航空线缆绝缘热老化试验分析及老化模型

Analysis of Insulation Thermal Aging Test and Aging Model of Aviation Cables

摘要

由于航空线缆敷设广、铺设环境多样、模型机理复杂，航空线缆绝缘老化状态无法得到有效评估。为探索航空线缆绝缘性能变化规律，选用乙烯-四氟乙烯（ETFE）聚合物绝缘的航空线缆为研究对象，开展热老化试验。结果表明：在加速热老化的环境下，航空线缆绝缘电阻随老化时间的增加无明显规律；当温度从200 ℃增至230 ℃时，绝缘电阻降幅在38%~69%左右；随着老化时间的增加及温度的升高，泄漏电流保持在2.2~2.3 mA，时间与温度对其影响较小；航空线缆机械性能下降，200 ℃和230 ℃下抗拉强度与断裂伸长率最大降幅分别为19%和79%，温度越高降幅越大。以断裂伸长率为特征参数开展热老化试验，建立以Arrhenius方程为理论基础的航空绝缘老化寿命评估模型，运用时温转换原理对寿命模型进行验证。使用该模型可初步对机载线缆绝缘状态进行评估，为制订线缆的维护计划以及延长线缆的使用寿命提供参考。

Abstract

Due to the extensive distribution, diverse laying environments, and complex model mechanisms of aviation cables, the aging state of aviation cable insulation could not be effectively assessed. To explore the variation patterns of aviation cable insulation performance, aviation cables with ethylene-tetrafluoroethylene (ETFE) polymer insulation were selected as the research subject for thermal aging tests. The results indicated that under accelerated thermal aging conditions, the insulation resistance of aviation cables showed no distinct pattern with the increase of aging time. When the temperature rose from 200 ℃ to 230 ℃, the value decreased by approximately 38% to 69%. As the aging time increased and the temperature rose, the leakage current remained at 2.2~2.3 mA, with minimal influence from time and temperature. The mechanical properties of aviation cables deteriorated, with the maximum reductions in tensile strength and elongation at break being 19% and 79% at 200 ℃ and 230 ℃, respectively, and the higher the temperature, the greater the reduction. Thermal aging tests were conducted using elongation at break as the characteristic parameter, and an aviation insulation aging life assessment model based on the Arrhenius equation was established. The life model was verified using the time-temperature superposition principle. This model could preliminarily assess the insulation state of airborne cables and provide references for formulating cable maintenance plans and extending cable service life.

Graphical abstract

关键词

航空线缆 / 绝缘性能 / 断裂伸长率 / 寿命评估模型 / 时温转换原理

Key words

Aviation cables / Insulation performance / Elongation at break / Life expectancy assessment model / Time-temperature superposition principle

航空线缆几乎遍布飞机的每个角落，不同材料规格和类型的线缆将飞机的航电、环控等系统连成一个完整的总体系统，实现信息和能量传输的重要功能，其可靠性被视为基本质量要求^[1]。因此，航空线缆的安全可靠性评估至关重要。一旦航空线缆绝缘逐渐老化乃至失效，将对飞行安全构成重大威胁^[2-3]。1996年，环球航空12号班机从纽约飞往巴黎后不久爆炸坠毁。经过多年的调查，美国国家运输安全委员会(NTSB)将爆炸归因于油箱内线缆绝缘老化引发的电弧^[4]；两年后，瑞士航空111号班机发生空难，起因是一根电线短路产生的电火花引燃了电线的绝缘层^[5-7]。线缆故障问题一直存在^[8]，已成为航空运行管理部门高度关注的问题。然而，由于线缆绝缘老化是一个缓慢、长期且不易检查的过程，至今仍需大量学者开展研究工作。因此，有必要对航空线缆绝缘老化规律进行探索，并对线缆的绝缘寿命进行评估^[9]。21世纪初，姚志^[10]选取断裂伸长率作为老化特征参量，对船用线缆的热老化寿命进行评估。李文文^[11]利用设计的在线检测系统，计算并判定线缆在该工作温度下的使用寿命。杨靖^[12]基于Arrhenius公式建立多因素协同作用下电力电缆热寿命模型，并使用自适应模糊神经网络对电缆的寿命进行评估，验证了神经网络评估寿命模型的有效性。目前航空线缆绝缘材料主要包括聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯-四氟乙烯(ETFE)等含氟聚合物^[13-15]。其中，ETFE是一种聚合物材料，熔点为265~280 ℃，工作温度范围为-60~150 ℃，具有良好的耐高温性能。同时，由于其低密度和高强度，ETFE可显著减小线缆的直径和质量^[16]，因此在航空线缆领域得到广泛应用。

本文以绝缘的ETFE国产AF150X航空线缆为研究对象，该线缆导体为镀锡铜导线，且导线无护套^[17]。研究首先对航空线缆开展热老化试验，然后对老化后的线缆进行电气和机械性能测量，以探索线缆绝缘性能的变化规律。在分析老化后航空线缆性能参数的基础上，主要以断裂伸长率为特征参数进行老化试验研究，为机载线缆的修理和更换提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

航空线缆，AF150X，中国商用飞机有限责任公司。

1.2 仪器与设备

绝缘材料体积电阻测试仪，ZY6156A，中诺(东莞)质检仪器设备有限公司；耐压测试仪，GY2670A，中诺(东莞)质检仪器设备有限公司；材料拉力试验机，ZY6010B-SC-500KG，青岛众邦仪器有限公司；恒温水箱，HH-600，苏州凯特尔仪器设备有限公司；热老化试验箱，ZY6011，中诺(东莞)质检仪器设备有限公司；试样切片机，K-QP，东莞品高检测仪器设备有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 老化线缆的选取

为测量线缆的电气性能，老化试验样品选自AF150X规格为1 mm²的ETFE成品线缆，按照GB/T 3048.5—2307将线缆制成10 m长试样^[18]。

为测量线缆的机械性能，老化试验样品选自AF150X规格为6 mm²的ETFE成品线缆，按照GB/T 2951.11—2008将线缆剪切长为100 mm的小段试样^[19]。

1.3.2 试样的制备

沿轴向切开试样的绝缘层，将绝缘层从线缆上剥离，抽出其中的导体，并将绝缘层部分展开为矩形，之后使用试样切片机在绝缘层上进行冲片，最终得到符合标准的哑铃形试样，其宽度为4.0 mm，厚度为0.6 mm。

1.4 性能测试与表征

电气性能测试：对老化后线缆的绝缘电阻和泄漏电流进行测量，探索其随老化时间、温度的变化规律。采用绝缘材料体积电阻测试仪测量绝缘电阻，测试电压为500 V，在施加电压1 min后进行读数。试验在恒温水箱中进行，环境温度保持在15~25 ℃。为保证测试的准确性，测试前将待检测线缆放置在恒温水箱内2 h左右。本试验恒温水箱温度维持在23 ℃，测量时线缆试样两端各露出250 mm，绝缘部分露出150 mm，线芯部分裸露100 mm。采用耐压测试仪测量泄漏电流，测量电压为2 kV，在施加电压1 min后进行读数，在恒温水箱中进行测量，水温保持在23 ℃。

机械性能测试：抗拉强度是指线缆在受力拉伸的情况下能够承受的最大拉力，而断裂伸长率则是指线缆在断裂之前能够承受的拉伸程度。按照GB/T 2951.11—2008进行机械性能测量，采用材料拉力试验机对试样进行拉伸，夹具的上下两端垂直夹住试样左右两端8 mm处，并始终保持加紧状态，将拉伸速度设定为10 mm/min，直至将试样拉断。记录电脑显示端试样的抗拉强度和断裂伸长率。

2 结果与讨论

2.1 老化线缆电气性能分析

测量200 ℃和230 ℃温度下老化后线缆的绝缘电阻与泄漏电流，取样时间点分别为24、120、240、360 h，取其平均值。图1为绝缘电阻与老化时间的关系。从图1可以看出，在两种温度下绝缘电阻与老化时间之间均没有明显的规律，高温处理后线缆绝缘电阻虽有波动但总体仍维持在较高的水平。这可能是因为ETFE绝缘材料具有较好的耐热性和抗老化性能，在一定的时间内，绝缘电阻会相对稳定^[20]。200 ℃下绝缘电阻的均值均比230 ℃下绝缘电阻高，这与正常情况相符合。绝缘材料的电阻通常会受到温度的影响，具有电阻温度系数。对于ETFE材料来说，电阻温度系数为负值意味着温度的升高会导致绝缘电阻减小。

图2为泄漏电流与老化时间的关系。从图2可以看出，在200 ℃和230 ℃高温处理下，线缆的泄漏电流变化极小，总体在2.2~2.3 mA范围内，与老化时间和老化温度之间均没有明显关系，老化过程中不易导致泄漏电流发生显著变化。这意味着线缆高温下绝缘性能仍保持良好，没有发生明显的绝缘材料损坏或缺陷，可以保证线缆正常的电气性能和安全性。ETFE绝缘材料在高温条件下表现出较好的稳定性和耐热性。

图3为抗拉强度与老化时间的关系。从图3可以看出，抗拉强度虽然随着老化时间逐渐下降，但变化幅度并不显著，230 ℃下在24~360 h下降幅度为19%，200 ℃下降幅度仅为10%，200 ℃温度下的抗拉强度均比230 ℃温度下的抗拉强度高。

图4为断裂伸长率与老化时间的关系。从图4可以看出，线缆的断裂伸长率随老化时间的增加逐渐下降，且老化温度越高，断裂伸长率下降幅度越大，从24~360 h最高下降幅度可达79%，本研究将着重针对断裂伸长率进行实验分析。

在热老化处理下，抗拉强度和断裂伸长率均随着老化时间的增加而减小。这是老化期间材料分子链的断裂所导致的^[21]，从而使材料整体机械性能的下降。

2.2 老化线缆断裂伸长率分析

对200、230、260 ℃ 3个老化温度下的试验样本进行拉伸试验，得到其断裂伸长率，并用指数函数对数据点进行拟合。图5为断裂伸长率随老化时间变化的拟合曲线。

从图5可以看出，3个曲线拟合优度均达到95%以上，数据拟合效果较好。断裂伸长率与老化时间有着明显的规律，且随着老化温度的升高，其下降的幅度逐渐增大。在260 ℃下，热老化处理24 h，断裂伸长率已经下降到150%以下，说明线缆绝缘材料在该温度下受损迅速。由标准GJB 773A/14A—2000可知，该材料断裂伸长率低于150%即为绝缘失效^[22-23]，即该材料在热老化处理24 h之前已经绝缘失效。随着热老化时间的推移，断裂伸长率的下降速度逐渐减缓，最终趋于平缓。这是因为在老化后期阶段，材料中剩余的分子链结构已相对稳定，热老化导致的影响已经减弱。在230 ℃下，线缆绝缘失效发生在热老化处理120~168 h。断裂伸长率变化规律与260 ℃相似，在达到失效值后下降速率趋于平缓，但断裂伸长率下降速率明显低于260 ℃温度下断裂伸长率下降的速率。与260 ℃和230 ℃相比，在200 ℃温度下，断裂伸长率下降幅度不大，在处理360 h后，仍保留在377.854%。最初断裂伸长率下降缓慢是因为在这个阶段高温会导致聚合物链之间的一些弱化和断裂，但整体分子结构仍然相对稳定。然而，在200 ℃下，随着时间的推移，断裂伸长率下降速率逐渐增大，微小的断裂会导致分子链之间的相互作用减弱，从而使材料的整体性能下降，最终导致断裂伸长率的下降速率越来越快，直至线缆机械性能失效。

根据拟合方程可得出3种不同温度下线缆绝缘寿命终点时间。表1为不同温度下线缆寿命终止时间。

2.3 老化线缆寿命评估模型的建立

Arrhenius方程是1个描述材料化学反应速率与温度之间关系的经验公式^[24]。在线缆绝缘老化研究中，可将该方程用于描述线缆绝缘性能退化速率与温度之间的关系，建立线缆绝缘热老化寿命模型，得出线缆绝缘热老化寿命。

\frac{\partial M}{\partial t}=A_{\mathrm{0}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(\frac{-E_{\mathrm{a}}}{RT})(1)

式(1)中：M为绝缘特征性能退化量；t为反应时间，s；A₀为指前因子，s^-1；E_a为活化能，J/mol；R为气体摩尔常数，J/(mol·K)；T为热力学温度，K。

假设试样初始老化量为M₁，其对应时间为t₁，t₂时刻老化量增加至M₂。若温度T变化不大，则从t₁到t₂热老化所造成的老化量为：

M_{\mathrm{2}}-M_{\mathrm{1}}={\int }_{t_{\mathrm{1}}}^{t_{\mathrm{2}}}{A}_{\mathrm{0}}exp(\frac{-E_{\mathrm{a}}}{RT})\mathrm{d}t(2)

M_{\mathrm{2}}-M_{\mathrm{1}}=A_{\mathrm{0}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(-\frac{E_{\mathrm{a}}}{RT})(t_{\mathrm{2}}-t_{\mathrm{1}})(3)

令t=t₂-t₁，得到式(4)。

t=\frac{M_{\mathrm{2}}-M_{\mathrm{1}}}{A_{\mathrm{0}}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(-\frac{E_{\mathrm{a}}}{RT})(4)

当M₂达到失效值(M_p)时，即认定样品绝缘寿命到达终点。两边同时取对数得：

\mathrm{l}\mathrm{n}t=\mathrm{l}\mathrm{n}\frac{\left|M_p-M_{\mathrm{1}}\right|}{A_{\mathrm{0}}}+\frac{E_{\mathrm{a}}}{RT}(5)

令a=\mathrm{l}\mathrm{n}\frac{\left|M_{\mathrm{p}}-M_{\mathrm{1}}\right|}{A_{\mathrm{0}}}，b=\frac{E_{\mathrm{a}}}{RT}，得到式(6)。

\mathrm{l}\mathrm{n}t=a+\frac{b}{T}(6)

待定系数(a、b)可通过试验和推导得到。

令式中的x=1/T，y=ln t，可得式(7)。

y=a+bx(7)

根据表1中的线缆寿命终止时间和老化温度，用最小二乘法对试验数据进行拟合。

\left\{\begin{array}{l}b=\frac{\left(k\sum xy-\sum x\sum y\right)}{k\sum x^{\mathrm{2}}-{\left(\sum x\right)}^{\mathrm{2}}}\\ a=\frac{\left(\sum y-b\sum x\right)}{k}\end{array}\right.(8)

y=-\mathrm{32.483}\mathrm{36}+\mathrm{18}\mathrm{730.411}\mathrm{95}x(9)

求得的绝缘材料老化寿命评估模型为：

\mathrm{l}\mathrm{n}t=-\mathrm{32.483}\mathrm{36}+\frac{\mathrm{18}\mathrm{730.411}\mathrm{95}}{T}(10)

为验证断裂伸长率数据的准确性和模型的正确性，引入时温转换原理。该原理表明，在不同温度下，相同的老化机制会导致相似的失效行为。通过将高温加速老化下的断裂伸长率外推至较低温度，构建不同温度下断裂伸长率的主曲线。如果数据点在平移后无法形成光滑的主曲线，则表明不同温度下的老化机制存在显著差异，进而说明外推至正常温度下断裂伸长率与寿命之间的关系不准确。

在实验数据分析中，将高温下的实验数据外推至其他温度水平需要用到平移因子a_T，其定义为：

{\alpha }_T=\frac{T_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}{t_T}(11)

式(11)中：t_T 为热力学温度为T时对应的时间参数，s；t_ref为平移至基准温度后对应的时间参数，s。

将式(11)与式(4)结合得到式(12)。

{\alpha }_T=\frac{T_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}{t_T}=\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}[\frac{E_{\mathrm{a}}}{R}(\frac{\mathrm{1}}{T_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}-\frac{\mathrm{1}}{T})](12)

本文以200 ℃为基准温度，将其代入式(12)并取对数可得：

\mathrm{l}\mathrm{n}{a}_T=\frac{E_{\mathrm{a}}}{R}(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{453}}-\frac{\mathrm{1}}{T})(13)

根据式(9)的斜率b，可得E_a为155.725 kJ/mol。将求得的E_a带入式(13)，可求得230 ℃、260 ℃对应的时温平移因子分别为10.610和86.289。在同一坐标轴下对200、230、260 ℃温度下的断裂伸长率进行主曲线构造，图6为时温转换结果。从图6可以看出，通过数据点平移可以在参考温度200 ℃下得到一条光滑的主曲线，曲线拟合度为0.988 05，能够较好地反映线缆加速老化下的性能变化规律，同时也验证了本文所建立的寿命模型正确性，可以评估线缆在正常温度下的使用寿命。

对于ETFE绝缘的AF150X线缆，国家标准允许最高工作温度为150 ℃，由式(13)对其寿命进行评估发现，150 ℃下AF150X线缆可正常工作15.159年。

3 结论

本文以ETFE绝缘AF150X航空线缆为实验对象，探索分析老化后航空线缆的绝缘性能变化规律。在航空线缆老化过程中，绝缘电阻有所波动，但随老化时间并不是单调变化，当温度从200 ℃增至230 ℃，绝缘电阻在24~360 h的降幅在38%~69%左右，整体仍具有良好的绝缘性能。在2 kV电压下线缆的泄漏电流波动较小，总体在2.2~2.3 mA，随热老化变化不明显。断裂伸长率结果表明，在200 ℃下，由于温度较低，断裂伸长率随老化时间下降较为缓慢，从24~360 h下降幅度仅为6%，在230 ℃和260 ℃下前阶段迅速下降，后阶段由于分子结构已经遭受破坏，下降速率趋于平缓。利用Arrhenius方程建立基于断裂伸长率的ETFE航空线缆绝缘老化寿命评估模型，并通过时温转换原理对寿命评估模型进行验证，研究成果可为线缆的维修更换等提供参考。

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基金资助

国家自然科学基金项目(U2033209)

天津市研究生科研创新项目基金(2023YJSKC01009)