会被另一种反应逐渐代替，材料发生热分解及防老剂发生迁移或挥发的可能性增加，从而影响试验结果。

3" 汽车电线的热老化寿命试验

根据以上所述，用阿伦尼乌斯方程式推算热寿命的原理进行下文的试验。

3.1" 试验前的准备

3.1.1" 制样

试验样品所选用的汽车电线型号为：日标AVSS（极薄壁PVC绝缘低压电线）0.5mm2和2.0mm2，AVSSH 0.5mm2，AEX 20mm2。对于AEX 20mm2电线，按照相关规定制成哑铃片试样。AVSS 0.5mm2/2.0mm2和AVSSH 0.5mm2电线外径较小，不适合制成哑铃片试样，因而改用管状试样。制备管状试样时，先从整根电线上截取约150mm长的电线试样，然后小心地将导体从电线中拔出，注意不要损坏绝缘。制备数量取决于试验温度的个数、为得到临界值所需的测试次数、有关试验方法所需的试样数等，为保障发生某些意外的情况后能作补充试验，通常准备比所需最小试样总数更多的试样。但为保障烘箱内的空气流通顺畅，放置在同一个烘箱中的试样也不应过多。

3.1.2" 测试样初始伸长率

取未经老化的试样5个，在试样中部以50mm的间距印上标线，试样两端端正且牢固地安装在拉伸试验机的夹头上，用50mm/min的速度进行拉伸，测量试样拉断时的伸长率，并记录数据。

3.1.3" 选定试验温度、取样时间和临界值

参考各线型的长期工作温度和一些该线型热老化试验的结果，选定3个老化温度如下：AVSS 0.5mm2、2.0mm2；AVSSH 0.5mm2 110℃、120℃、130℃；AEX 20mm2 150℃、170℃、180℃。其取样时间初步制定如下。

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…

在试验中，若以上取样间隔不合适，则随时作适当调整。

在这个试验中，失效准则选定为试样的伸长率降低为50%，即临界值为伸长率50%。

3.1.4" 检查

校准温度计，检查烘箱、拉伸试验机等设备工作是否正常。

3.2" 试验

将足够多的试样分别放入3个不同温度的烘箱中进行老化。按照事先制定的取样时间，每次取出至少5个试样。将试样在常温冷却放置4h以上，但不超过96h，测试试样的断裂伸长率。当测得的数值降低到临界值以下时，停止老化试验。

3.3" 数值计算和结果分析

3.3.1" 计算各温度下伸长率达到临界值的时间

根据测得的数值，使用计算机软件进行线性拟合，得到各线型的曲线如图3～图7所示。各线型温度-老化时间阿伦尼乌斯拟合曲线见图8。图8中，横坐标为温度（K）倒数的104倍，纵坐标为老化时间（h）的对数。

根据各线型曲线，可推算出各温度下，各线型伸长率达到临界值的老化时间，见表1。

对比AVSS 0.5mm2、1.25mm2、2.0mm2的伸长率-老化时间曲线，以及表1中各温度下老化寿命，可以看到使用同种绝缘材料的电线，其截面越大，所得到的老化寿命数据越长。这是由于在试验中采用管状试样，规格较小电线试样的表面积更大，与热空气接触受到热和氧作用的影响较大，因而在试验中，其伸长率比规格较大电线较早达到临界值。

3.3.2" 数据处理及分析

按式（5）对表1数据用计算机软件进行拟合，得到各型号电线的温度T与老化寿命τ的关系式，并由此推算出老化寿命10000h时的最高使用温度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℃）。

比较截面同为0.5mm2的AVSS和AVSSH电线，AVSS 0.5mm2最高使用温度76.97℃，而AVSSH 0.5mm2最高使用温度为83.77℃，并参照表1数据可知，使用了耐热等级更高的PVC的AVSSH耐热性要好于AVSS电线，但并不十分显著。

AEX 20mm2电线的最高使用温度149.05℃，明显高于其它型号。AEX采用交联聚乙烯绝缘。聚乙烯虽然有很多优良性能，但用作电缆绝缘却存在一些缺点：如熔点较低、易于发生环境应力开裂、在低机械应力下仍能发生蠕变变形等。交联聚乙烯是将聚乙烯线型分子通过化学交联或高能射线的辐照，使其转变为立体网状结构，从而大大提高了耐热性和耐环境应力开裂，减少了蠕变性，并保持了聚乙烯优良的电气性能和化学稳定性。由图7可以看出，AEX 20mm2电线试样在150℃经过长达1000h的老化后，伸长率比原始值降低了不到10%，其耐热性明显好于其它几个型号的电线。

图8横轴坐标点转换为温度值的换算见表2。

观察图8发现，AVSS和AVSSH的拟合直线斜率较为接近，而AEX的拟合直线与其他直线相距较远，斜率较大。这是由于不同高分子材料的分子结构不同，对氧作用的反应能力也不同。

在有氧情况下，聚氯乙烯的分解和氧化两个反应过程往往会同时进行，在氧化作用发生之前，必须有一定量的脱HCl反应先发生，也就是在氧化降解之前，热作用下有一个感应期，分子氧在降解过程中，在某点之前并不起明显作用。而辐照交联聚乙烯由于饱和度提高，氧化作用更为强烈。如果不存在氧的作用，辐照交联聚乙烯的有效使用温度可大大提高，并能保持长的寿命。但由于热老化过程中存在氧，辐照交联聚乙烯在较高温度下的使用寿命迅速降低。由图8可知，AEX电线绝缘在提高温度的条件下，寿命降低更快。

本文中的试验选用日标汽车电线AVSS 0.5mm2、1.25mm2、2.0mm2，AVSSH 0.5mm2，AEX 20mm2电线作样品，在3个不同温度下进行热老化，由所得数据得知，使用同种绝缘材料的电线，其截面越大，所得到的老化寿命数据越长，这是由于热氧老化是受扩散控制的，规格较大电线试样的单位体积接触热空气的面积更小，而且绝缘材料存在热阻，绝缘壁厚较厚的电线试样内部的温度与表面的差异也相对较大。

对比表1中AVSS 2.0mm2和AVSS 1.25mm2的试验数据，发现2.0mm2电线各温度下老化寿命均长于1.25mm2电线，但推算出的最高使用温度2.0mm2电线（71.46℃）却低于1.5mm2电线（85.58℃），见图9。

结合阿伦尼乌斯曲线进行分析，由于在较低温度下老化时间较长，分子扩散和迁移有更充分的时间进行，试样内部高分子的受热氧作用的化学反应进行得更充分，反言之，较高温度下试样内部化学反应进行得较不充分，而且越厚的试样这种现象越明显。因而推算出的AVSS 2.0mm2高温下寿命数值较高，由此得到的拟合直线的斜率较低（图10），推算出的10000h下的温度值也较低。这个现象说明，试样厚度对试验结果具有一定的影响，制备老化寿命试验用的试样，应严格按照相关规定控制试样厚度。这也说明外推法存在一定的偏差，通常外推法限制在一定的温度范围内，如需获得更长的外推曲线，应考虑到结果的不确定因素。

4" 汽车电线热寿命的阿伦尼乌斯图（Ar图）的应用

在实际的工业应用中，应综合考虑电流引起的有害热影响和绝缘受外界热量的作用。

通过Ar图可以确定不同材料不同规格的电线（电缆）在期望使用寿命条件下所允许的最高环境温度，减去电线使用环境的热量影响（外部热因素），即可确定允许的电流引起的温升，进而可以确定允许的载流量。温升测算方法是，使电线通过稳定的电流，当发热和散热达到平衡时，测量导体的实际温度，减去试验时的环境温度。

在现实的电线（电缆）热寿命预计中，联合使用Ar图和温升图，可以绘制出电线的载流量-环境温度曲线。该曲线典型例子见图10。

图10中，纵坐标为载流量，横坐标为环境温度（电线外部环境温度），曲线上的点表示不同环境温度下允许的最大承载电流。载流量-环境温度曲线结合了Ar图和电线的温升图，在确定了电气载荷、环境条件和期望使用寿命的情况下，可以用来选择合适的绝缘材料和电缆尺寸。

5" 总结

本文中的试验选用日标汽车电线AVSS 0.5mm2、1.25mm2、2.0mm2，AVSSH 0.5mm2，AEX 20mm2电线作样品，在3个不同温度下进行热老化试验，根据阿伦尼乌斯方程，推算了其最高使用温度，并探讨了热老化寿命曲线的实际应用。

根据老化寿命曲线可知，使用同种绝缘材料的电线，其截面越大所得到的老化寿命数据越长，但规格不同所造成的数据差异并不显著，参见图8。使用了耐热等级更高的PVC的AVSSH的耐热性要好于AVSS电线。而AEX 20mm2电线试样在150℃经过长达1000h的老化后，伸长率比原始值降低了不到10%，其耐热性明显好于其它几个型号的电线。

根据所得的允许最高使用温度，结合相应规格导线的温升数据以及电线使用环境的温度，即可确定电线允许的连续载流量。值得注意的是，这个方法适用于静态的环境，即电线承载的电流和环境温度较为稳定的情况，为保证电线在过载电流情况下的安全使用，必须应用其它方法综合考虑。

本文挑选了日标汽车电线的几个型号进行试验，今后将选取日标、美标、德标等各标准有代表性的多个规格和型号的电线进行热老化寿命试验，依据更加全面和详尽的数据，消除偶然因素的影响，以发现更具普遍性的规律，对保证汽车电线的安全运行具有参考价值。这些数据也为电线热性能的评估提供了丰富的数据资料，对汽车电线的设计和选择、新材料的开发与应用具有重要的指导意义。

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