扁形電纜在高溫環(huán)境下的老化是一個復雜的物理化學過程，涉及材料分子結構的變化、相態(tài)轉變以及界面性能的退化。其老化機制主要圍繞熱氧化降解、熱機械應力、相分離與遷移、水解與熱裂解等核心作用展開，以下從材料類型、老化機制、影響因素及測試方法四個維度進行系統(tǒng)分析：
一、材料類型與高溫敏感性
扁形電纜通常由導體（銅/鋁）、絕緣層（如XLPE、EPR）、護套（如PVC、TPU、TPE）及屏蔽層（如金屬編織）組成。不同材料對高溫的響應差異顯著：
| 材料類型 | 典型耐溫等級 | 高溫老化機制 |
|---|---|---|
| XLPE（交聯聚乙烯） | 90℃~125℃ | 熱氧化降解、主鏈斷裂、交聯結構破壞 |
| EPR（乙丙橡膠） | 90℃~105℃ | 側鏈氧化、主鏈裂解、增塑劑遷移 |
| PVC（聚氯乙烯） | 70℃~85℃ | 增塑劑揮發(fā)、HCl釋放、主鏈脫氯化氫降解 |
| TPU（熱塑性聚氨酯） | 80℃~110℃ | 硬段與軟段相分離、氫鍵斷裂、熱氧化變色 |
| TPE（熱塑性彈性體） | 60℃~90℃ | 填料遷移、分子鏈滑移、界面脫粘 |
二、核心老化機制
1. 熱氧化降解（Thermal-Oxidative Degradation）
觸發(fā)條件：高溫（通常＞材料玻璃化轉變溫度Tg）與氧氣共同作用。
過程描述：
自由基引發(fā)：材料分子鏈中的弱鍵（如C-H、C-C）在熱能作用下斷裂，生成自由基（R·）。
鏈式反應：自由基與氧氣反應生成過氧自由基（ROO·），進一步奪取鄰近分子鏈的氫原子，形成氫過氧化物（ROOH）。
分支反應：ROOH分解生成新的自由基（RO·、OH·），加速鏈斷裂和交聯結構破壞。
典型表現：
絕緣層表面出現裂紋、變色（如XLPE變黃）。
機械性能下降（拉伸強度降低、斷裂伸長率銳減）。
電氣性能退化（絕緣電阻下降、介電損耗增加）。
2. 熱機械應力（Thermo-Mechanical Stress）
觸發(fā)條件：高溫導致材料軟化，同時承受機械載荷（如彎曲、振動）。
過程描述：
蠕變與應力松弛：材料在恒定應力下發(fā)生不可逆變形，導致導體與絕緣層界面脫粘。
疲勞損傷：反復熱脹冷縮引發(fā)微裂紋擴展，尤其在導體壓接處或彎曲半徑較小的區(qū)域。
相態(tài)轉變：非晶區(qū)與結晶區(qū)比例變化，導致材料硬度、彈性模量波動。
典型表現：
護套表面起泡、分層（如PVC增塑劑揮發(fā)后形成空穴）。
導體松動導致接觸電阻增加，局部過熱加劇老化。
3. 相分離與遷移（Phase Separation & Migration）
觸發(fā)條件：高溫加速分子運動，破壞材料內部相平衡。
過程描述：
增塑劑遷移：PVC護套中的鄰苯二甲酸酯類增塑劑向表面遷移，導致材料變硬、脆化。
填料聚集：TPE中的碳酸鈣、二氧化硅等填料在高溫下團聚，形成應力集中點。
水解產物遷移：聚酯類材料（如PET）在濕熱環(huán)境下水解生成羧酸，腐蝕金屬導體。
典型表現：
護套表面發(fā)粘（增塑劑析出）或粉化（填料脫落）。
絕緣層與導體間出現間隙，引發(fā)局部放電。
4. 水解與熱裂解（Hydrolysis & Thermal Pyrolysis）
觸發(fā)條件：高溫（＞150℃）或濕熱協同作用。
過程描述：
水解反應：酯類、酰胺類材料（如TPU）與水反應生成羧酸和醇，導致分子鏈斷裂。
熱裂解：材料主鏈在高溫下直接分解為小分子氣體（如CO?、CH?）和焦炭。
協同效應：水解產物（如羧酸）可能催化進一步熱裂解，形成惡性循環(huán)。
典型表現：
護套體積收縮、開裂（如硅橡膠在＞200℃時裂解）。
絕緣層擊穿電壓顯著降低（水解導致極性基團增加）。
三、關鍵影響因素
溫度與時間：
遵循Arrhenius方程：老化速率隨溫度升高呈指數增長（如溫度每升高10℃，壽命減半）。
長期高溫暴露（如數年）可能導致材料完全失效，而短期高溫沖擊（如數小時）可能僅引發(fā)表面損傷。
氧氣濃度：
富氧環(huán)境（如戶外電纜）加速熱氧化降解，惰性氣體（如氮氣）可顯著延緩老化。
機械應力：
動態(tài)應力（如振動）比靜態(tài)應力更易引發(fā)疲勞損傷。
材料配方：
抗氧化劑（如受阻酚）、光穩(wěn)定劑（如UV吸收劑）可抑制熱氧化降解。
納米填料（如蒙脫土）可提高材料熱穩(wěn)定性，但需解決分散性問題。
四、老化測試與評估方法
熱老化試驗：
標準：IEC 60216、UL 746B。
方法：將電纜樣品置于高溫烘箱（如100℃、135℃、155℃），定期取出測試性能。
評估指標：拉伸強度、斷裂伸長率、絕緣電阻、介電損耗角正切（tanδ）。
熱重分析（TGA）：
原理：測量材料質量隨溫度的變化，確定熱裂解溫度（Td）和殘留物比例。
應用：評估材料熱穩(wěn)定性，優(yōu)化配方（如增加阻燃劑）。
紅外光譜（FTIR）：
原理：檢測材料表面官能團變化（如羰基指數增加表明氧化降解）。
應用：定量分析熱氧化程度，追溯老化機制。
掃描電鏡（SEM）：
原理：觀察材料微觀結構（如裂紋、空穴、相分離）。
應用：驗證宏觀性能退化與微觀損傷的關聯性。
五、工程應用建議
材料選型：
高溫場景優(yōu)先選用XLPE（耐溫125℃）或硅橡膠（耐溫180℃），避免使用PVC（耐溫＜85℃）。
結構設計：
增加護套厚度（如從1.5mm增至2.0mm）以延緩熱滲透。
采用雙層護套（如內層TPU+外層玻璃纖維編織）提高熱機械性能。
工藝優(yōu)化：
導體表面鍍錫或鎳以減少氧化，降低接觸電阻。
絕緣層采用輻照交聯工藝提高熱穩(wěn)定性（如XLPE交聯度＞75%）。
維護策略：
定期紅外測溫監(jiān)測電纜熱點（如接頭處），避免局部過熱。
在高溫環(huán)境（如鍋爐房、煉鋼廠）中安裝通風裝置或冷卻系統(tǒng)。
通過理解高溫老化機制并針對性優(yōu)化材料、結構與工藝，可顯著提升扁形電纜在高溫環(huán)境下的可靠性與壽命，滿足工業(yè)、能源、交通等領域對極端條件電纜的需求。
