电缆大气环境适应性研究现状

2013-08-14闫杰刘艳张洪彬

电子产品可靠性与环境试验 2013年3期

闫杰，刘艳，张洪彬

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610；2.中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴 314033）

0 引言

电缆产品及材料的应用范围非常宽广[1]，有架空、直埋、管道和水下、隧道、室内等。产品种类繁多，有光缆、电缆和线缆护套料、缆绝缘料、线缆各种填充类材料、线缆金属构件和接头盒、塑料管材等。这些产品及材料的性能在相关标准中已经给出了各种性能指标。这些性能与环境密切相关的主要是环境性能和护套及绝缘材料的物理性能。对于新材料，有些标准给出的指标性能指标大多是单项的，但产品在实际运行时是多种因素的组合。因此，开展电缆的自然环境适应性研究，对了解产品的性能变化具有非常重要的现实意义。

电缆的老化是威胁设备安全运行的重大隐患，由老化引起的绝缘故障在电气设备运行故障中占有很大的比例，绝缘故障轻则造成电气设备的误动作或损坏，重则引发火灾、爆炸等灾难的发生。

美国等发达国家开展大量的零部件、设备和整机的暴露试验，其中包括电缆及其组件，这些试验能更加真实地反映装备的实际使用条件，使试验结果能全面、真实地反映装备投入使用后可能出现的失效行为。我国在电缆的自然环境试验方面开展得较多的是土壤腐蚀试验，并取得了一定的成果，而大气环境试验研究较少，鲜见有国内报道，这与认识水平有关。随着我国经济实力和对大气环境试验作用认识的提高，以及当前日趋紧张的国际局势，电缆产品的大气环境试验必将逐步开展并得到重视。

1 电缆的失效行为和机理

电缆的老化导致护套和绝缘材料发生断裂，导体外露，其失效行为主要有开裂、发粘、失去弹性或韧性、机械及电性能变差等，其失效机理可以从化学老化和机械破坏两方面探究。

1.1 化学老化

电缆制品护套和绝缘材料主要是橡胶和塑料，因此，造成电缆化学老化的因素主要有紫外线、氧气、高温、盐雾和降水等，主要的老化方式有光降解、氧化降解、热降解和水分、盐雾的渗透等。高分子材料老化的各种途径和破坏形式如图1所示：

图1 高分子材料老化的各种途径和破坏形式

通常认为，热和紫外线是引起电缆老化的主要因素，这是因为紫外线的波长很短，具有能引起高分子链上各种化学键断裂所需的能量。事实上，仅靠紫外光辐射引起的光降解速率很低，而大气中氧的存在大大促进了光降解这一过程，所以电缆的光降解过程可以看成光—氧化降解过程。

热和温度是引起电缆老化的另一个重要因素。装备在储备和使用的过程中，经常要经受高温、低温和温度冲击的考验，所以装备表面电缆的热降解现象普遍存在。温度升高会导致聚合物分子的热运动加速，一旦超过化学键的离解能，线缆护套和绝缘材料就将发生降解；而低温会导致聚合物分子链段的自由运动受阻，电缆柔韧性变差，易开裂、脱落；当温度从高于玻璃化温度下降到低于玻璃化温度时，电缆体积处于非平衡态值，其机械性能、热性能和绝缘性能均发生变化；当温度交替变化时，热胀冷缩往复进行，引起电缆内应力的变化，使得电缆的附着力下降，导致开裂及破坏。另外，在大气环境中，太阳光和氧气的存在大大提高了电缆热降解的速度。

水分及盐雾对电缆的影响主要方式有渗透和溶胀。溶剂挥发后，电缆内部产生微孔，水能通过这些微孔渗入到电缆内部，使得电缆内部的一些水溶性物质溶解，从而改变其组成和比例，导致电缆的老化。对于执行海上任务的装备来讲，盐雾等对电缆的影响非常明显，因为氯离子的粒子半径小，很容易渗入电缆内部，导致金属线芯的腐蚀。

温度和湿度是霉菌生长的主要条件。报告指出[2]，环境温度为（30±2）℃且相对湿度大于95%时，最适合霉菌的大量繁殖。对于无护套的绝缘电缆，不仅影响产品外观，表面变色，且影响表面绝缘电阻和体积电阻率，有漏电可能；最重要的是可能影响到机械性能和高分子材料的降解。

电缆的化学老化并不是由于单一因素导致的，往往是紫外线、氧气、热、水和盐雾等多个因素综合作用的结果。所以，电缆的环境适应性也需从多个环境因素的综合作用来考察。

1.2 机械破坏

装备在服役过程中，暴露的电缆会受到振动、摩擦、挤压等机械破坏的考验，这些作用会导致电缆的外观、力学性能及电性能发生变化。所以，在电缆的环境适应性的考察项目中，必须包括机械破坏的因素。

2 电缆的环境适应性研究

通过探讨电缆的失效机理及导致其失效的各个因素，可以发现能用于考察电缆环境适应性的试验方法主要有：自然环境试验和包括紫外辐射试验、高温试验、低温试验、温度冲击试验、盐雾试验、湿热试验和振动试验等在内的实验室各种人工模拟环境试验。

2.1 自然环境试验

自然环境试验主要用于研究装备选用的材料、工艺、元器件、部件乃至整机暴露在自然环境中经受各种因素综合作用后产生的变化，其中包括大气、水（海水）和土壤环境试验。对于电缆的应用环境来说，大气暴露试验是需要重点考虑的试验。根据军民产品的需求和我国环境特点，大气暴露试验应包括寒冷、沙漠、高原和湿热、海洋、热带雨林等环境条件。

国内外并无针对电缆的自然环境试验方法标准，但可以参考GB/T 3681-2000《塑料大气暴露试验方法》、JB/T 8683-1998《机械电子产品及元器件海洋环境大气暴露试验方法和导则》等标准进行试验研究。自然环境试验再现了各种环境因素（光、温度、湿度和盐雾等）对电缆的影响，与实际自然环境影响的结果很接近，但存在试验周期长的缺点。为了平衡这两者关系，科研人员研究并制定了自然环境加速试验方法。美国ATLAS集团在20世纪70年代就研制出跟踪太阳暴露试验机，除了强化太阳辐射，同时还可以喷淋盐雾等，并广泛用于高分子材料的自然加速暴露试验。随着这类试验的推广，ISO、ASTM、SAE等标准化组织相继发布了相关的标准，并被各大公司采用。电缆的环境适应性也可用自然加速环境试验进行评价，但在国内这方面的研究几乎没有。

2.2 实验室人工模拟环境试验

实验室人工模拟环境试验可以模拟自然环境因素的影响，也可以模拟诱发环境因素的影响；此外还可以在较短的时间内获得试验结果。国内研究较多的是利用人工热老化试验进行电缆的寿命预测，其它的实验室老化试验则研究较少。

a）太阳辐射试验

太阳辐射试验是考察产品在户外无遮蔽使用和储存期间所受日光辐射的影响。试验中，太阳光对电缆的影响包括产生光化学效应和加热效应，光化学效应是由太阳光中的紫外部分产生，而加热效应是通过吸收太阳光中的红外部分产生。

太阳辐射试验所执行的标准包括：GJB 1507A、 GB/T 2423.14-95 和 MIL-STD-810F 505.4、DEF-STAN-0035-3-03等。试验中需考虑的主要试验参数包括：总辐射强度及其谱能分布、试验温度、风速、湿度和持续时间等，每个标准对各个试验参数的要求各有不同。

b）高温试验

高温试验是考察高温条件对产品的完整性、安全性和工作性能的影响。其对电缆的环境产生的效应表现为：导致电缆褪色、裂解或产生裂纹，电性能变差。

高温试验的执行标准包括：GJB 1503A、GB11606.4-89、GB/T 2424.1-05和 M IL-STD-810F 501.4等。试验中常考虑的试验参数包括：气候条件、暴露条件和湿度、试验持续时间等。

c）低温试验

低温试验是用于考察低温条件对产品的完整性、安全性和工作性能的影响。其对电缆产生的环境效应主要表现为：导致电缆变脆，耐冲击性能变差。

低温试验的执行标准包括GJB 150.4A、GB/T 2423.1和MIL-STD-810F 502.4、 IEC 68-2-3等，试验中应确定装备使用地区的气候条件、暴露持续的时间、温度变化速率的试验参数。

d）温度冲击试验

电子飞行器往往需要从地面高温环境升到高空，或者在热区域和低温环境之间转换，此时暴露的电缆需经历大气温度的急剧变化。所以，温度冲击试验是电缆环境适应性试验方法中一个重要的组成部分，其环境效应主要是：电缆内应力发生变化，严重时引起电缆开裂。

温度冲击试验相关标准有：GJB 150.5A、GB/T 2423.22-02和MIL-STD-810F 503.4等，试验中需确定的试验条件包括：气候条件、冲击次数、温度稳定和相对湿度、转换时间等。

e）盐雾试验

盐雾试验被认为是评定与海洋气氛有密切关系的材料性质的最有效方法。若电子武器装备需执行海上任务时，则对电缆进行盐雾试验是必要的。盐雾试验可能对电缆产生的环境效应为：导致电缆起泡、开裂，电性能产生波动。

盐雾试验的执行标准包括：ASTM B117-97、ASTM G85-09、ISO 9227-06、 IEC 60068-2-11 和GB/T 2423117、 JIS Z2371、 GJB 150.11A、 MILSTD-810F 509.4等。最广泛使用的盐雾试验方法为中性盐雾试验，但考虑到装备的实际使用环境（如酸雨环境），需采用改进盐雾试验。美国材料与试验协会标准ASTM G85列出了5种改进的盐雾试验方法，分别为醋酸连续盐雾试验、酸化盐雾循环试验、海水酸化盐雾试验和二氧化硫盐雾循环试验、电解质稀释干燥/喷雾循环试验。值得一提的是，英国Timmins开发的间歇喷雾循环式盐雾试验（Prohesion test），将盐雾、干燥、湿热条件进行综合和循环，该方法更接近实际情况，效果更好。在盐雾试验中，需确定盐溶液浓度和pH值、温度、试验持续时间、沉降率等试验参数。

f）湿热试验

湿热试验虽不及盐雾试验的腐蚀强度，但有时却更接近实际的应用场地，如热带地区几乎全年都是湿热气候，中纬度地区也会季节性地出现。温湿试验主要考察电缆的耐水性和水汽渗透性，温湿度的变化可以导致电缆出现多种环境效应，如发生化学老化，因吸收水分电缆膨胀，内应力发生变化，电性能发生波动等。

湿热试验的执行标准有：GB/T 1740-2007、GJB 150.9A和 MIL-STD-810F 507.4、 ASTM D2247-97等，在试验过程中，需确定温湿度循环周期数、试验持续时间、温湿度量值等试验参数。

g）霉菌试验

在温热带气候地区，干黄梅季节时，电缆上的霉菌生长不明显；反之，则霉菌生长比较严重。采用人工霉菌试验箱，试验箱内应由照明设备和观察窗，并可调节温度和有喷菌装置的喷菌箱。

霉菌试验执行的标准有GB/T 2423.16、GJB 150.10A和MIL-STD-810F 508.5等。需注意的是，电缆一般运行状态下很可能不生长霉菌，但如果停止运行一段时间，恰遇上适合霉菌生长的环境，则很可能发生长霉现象。

h）振动试验

振动试验是考核电缆在预期的使用环境中的抗振能力，检验其可靠性及稳定性，用来确定电缆的机械薄弱环节及产品结构的完好性和动态特征。这对于航空航天及船舶电缆的耐振动能力更为重要。

振动试验的执行标准有：GB/T 2423.10、 GJB 150.16A和 M IL-STD-810F 514.5、ASTM D3580-95等，在试验过程中，需确定振动频率、振幅（加速度）、试验持续时间等试验参数。

考察电缆环境适应性的各个环境试验需按照实际的应用情况有序地进行。另外，有时候综合环境试验可能比一系列连续的单个试验更能代表实际的环境效应，所以鼓励进行综合环境试验。

3 电缆环境适应性的评价方法

经过各种环境试验后，电缆的外观、力学性能和电性能均有不同程度的改变，需对其进行检测评价[3]。

3.1 外观评价

电缆的外观评价，可以借助显微镜、扫描电镜等分析手段。主要参照GB/T 3511-2001《硫化橡胶或热塑性橡胶耐候性》、JB/T 8683-1998《机械电子产品及元器件海洋环境大气暴露试验方法和导则》等标准。

3.2 物理机械性能评价

电缆的物理机械性能包括弯曲、脆性、耐环境应力开裂和抗张强度、断裂伸长率等。对电缆来讲，最重要的就是电缆的抗张强度、断裂伸长率。

一般电缆，若测试条件满足标准要求，其抗张强度、断裂伸长率就可以采用拉力试验机参照GB/T 2951.11-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第11部分通用试验方法——厚度和外形尺寸测量——机械性能试验》等标准对电缆护套材料和绝缘材料进行检测的评价。

3.3 电性能检测

对于一般电缆，其电性能包括金属材料电阻率、材料的体积电阻率、导体直流电阻、材料的绝缘电阻和介质损耗角正切、表面电阻等，这些都可以按照GB/T 3048-2007《电线电缆电性能试验方法》进行试验检测。由于各类电缆的结构和用途不同，检测及评价其电性能有所侧重，主要的电性能检测如下所述：

a）电力电缆

电力电缆主要传输电能，其主要性能参数有20℃导体直流电阻、交流阻抗、绝缘层的绝缘电阻、介质损耗、电容、电感、载流量、金属护层的感应电压和电流以及电缆耐压试验分别按GB/T 3048、GB/T 12706-2008《额定电压35 kV及以下铜芯、铝芯塑料绝缘电力电缆》进行检测。

b）控制电缆

控制电缆的缆芯结构为中心层绞式结构，主要按欧姆定律考虑分布参数，用来传输一般开关量、模拟信号等。其直流电阻、20℃、绝缘电气强度、绝缘电阻、工作电容和远端串音防卫度等参数分别参照GB/T 3048、GB/T 9330-2008《塑料绝缘控制电缆》来进行测试。

c）通信电缆

通信电缆分对绞、星绞和同轴3种结构，并且芯线结构设计须按传输线方程考虑二次参数等要求，用于传输高频、高速通信信号。电性能试验是指检验通信电缆电气性能和质量的各种试验。包括导线直流电阻测试、回路不平衡电阻测试、绝缘电阻测试、交直流耐电压测试、工作电容测试、电容耦合与电容不平衡测试、串音（串话）衰减及串音防卫度测试和电缆的一次及二次传输参数测试、同轴电缆衰减测试、衰减温度系数测试以及对某些通信电缆所进行的屏蔽系数测试。

其中，20℃导体电阻、绝缘电阻按GB/T 3048规定的条款进行测试；绝缘介电强度、特性阻抗、衰减常数和电压驻波比按照GB/T 17737-2000《射频电缆》执行；电容不平衡按GB/T 5441-85《通信电缆试验方法》等进行测试。