閆杰，劉艷，張洪彬

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033）

0 引言

電纜產(chǎn)品及材料的應(yīng)用范圍非常寬廣[1]，有架空、直埋、管道和水下、隧道、室內(nèi)等。產(chǎn)品種類繁多，有光纜、電纜和線纜護(hù)套料、纜絕緣料、線纜各種填充類材料、線纜金屬構(gòu)件和接頭盒、塑料管材等。這些產(chǎn)品及材料的性能在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)給出了各種性能指標(biāo)。這些性能與環(huán)境密切相關(guān)的主要是環(huán)境性能和護(hù)套及絕緣材料的物理性能。對于新材料，有些標(biāo)準(zhǔn)給出的指標(biāo)性能指標(biāo)大多是單項的，但產(chǎn)品在實(shí)際運(yùn)行時是多種因素的組合。因此，開展電纜的自然環(huán)境適應(yīng)性研究，對了解產(chǎn)品的性能變化具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

電纜的老化是威脅設(shè)備安全運(yùn)行的重大隱患，由老化引起的絕緣故障在電氣設(shè)備運(yùn)行故障中占有很大的比例，絕緣故障輕則造成電氣設(shè)備的誤動作或損壞，重則引發(fā)火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難的發(fā)生。

美國等發(fā)達(dá)國家開展大量的零部件、設(shè)備和整機(jī)的暴露試驗(yàn)，其中包括電纜及其組件，這些試驗(yàn)?zāi)芨诱鎸?shí)地反映裝備的實(shí)際使用條件，使試驗(yàn)結(jié)果能全面、真實(shí)地反映裝備投入使用后可能出現(xiàn)的失效行為。我國在電纜的自然環(huán)境試驗(yàn)方面開展得較多的是土壤腐蝕試驗(yàn)，并取得了一定的成果，而大氣環(huán)境試驗(yàn)研究較少，鮮見有國內(nèi)報道，這與認(rèn)識水平有關(guān)。隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和對大氣環(huán)境試驗(yàn)作用認(rèn)識的提高，以及當(dāng)前日趨緊張的國際局勢，電纜產(chǎn)品的大氣環(huán)境試驗(yàn)必將逐步開展并得到重視。

1 電纜的失效行為和機(jī)理

電纜的老化導(dǎo)致護(hù)套和絕緣材料發(fā)生斷裂，導(dǎo)體外露，其失效行為主要有開裂、發(fā)粘、失去彈性或韌性、機(jī)械及電性能變差等，其失效機(jī)理可以從化學(xué)老化和機(jī)械破壞兩方面探究。

1.1 化學(xué)老化

電纜制品護(hù)套和絕緣材料主要是橡膠和塑料，因此，造成電纜化學(xué)老化的因素主要有紫外線、氧氣、高溫、鹽霧和降水等，主要的老化方式有光降解、氧化降解、熱降解和水分、鹽霧的滲透等。高分子材料老化的各種途徑和破壞形式如圖1所示：

圖1 高分子材料老化的各種途徑和破壞形式

通常認(rèn)為，熱和紫外線是引起電纜老化的主要因素，這是因?yàn)樽贤饩€的波長很短，具有能引起高分子鏈上各種化學(xué)鍵斷裂所需的能量。事實(shí)上，僅靠紫外光輻射引起的光降解速率很低，而大氣中氧的存在大大促進(jìn)了光降解這一過程，所以電纜的光降解過程可以看成光—氧化降解過程。

熱和溫度是引起電纜老化的另一個重要因素。裝備在儲備和使用的過程中，經(jīng)常要經(jīng)受高溫、低溫和溫度沖擊的考驗(yàn)，所以裝備表面電纜的熱降解現(xiàn)象普遍存在。溫度升高會導(dǎo)致聚合物分子的熱運(yùn)動加速，一旦超過化學(xué)鍵的離解能，線纜護(hù)套和絕緣材料就將發(fā)生降解；而低溫會導(dǎo)致聚合物分子鏈段的自由運(yùn)動受阻，電纜柔韌性變差，易開裂、脫落；當(dāng)溫度從高于玻璃化溫度下降到低于玻璃化溫度時，電纜體積處于非平衡態(tài)值，其機(jī)械性能、熱性能和絕緣性能均發(fā)生變化；當(dāng)溫度交替變化時，熱脹冷縮往復(fù)進(jìn)行，引起電纜內(nèi)應(yīng)力的變化，使得電纜的附著力下降，導(dǎo)致開裂及破壞。另外，在大氣環(huán)境中，太陽光和氧氣的存在大大提高了電纜熱降解的速度。

水分及鹽霧對電纜的影響主要方式有滲透和溶脹。溶劑揮發(fā)后，電纜內(nèi)部產(chǎn)生微孔，水能通過這些微孔滲入到電纜內(nèi)部，使得電纜內(nèi)部的一些水溶性物質(zhì)溶解，從而改變其組成和比例，導(dǎo)致電纜的老化。對于執(zhí)行海上任務(wù)的裝備來講，鹽霧等對電纜的影響非常明顯，因?yàn)槁入x子的粒子半徑小，很容易滲入電纜內(nèi)部，導(dǎo)致金屬線芯的腐蝕。

溫度和濕度是霉菌生長的主要條件。報告指出[2]，環(huán)境溫度為（30±2）℃且相對濕度大于95%時，最適合霉菌的大量繁殖。對于無護(hù)套的絕緣電纜，不僅影響產(chǎn)品外觀，表面變色，且影響表面絕緣電阻和體積電阻率，有漏電可能；最重要的是可能影響到機(jī)械性能和高分子材料的降解。

電纜的化學(xué)老化并不是由于單一因素導(dǎo)致的，往往是紫外線、氧氣、熱、水和鹽霧等多個因素綜合作用的結(jié)果。所以，電纜的環(huán)境適應(yīng)性也需從多個環(huán)境因素的綜合作用來考察。

1.2 機(jī)械破壞

裝備在服役過程中，暴露的電纜會受到振動、摩擦、擠壓等機(jī)械破壞的考驗(yàn)，這些作用會導(dǎo)致電纜的外觀、力學(xué)性能及電性能發(fā)生變化。所以，在電纜的環(huán)境適應(yīng)性的考察項目中，必須包括機(jī)械破壞的因素。

2 電纜的環(huán)境適應(yīng)性研究

通過探討電纜的失效機(jī)理及導(dǎo)致其失效的各個因素，可以發(fā)現(xiàn)能用于考察電纜環(huán)境適應(yīng)性的試驗(yàn)方法主要有：自然環(huán)境試驗(yàn)和包括紫外輻射試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、溫度沖擊試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)和振動試驗(yàn)等在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室各種人工模擬環(huán)境試驗(yàn)。

2.1 自然環(huán)境試驗(yàn)

自然環(huán)境試驗(yàn)主要用于研究裝備選用的材料、工藝、元器件、部件乃至整機(jī)暴露在自然環(huán)境中經(jīng)受各種因素綜合作用后產(chǎn)生的變化，其中包括大氣、水（海水）和土壤環(huán)境試驗(yàn)。對于電纜的應(yīng)用環(huán)境來說，大氣暴露試驗(yàn)是需要重點(diǎn)考慮的試驗(yàn)。根據(jù)軍民產(chǎn)品的需求和我國環(huán)境特點(diǎn)，大氣暴露試驗(yàn)應(yīng)包括寒冷、沙漠、高原和濕熱、海洋、熱帶雨林等環(huán)境條件。

國內(nèi)外并無針對電纜的自然環(huán)境試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，但可以參考GB/T 3681-2000《塑料大氣暴露試驗(yàn)方法》、JB/T 8683-1998《機(jī)械電子產(chǎn)品及元器件海洋環(huán)境大氣暴露試驗(yàn)方法和導(dǎo)則》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)研究。自然環(huán)境試驗(yàn)再現(xiàn)了各種環(huán)境因素（光、溫度、濕度和鹽霧等）對電纜的影響，與實(shí)際自然環(huán)境影響的結(jié)果很接近，但存在試驗(yàn)周期長的缺點(diǎn)。為了平衡這兩者關(guān)系，科研人員研究并制定了自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法。美國ATLAS集團(tuán)在20世紀(jì)70年代就研制出跟蹤太陽暴露試驗(yàn)機(jī)，除了強(qiáng)化太陽輻射，同時還可以噴淋鹽霧等，并廣泛用于高分子材料的自然加速暴露試驗(yàn)。隨著這類試驗(yàn)的推廣，ISO、ASTM、SAE等標(biāo)準(zhǔn)化組織相繼發(fā)布了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，并被各大公司采用。電纜的環(huán)境適應(yīng)性也可用自然加速環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行評價，但在國內(nèi)這方面的研究幾乎沒有。

2.2 實(shí)驗(yàn)室人工模擬環(huán)境試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室人工模擬環(huán)境試驗(yàn)可以模擬自然環(huán)境因素的影響，也可以模擬誘發(fā)環(huán)境因素的影響；此外還可以在較短的時間內(nèi)獲得試驗(yàn)結(jié)果。國內(nèi)研究較多的是利用人工熱老化試驗(yàn)進(jìn)行電纜的壽命預(yù)測，其它的實(shí)驗(yàn)室老化試驗(yàn)則研究較少。

a）太陽輻射試驗(yàn)

太陽輻射試驗(yàn)是考察產(chǎn)品在戶外無遮蔽使用和儲存期間所受日光輻射的影響。試驗(yàn)中，太陽光對電纜的影響包括產(chǎn)生光化學(xué)效應(yīng)和加熱效應(yīng)，光化學(xué)效應(yīng)是由太陽光中的紫外部分產(chǎn)生，而加熱效應(yīng)是通過吸收太陽光中的紅外部分產(chǎn)生。

太陽輻射試驗(yàn)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)包括：GJB 1507A、 GB/T 2423.14-95 和 MIL-STD-810F 505.4、DEF-STAN-0035-3-03等。試驗(yàn)中需考慮的主要試驗(yàn)參數(shù)包括：總輻射強(qiáng)度及其譜能分布、試驗(yàn)溫度、風(fēng)速、濕度和持續(xù)時間等，每個標(biāo)準(zhǔn)對各個試驗(yàn)參數(shù)的要求各有不同。

b）高溫試驗(yàn)

高溫試驗(yàn)是考察高溫條件對產(chǎn)品的完整性、安全性和工作性能的影響。其對電纜的環(huán)境產(chǎn)生的效應(yīng)表現(xiàn)為：導(dǎo)致電纜褪色、裂解或產(chǎn)生裂紋，電性能變差。

高溫試驗(yàn)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)包括：GJB 1503A、GB11606.4-89、GB/T 2424.1-05和 M IL-STD-810F 501.4等。試驗(yàn)中?？紤]的試驗(yàn)參數(shù)包括：氣候條件、暴露條件和濕度、試驗(yàn)持續(xù)時間等。

c）低溫試驗(yàn)

低溫試驗(yàn)是用于考察低溫條件對產(chǎn)品的完整性、安全性和工作性能的影響。其對電纜產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)主要表現(xiàn)為：導(dǎo)致電纜變脆，耐沖擊性能變差。

低溫試驗(yàn)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)包括GJB 150.4A、GB/T 2423.1和MIL-STD-810F 502.4、 IEC 68-2-3等，試驗(yàn)中應(yīng)確定裝備使用地區(qū)的氣候條件、暴露持續(xù)的時間、溫度變化速率的試驗(yàn)參數(shù)。

d）溫度沖擊試驗(yàn)

電子飛行器往往需要從地面高溫環(huán)境升到高空，或者在熱區(qū)域和低溫環(huán)境之間轉(zhuǎn)換，此時暴露的電纜需經(jīng)歷大氣溫度的急劇變化。所以，溫度沖擊試驗(yàn)是電纜環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)方法中一個重要的組成部分，其環(huán)境效應(yīng)主要是：電纜內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，嚴(yán)重時引起電纜開裂。

溫度沖擊試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：GJB 150.5A、GB/T 2423.22-02和MIL-STD-810F 503.4等，試驗(yàn)中需確定的試驗(yàn)條件包括：氣候條件、沖擊次數(shù)、溫度穩(wěn)定和相對濕度、轉(zhuǎn)換時間等。

e）鹽霧試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)被認(rèn)為是評定與海洋氣氛有密切關(guān)系的材料性質(zhì)的最有效方法。若電子武器裝備需執(zhí)行海上任務(wù)時，則對電纜進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)是必要的。鹽霧試驗(yàn)可能對電纜產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)為：導(dǎo)致電纜起泡、開裂，電性能產(chǎn)生波動。

鹽霧試驗(yàn)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)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。最廣泛使用的鹽霧試驗(yàn)方法為中性鹽霧試驗(yàn)，但考慮到裝備的實(shí)際使用環(huán)境（如酸雨環(huán)境），需采用改進(jìn)鹽霧試驗(yàn)。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM G85列出了5種改進(jìn)的鹽霧試驗(yàn)方法，分別為醋酸連續(xù)鹽霧試驗(yàn)、酸化鹽霧循環(huán)試驗(yàn)、海水酸化鹽霧試驗(yàn)和二氧化硫鹽霧循環(huán)試驗(yàn)、電解質(zhì)稀釋干燥/噴霧循環(huán)試驗(yàn)。值得一提的是，英國Timmins開發(fā)的間歇噴霧循環(huán)式鹽霧試驗(yàn)（Prohesion test），將鹽霧、干燥、濕熱條件進(jìn)行綜合和循環(huán)，該方法更接近實(shí)際情況，效果更好。在鹽霧試驗(yàn)中，需確定鹽溶液濃度和pH值、溫度、試驗(yàn)持續(xù)時間、沉降率等試驗(yàn)參數(shù)。

f）濕熱試驗(yàn)

濕熱試驗(yàn)雖不及鹽霧試驗(yàn)的腐蝕強(qiáng)度，但有時卻更接近實(shí)際的應(yīng)用場地，如熱帶地區(qū)幾乎全年都是濕熱氣候，中緯度地區(qū)也會季節(jié)性地出現(xiàn)。溫濕試驗(yàn)主要考察電纜的耐水性和水汽滲透性，溫濕度的變化可以導(dǎo)致電纜出現(xiàn)多種環(huán)境效應(yīng)，如發(fā)生化學(xué)老化，因吸收水分電纜膨脹，內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，電性能發(fā)生波動等。

濕熱試驗(yàn)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 1740-2007、GJB 150.9A和 MIL-STD-810F 507.4、 ASTM D2247-97等，在試驗(yàn)過程中，需確定溫濕度循環(huán)周期數(shù)、試驗(yàn)持續(xù)時間、溫濕度量值等試驗(yàn)參數(shù)。

g）霉菌試驗(yàn)

在溫?zé)釒夂虻貐^(qū)，干黃梅季節(jié)時，電纜上的霉菌生長不明顯；反之，則霉菌生長比較嚴(yán)重。采用人工霉菌試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱內(nèi)應(yīng)由照明設(shè)備和觀察窗，并可調(diào)節(jié)溫度和有噴菌裝置的噴菌箱。

霉菌試驗(yàn)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 2423.16、GJB 150.10A和MIL-STD-810F 508.5等。需注意的是，電纜一般運(yùn)行狀態(tài)下很可能不生長霉菌，但如果停止運(yùn)行一段時間，恰遇上適合霉菌生長的環(huán)境，則很可能發(fā)生長霉現(xiàn)象。

h）振動試驗(yàn)

振動試驗(yàn)是考核電纜在預(yù)期的使用環(huán)境中的抗振能力，檢驗(yàn)其可靠性及穩(wěn)定性，用來確定電纜的機(jī)械薄弱環(huán)節(jié)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的完好性和動態(tài)特征。這對于航空航天及船舶電纜的耐振動能力更為重要。

振動試驗(yàn)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 2423.10、 GJB 150.16A和 M IL-STD-810F 514.5、ASTM D3580-95等，在試驗(yàn)過程中，需確定振動頻率、振幅（加速度）、試驗(yàn)持續(xù)時間等試驗(yàn)參數(shù)。

考察電纜環(huán)境適應(yīng)性的各個環(huán)境試驗(yàn)需按照實(shí)際的應(yīng)用情況有序地進(jìn)行。另外，有時候綜合環(huán)境試驗(yàn)可能比一系列連續(xù)的單個試驗(yàn)更能代表實(shí)際的環(huán)境效應(yīng)，所以鼓勵進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)。

3 電纜環(huán)境適應(yīng)性的評價方法

經(jīng)過各種環(huán)境試驗(yàn)后，電纜的外觀、力學(xué)性能和電性能均有不同程度的改變，需對其進(jìn)行檢測評價[3]。

3.1 外觀評價

電纜的外觀評價，可以借助顯微鏡、掃描電鏡等分析手段。主要參照GB/T 3511-2001《硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐候性》、JB/T 8683-1998《機(jī)械電子產(chǎn)品及元器件海洋環(huán)境大氣暴露試驗(yàn)方法和導(dǎo)則》等標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 物理機(jī)械性能評價

電纜的物理機(jī)械性能包括彎曲、脆性、耐環(huán)境應(yīng)力開裂和抗張強(qiáng)度、斷裂伸長率等。對電纜來講，最重要的就是電纜的抗張強(qiáng)度、斷裂伸長率。

一般電纜，若測試條件滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其抗張強(qiáng)度、斷裂伸長率就可以采用拉力試驗(yàn)機(jī)參照GB/T 2951.11-2008《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法第11部分通用試驗(yàn)方法——厚度和外形尺寸測量——機(jī)械性能試驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)對電纜護(hù)套材料和絕緣材料進(jìn)行檢測的評價。

3.3 電性能檢測

對于一般電纜，其電性能包括金屬材料電阻率、材料的體積電阻率、導(dǎo)體直流電阻、材料的絕緣電阻和介質(zhì)損耗角正切、表面電阻等，這些都可以按照GB/T 3048-2007《電線電纜電性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)檢測。由于各類電纜的結(jié)構(gòu)和用途不同，檢測及評價其電性能有所側(cè)重，主要的電性能檢測如下所述：

a）電力電纜

電力電纜主要傳輸電能，其主要性能參數(shù)有20℃導(dǎo)體直流電阻、交流阻抗、絕緣層的絕緣電阻、介質(zhì)損耗、電容、電感、載流量、金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓和電流以及電纜耐壓試驗(yàn)分別按GB/T 3048、GB/T 12706-2008《額定電壓35 kV及以下銅芯、鋁芯塑料絕緣電力電纜》進(jìn)行檢測。

b）控制電纜

控制電纜的纜芯結(jié)構(gòu)為中心層絞式結(jié)構(gòu)，主要按歐姆定律考慮分布參數(shù)，用來傳輸一般開關(guān)量、模擬信號等。其直流電阻、20℃、絕緣電氣強(qiáng)度、絕緣電阻、工作電容和遠(yuǎn)端串音防衛(wèi)度等參數(shù)分別參照GB/T 3048、GB/T 9330-2008《塑料絕緣控制電纜》來進(jìn)行測試。

c）通信電纜

通信電纜分對絞、星絞和同軸3種結(jié)構(gòu)，并且芯線結(jié)構(gòu)設(shè)計須按傳輸線方程考慮二次參數(shù)等要求，用于傳輸高頻、高速通信信號。電性能試驗(yàn)是指檢驗(yàn)通信電纜電氣性能和質(zhì)量的各種試驗(yàn)。包括導(dǎo)線直流電阻測試、回路不平衡電阻測試、絕緣電阻測試、交直流耐電壓測試、工作電容測試、電容耦合與電容不平衡測試、串音（串話）衰減及串音防衛(wèi)度測試和電纜的一次及二次傳輸參數(shù)測試、同軸電纜衰減測試、衰減溫度系數(shù)測試以及對某些通信電纜所進(jìn)行的屏蔽系數(shù)測試。

其中，20℃導(dǎo)體電阻、絕緣電阻按GB/T 3048規(guī)定的條款進(jìn)行測試；絕緣介電強(qiáng)度、特性阻抗、衰減常數(shù)和電壓駐波比按照GB/T 17737-2000《射頻電纜》執(zhí)行；電容不平衡按GB/T 5441-85《通信電纜試驗(yàn)方法》等進(jìn)行測試。

4 結(jié)束語

造成電纜老化、失效的主要環(huán)境因素有太陽光、氧氣、高溫和鹽霧、水等，通過各種環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M這幾種因素的作用過程，然后對結(jié)果進(jìn)行評價，可得出不同電纜的環(huán)境適應(yīng)性情況，根據(jù)結(jié)果來改進(jìn)產(chǎn)品的工藝和結(jié)構(gòu)，為設(shè)計、研制部門提供參考。

作為裝備的重要質(zhì)量特性之一，電纜的環(huán)境適應(yīng)性研究在其設(shè)計、研制、應(yīng)用的過程中均起著至關(guān)重要的作用，而這方面的研究在我國卻是薄弱環(huán)節(jié)，所以加強(qiáng)包括電纜在內(nèi)各種裝備材料的環(huán)境適應(yīng)性研究勢在必行。

[1]王永紅.我國線纜及材料環(huán)境試驗(yàn)研究綜述[C]//中國通信學(xué)會2007年光纜電纜學(xué)術(shù)年會論文集.南京：中國通信學(xué)會，2007：78-87.

[2]張國光.電線電纜的防霉[J].大眾用電，2009，（8）：29-30.

[3]黃寧.淺談電線電纜的檢測項目及檢測方法[J].廣東科技，2007，（6）：328-329.