熱延伸測試：材料耐熱變形性能的關(guān)鍵評估方法

一、引言

在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，熱延伸測試（Heat Extension Test）是一項重要的性能評價手段，主要用于評估高分子材料（如橡膠、塑料、電線電纜絕緣層等）在高溫環(huán)境下受恒定機(jī)械載荷時的變形行為。無論是工業(yè)生產(chǎn)中的密封件、管材，還是電子設(shè)備中的電線電纜，材料的耐熱變形能力直接影響產(chǎn)品的使用壽命與安全性能。例如，電線電纜的絕緣層若在高溫下過度延伸或永久變形，可能導(dǎo)致導(dǎo)體暴露，引發(fā)短路風(fēng)險。因此，熱延伸測試成為材料研發(fā)、質(zhì)量控制及產(chǎn)品認(rèn)證中的核心環(huán)節(jié)。

二、測試的基本原理與目的

熱延伸測試的核心原理是：將標(biāo)準(zhǔn)試樣置于恒定高溫環(huán)境（如70℃、100℃、150℃等，根據(jù)材料類型選擇）中，施加恒定拉伸載荷（通常為材料拉伸強(qiáng)度的一定比例，或固定質(zhì)量的砝碼），保持規(guī)定時間后，測量試樣的熱延伸率（受熱后的瞬時變形）和永久變形率（冷卻至室溫后無法恢復(fù)的變形）。

測試的主要目的包括：

評估材料的耐熱穩(wěn)定性：判斷材料在高溫下是否能保持結(jié)構(gòu)完整性，避免因熱軟化導(dǎo)致的過度變形；
驗(yàn)證材料的交聯(lián)程度：對于橡膠等交聯(lián) polymer 材料，熱延伸率與永久變形率可反映交聯(lián)密度——交聯(lián)密度越高，熱變形越小；
保障產(chǎn)品安全性：確保材料在使用環(huán)境（如汽車引擎艙、工業(yè)爐周邊）中的性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，防止因變形引發(fā)的失效。

三、主要測試標(biāo)準(zhǔn)

熱延伸測試的方法由國際或國家標(biāo)準(zhǔn)化組織制定，常見標(biāo)準(zhǔn)包括：

國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO 2578《橡膠或塑料涂層織物——熱延伸和永久變形的測定》、ISO 6722《道路車輛——低壓電纜》；
國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 2951.11《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)》（針對電線電纜）、GB/T 7759《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的測定》（衍生標(biāo)準(zhǔn)）；
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：如汽車行業(yè)的QC/T 1067《汽車用電線電纜》。

這些標(biāo)準(zhǔn)對試樣規(guī)格、溫度范圍、載荷大小、測試時間等參數(shù)做出了明確規(guī)定，確保測試結(jié)果的可比性與權(quán)威性。

四、測試設(shè)備與試樣制備

1. 核心設(shè)備

恒溫試驗(yàn)箱：需具備精確的溫度控制能力（誤差≤±2℃），能保持測試過程中溫度穩(wěn)定；
拉力試驗(yàn)機(jī)/砝碼加載裝置：用于施加恒定載荷，可選擇電動拉力機(jī)（精準(zhǔn)控制載荷）或砝碼（簡單易行，適用于低載荷場景）；
試樣夾具：通常為平板式或楔形夾具，需保證試樣在加載時不打滑、不破損；
測量工具：游標(biāo)卡尺、千分尺或光學(xué)測量系統(tǒng)，用于測量試樣的原始長度、熱延伸后的長度及冷卻后的長度。

2. 試樣制備

試樣的形狀與尺寸需符合對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，常見的有啞鈴型（用于橡膠、塑料）、條形（用于電纜絕緣層）。例如，GB/T 2951.11規(guī)定，電纜絕緣層試樣的長度為（200±2）mm，寬度為（10±0.5）mm，厚度為原始絕緣層厚度（保留1~2mm的誤差）。

制備試樣時需注意：

避免試樣表面有劃痕、氣泡或雜質(zhì)，以免影響測試結(jié)果；
對于交聯(lián)材料，需確保試樣已完成硫化或交聯(lián)反應(yīng)（如橡膠的硫化、塑料的交聯(lián)）；
試樣數(shù)量通常為3~5個，取平均值作為最終結(jié)果。

五、測試步驟詳解

以GB/T 2951.11（電線電纜絕緣層）為例，熱延伸測試的典型步驟如下：

1. 條件調(diào)節(jié)

將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境（溫度23±2℃，相對濕度50±5%）中放置至少24小時，確保試樣狀態(tài)穩(wěn)定。

2. 原始尺寸測量

用千分尺測量試樣的原始厚度（d?），用游標(biāo)卡尺測量試樣的原始長度（L?，通常取夾具間的初始距離，如100mm）。

3. 安裝試樣與升溫

將試樣固定在夾具上，調(diào)整夾具間距至L?，然后將整個裝置放入恒溫箱中。設(shè)置恒溫箱溫度至規(guī)定值（如125℃，對應(yīng)交聯(lián)聚乙烯絕緣），開始升溫。

4. 施加載荷

當(dāng)恒溫箱達(dá)到設(shè)定溫度并保持10分鐘后，施加恒定載荷。載荷大小計算公式為：
$F = \sigma \times A_0$
其中， $\sigma$ 為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)力（如GB/T 2951.11中為0.2MPa）， $A_0$ 為試樣的原始橫截面積（ $A_0 = 寬度 \times 厚度$ ）。

5. 保持與測量熱延伸

載荷施加后，保持15分鐘。此時，用測量工具記錄試樣的熱延伸后長度（L?）。

6. 冷卻與測量永久變形

移除載荷，將試樣從恒溫箱中取出，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中冷卻30分鐘。然后測量試樣的永久變形后長度（L?）。

7. 結(jié)果計算

熱延伸率（ε?）：
$\varepsilon_1 = \frac{L_1 - L_0}{L_0} \times 100\%$
永久變形率（ε?）：
$\varepsilon_2 = \frac{L_2 - L_0}{L_0} \times 100\%$

六、結(jié)果分析與判定

測試結(jié)果需與標(biāo)準(zhǔn)中的限值要求對比，例如：

GB/T 2951.11規(guī)定，交聯(lián)聚乙烯絕緣材料在125℃、0.2MPa載荷下，熱延伸率不得超過175%，永久變形率不得超過25%；
ISO 2578要求，橡膠涂層織物在70℃下的熱延伸率不超過100%，永久變形率不超過50%。

若結(jié)果超出限值，說明材料的耐熱變形性能不符合要求，需調(diào)整材料配方（如增加交聯(lián)劑用量、改善填充體系）或生產(chǎn)工藝（如延長硫化時間、提高交聯(lián)溫度）。

七、影響測試結(jié)果的關(guān)鍵因素

溫度控制：恒溫箱的溫度均勻性與穩(wěn)定性直接影響結(jié)果——溫度偏高會導(dǎo)致熱延伸率增大，溫度偏低則結(jié)果偏小；
載荷準(zhǔn)確性：載荷過大或過小都會改變變形行為，需嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)計算載荷；
試樣制備：試樣的厚度、寬度誤差過大，或表面有缺陷，會導(dǎo)致結(jié)果離散性大；
測試時間：保持時間不足（如未達(dá)到15分鐘）會導(dǎo)致熱延伸率未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，影響結(jié)果真實(shí)性；
材料狀態(tài)：未完全交聯(lián)的材料（如橡膠未硫化完全），熱延伸率會顯著增大。

八、應(yīng)用領(lǐng)域

熱延伸測試廣泛應(yīng)用于以下行業(yè)：

電線電纜：評估絕緣層、護(hù)套材料的耐熱變形能力，確保電纜在高溫環(huán)境（如電力傳輸、汽車線路）中的安全性；
橡膠制品：如密封件、O型圈、輪胎，需承受發(fā)動機(jī)艙或工業(yè)設(shè)備的高溫，熱延伸測試是質(zhì)量控制的關(guān)鍵；
塑料管材：用于熱水管道、工業(yè)輸液管，需保證在高溫介質(zhì)中不發(fā)生過度變形；
汽車零部件：如汽車線束的絕緣層、發(fā)動機(jī)周邊的塑料件，熱延伸性能直接影響零部件的使用壽命。

九、注意事項與未來發(fā)展

1. 安全注意事項

恒溫箱工作時溫度較高，需避免直接接觸，防止?fàn)C傷；
加載砝碼時需緩慢操作，避免試樣突然斷裂彈出；
測試完成后，需待恒溫箱冷卻至室溫后再取出試樣。

2. 技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，熱延伸測試技術(shù)也在不斷優(yōu)化：

自動化測試設(shè)備：采用計算機(jī)控制的拉力機(jī)與恒溫箱，實(shí)現(xiàn)溫度、載荷、測量的自動控制，提高測試效率與重復(fù)性；
非接觸測量：利用激光或圖像分析技術(shù)測量試樣變形，避免接觸式測量對試樣的損傷；
多參數(shù)同步測試：同時測量溫度、載荷、變形、應(yīng)力等參數(shù)，深入分析材料的熱機(jī)械行為。

十、

熱延伸測試作為評估材料耐熱變形性能的關(guān)鍵方法，在高分子材料的研發(fā)與應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。通過嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)步驟、控制影響因素，可準(zhǔn)確反映材料在高溫下的變形特性，為產(chǎn)品設(shè)計、質(zhì)量控制提供可靠依據(jù)。隨著測試技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱延伸測試將更加高效、精準(zhǔn)，為新材料的開發(fā)與應(yīng)用提供更有力的支持。

（注：本文所述測試方法與標(biāo)準(zhǔn)均基于公開資料，具體操作需以對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。）