電線電纜高溫壓力試驗(yàn)與抗開裂試驗(yàn)檢測技術(shù)研究

一、檢測原理

1. 高溫壓力試驗(yàn)原理
高溫壓力試驗(yàn)旨在評(píng)估電線電纜絕緣和護(hù)套材料在高溫環(huán)境下抗壓性能的穩(wěn)定性。其科學(xué)依據(jù)是高分子材料的粘彈性行為：在高溫條件下，聚合物分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，材料從玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為模量下降、變形增加。試驗(yàn)?zāi)M電纜在長期高溫使用環(huán)境中（如電纜密集敷設(shè)、接觸熱源等場景下）承受外部機(jī)械壓力時(shí)，絕緣或護(hù)套層抵抗永久變形的能力。

試驗(yàn)時(shí)，將規(guī)定形狀的加壓刀片在特定溫度下對(duì)試樣施加恒定的壓力，經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后卸載，測量其壓痕深度或計(jì)算壓痕恢復(fù)率。其本質(zhì)是考察材料的熱塑性變形和彈性恢復(fù)性能，反映了材料的熱機(jī)械穩(wěn)定性。壓痕深度越淺或恢復(fù)率越高，表明材料抗高溫壓力性能越優(yōu)。

2. 抗開裂試驗(yàn)原理
抗開裂試驗(yàn)主要用于評(píng)估電線電纜聚氯乙烯（PVC）等熱敏性材料在加工、儲(chǔ)存或使用過程中，因內(nèi)應(yīng)力或外部應(yīng)力作用而產(chǎn)生開裂的風(fēng)險(xiǎn)。其原理基于環(huán)境應(yīng)力開裂（ESC）理論：材料在特定介質(zhì)（如空氣烘箱中的熱氧環(huán)境）和應(yīng)力（自身殘余應(yīng)力或外部施加的應(yīng)力）共同作用下，其表面或內(nèi)部會(huì)引發(fā)并擴(kuò)展微裂紋。

試驗(yàn)通過將試樣在特定溫度下進(jìn)行規(guī)定時(shí)間的暴露，或?qū)⑵淅p繞在特定直徑的芯軸上后置于高溫環(huán)境中，觀察其表面是否出現(xiàn)裂紋。這主要評(píng)估了兩個(gè)方面的性能：

• 材料的熱穩(wěn)定性： 抵抗熱氧化降解的能力。

• 材料的柔韌性與內(nèi)應(yīng)力分布： 材料在變形后釋放內(nèi)應(yīng)力的能力，以及增塑劑的遷移穩(wěn)定性。開裂現(xiàn)象表明材料分子鏈發(fā)生斷裂、交聯(lián)或增塑劑嚴(yán)重?fù)p失，導(dǎo)致脆性增加。

二、檢測項(xiàng)目

1. 高溫壓力試驗(yàn)

• 靜態(tài)高溫壓力試驗(yàn)： 在規(guī)定溫度和壓力下，保持規(guī)定時(shí)間，測量壓痕深度。

• 動(dòng)態(tài)高溫壓力試驗(yàn)（或壓力回彈試驗(yàn)）： 在規(guī)定溫度下施壓，卸載后立即或經(jīng)恢復(fù)期后測量厚度恢復(fù)率，評(píng)估材料的彈性恢復(fù)能力。

2. 抗開裂試驗(yàn)

• 熱沖擊試驗(yàn)： 將試樣纏繞于規(guī)定直徑的芯軸，置于高溫烘箱中一定時(shí)間，檢查表面開裂情況。主要用于絕緣和薄壁護(hù)套。

• 高溫壓力下的抗開裂試驗(yàn)： 結(jié)合高溫壓力與抗開裂測試，在施加壓力狀態(tài)下進(jìn)行高溫暴露，評(píng)估在應(yīng)力與熱共同作用下的抗開裂性能。

• 長期熱老化后抗開裂試驗(yàn)： 試樣經(jīng)長期熱老化處理后，再進(jìn)行抗開裂測試，評(píng)估材料耐長期熱劣化的能力。

三、檢測范圍

這兩項(xiàng)試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)對(duì)電線電纜可靠性要求嚴(yán)格的領(lǐng)域：

• 建筑布線： 評(píng)估用于樓宇內(nèi)垂直主干、水平布線的電纜在密集橋架中承受上層電纜壓力及環(huán)境溫度波動(dòng)時(shí)的性能。

• 汽車工業(yè)： 檢測汽車內(nèi)部線束、發(fā)動(dòng)機(jī)艙用電纜在高溫環(huán)境及振動(dòng)應(yīng)力下的抗壓與抗開裂能力。

• 家用電器： 確保內(nèi)部配線在電器發(fā)熱元件附近長期工作時(shí)的安全性。

• 軌道交通： 機(jī)車車輛用電纜需承受高低溫循環(huán)、振動(dòng)及機(jī)械擠壓，試驗(yàn)至關(guān)重要。

• 能源領(lǐng)域： 太陽能光伏電纜、風(fēng)力發(fā)電電纜需在戶外惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。

• 核電站： 用于安全殼內(nèi)外的電纜需通過嚴(yán)苛的熱機(jī)械性能測試。

• 航空航天： 機(jī)載電纜對(duì)重量、空間及極端環(huán)境下的可靠性要求極高。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

1. 標(biāo)準(zhǔn)

• IEC 60811-509： 電纜和光纜非金屬材料的試驗(yàn)方法 - 第509部分：機(jī)械性能試驗(yàn) - 絕緣和護(hù)套高溫壓力試驗(yàn)。

• IEC 60811-503： 同上 - 第503部分：機(jī)械性能試驗(yàn) - 護(hù)套抗開裂試驗(yàn)（熱沖擊試驗(yàn)）。

• UL 2556： 電線電纜測試方法，其中包含相關(guān)的熱變形和冷彎/熱沖擊測試。

• EN 50396： 建筑設(shè)施中使用的無鹵電纜的試驗(yàn)方法，包含熱沖擊測試。

2. 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

• GB/T 2951.31： 電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法 - 第31部分：高溫壓力試驗(yàn)。

• GB/T 2951.32： 同上 - 第32部分：抗開裂試驗(yàn)（熱沖擊試驗(yàn)）。

• JB/T 4278（系列）： 漆包繞組線試驗(yàn)方法，包含熱沖擊試驗(yàn)。

3. 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

• 原理一致性： 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)（如IEC與GB/T）在核心原理上高度一致，GB/T系列標(biāo)準(zhǔn)大多等同或修改采用IEC標(biāo)準(zhǔn)。

• 參數(shù)差異： 不同標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)不同電纜類型（如電力電纜、通信電纜、車輛用電纜）規(guī)定的試驗(yàn)溫度、壓力值、持續(xù)時(shí)間、芯軸直徑、試樣制備等具體參數(shù)存在差異。例如，汽車電纜標(biāo)準(zhǔn)通常要求更高的試驗(yàn)溫度以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)艙環(huán)境。

• 評(píng)判尺度： 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)（如允許的大壓痕深度、是否允許開裂）根據(jù)電纜的應(yīng)用等級(jí)和安全要求有所不同。核電、航空航天標(biāo)準(zhǔn)通常為嚴(yán)苛。

五、檢測方法

1. 高溫壓力試驗(yàn)方法

• 試樣制備： 從成品電纜上截取至少50mm長的試樣，去除可能影響接觸的填充物、鎧裝等。

• 試驗(yàn)步驟：

  1. 將試樣、加壓裝置（刀片）置于已達(dá)到規(guī)定溫度（如電纜長期工作溫度+一定裕量）的烘箱中預(yù)熱。

  2. 將試樣水平放置于試驗(yàn)架上，用規(guī)定寬度和壓力的刀片垂直壓在試樣表面。

  3. 關(guān)閉烘箱門，開始計(jì)時(shí)，保持規(guī)定時(shí)間（如數(shù)小時(shí)）。

  4. 到達(dá)時(shí)間后，迅速取出試樣（或冷卻至室溫），卸除壓力。

  5. 立即用顯微鏡或數(shù)字測量系統(tǒng)測量壓痕深度。

• 操作要點(diǎn)：

  • 預(yù)熱需充分，確保試樣與裝置達(dá)到熱平衡。

  • 加壓點(diǎn)應(yīng)避開電纜的幾何不規(guī)則處。

  • 轉(zhuǎn)移和測量過程需迅速，防止試樣冷卻回彈影響結(jié)果準(zhǔn)確性。

2. 抗開裂試驗(yàn)方法（以熱沖擊試驗(yàn)為例）

• 試樣制備： 從電纜上截取足夠長度的試樣。

• 試驗(yàn)步驟：

  1. 將試樣在室溫下緊密地纏繞在特定直徑的芯軸上（芯軸直徑與試樣外徑相關(guān)）。

  2. 將纏繞有試樣的芯軸迅速移入已升溫至規(guī)定溫度的烘箱中。

  3. 保持規(guī)定時(shí)間。

  4. 取出試樣，冷卻至室溫后，用正常視力或放大鏡（如6倍）觀察試樣彎曲部分外表面是否有裂紋。

• 操作要點(diǎn)：

  • 纏繞應(yīng)緊密、無間隙，且圈數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

  • 從纏繞完成到放入烘箱的時(shí)間應(yīng)盡可能短，避免應(yīng)力松弛。

  • 觀察裂紋時(shí)，照明和觀察角度應(yīng)保持一致。

六、檢測儀器

1. 高溫壓力試驗(yàn)機(jī)

• 核心部件： 恒溫烘箱、精密加壓裝置（含砝碼加載系統(tǒng)或氣動(dòng)/電動(dòng)加載機(jī)構(gòu)）、標(biāo)準(zhǔn)加壓刀片、試樣支架。

• 技術(shù)特點(diǎn)：

  • 烘箱： 溫度控制精確（±1°C或更高），內(nèi)部空間足夠，熱均勻性好。

  • 加壓系統(tǒng)： 能提供穩(wěn)定、可精確計(jì)算的載荷，刀片硬度、光潔度、寬度符合標(biāo)準(zhǔn)。

  • 測量系統(tǒng)： 配備帶刻度尺的顯微鏡、激光位移傳感器或光學(xué)影像測量系統(tǒng)，用于精確測量壓痕深度，分辨率通常達(dá)到0.01mm。

2. 抗開裂試驗(yàn)裝置

• 核心部件： 恒溫烘箱、系列化標(biāo)準(zhǔn)芯軸（不同直徑）、試樣纏繞裝置（可選）。

• 技術(shù)特點(diǎn)：

  • 烘箱： 與高溫壓力試驗(yàn)要求類似，確保溫度穩(wěn)定均勻。

  • 芯軸： 由金屬（如黃銅、不銹鋼）制成，表面光滑，直徑精確，系列完整以覆蓋不同規(guī)格電纜。

  • 輔助工具： 可能包括用于纏繞的機(jī)械裝置，以確保纏繞力度和均勻性一致。

七、結(jié)果分析

1. 高溫壓力試驗(yàn)結(jié)果分析

• 量化指標(biāo)： 壓痕深度（%），即壓痕深度與原始絕緣/護(hù)套厚度的百分比。

• 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

  • 將計(jì)算得到的壓痕深度百分比與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 5013, GB/T 5023）或采購規(guī)范中規(guī)定的大允許值進(jìn)行比較。

  • 例如，對(duì)于PVC絕緣，常見要求為壓痕深度不超過50%。超過此值則判定為不合格，表明材料在高溫下的抗變形能力不足，存在絕緣變薄、機(jī)械保護(hù)失效的風(fēng)險(xiǎn)。

  • 對(duì)于動(dòng)態(tài)壓力試驗(yàn)，則關(guān)注厚度恢復(fù)率，恢復(fù)率越高，材料彈性越好。

2. 抗開裂試驗(yàn)結(jié)果分析

• 定性/半定量指標(biāo)： 觀察試樣彎曲部分外表面是否出現(xiàn)可見裂紋。

• 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

  • 在規(guī)定的放大倍數(shù)下（或不放大），若試樣表面無任何裂紋，則判定為通過（合格）。

  • 若出現(xiàn)任何方向的裂紋，則判定為不合格。

  • 裂紋的出現(xiàn)直接表明材料的熱穩(wěn)定性或柔韌性不滿足要求，在使用中可能因振動(dòng)、彎曲或熱循環(huán)導(dǎo)致早期失效，引發(fā)短路等安全事故。

  • 有時(shí)會(huì)對(duì)裂紋的嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí)（如微裂紋、明顯裂紋、嚴(yán)重開裂），為材料改進(jìn)提供更細(xì)致的反饋。