05-耐热性试验及评定方法

第五章 耐热性试验及评定方法

1 耐热性试验

1.1 试验程序概述

评定一种材料热性能的标准化程序，按下述先后步骤进行。

a）制备适量供性能测量用的试样（见2）①）；

b）把试样分组进行几个确定的高温水平下的老化，既可以连续地也可以循环地进行若干周期，在周期之间，通常把试样恢复到室温或另一个标准温度（见2）⑤）；

c）对试样进行诊断试验以揭示老化程度。诊断试验可以采用非破坏性试验或破坏性试验或进行某一性能的测定有可能使试样遭受破坏的检查试验（见2）①和②）；

d）延长连续热暴露或热循环直至规定的终点，即达到试样失效或在被测性能变化达到规定的程度（见2）①，②和⑤）；

e）根据老化程度种类（连续的周期的）以及诊断试验（见c）项）报告试验结果，包括：老化曲线或每一试样到达终点的时间或周期数；

f）按3）①及3）⑧所述用数字方法评定这些数据并作图；

g）按3）①所述，以温度指数和半差的缩写形式表示完整的信息。

- 33 -

1.2详细的试验程序

① 试验程序的选择

a) 概述

每一试验程序是最好要规定试验的形状、尺寸和数目，暴露温度和时间，与TI相关的性能，性能测定方法，终点，以及从试验数据推出耐热特征参数。

所选的性能尽可能反映（如果可能，以显著方式）材料在实际应用中的功能。

为了提供均一条件，可能需要规定试验从烘箱中取出后和测量前的条件处理。

b) TI测定的具体规程

如果有材料规范，通常会给出TI值可接受下限的性能要求。如果没有这样的材料规范，则可从GB/T 11026.2中选择评定耐热性的性能和方法（如果找不到这样的方法，则按下列顺序优先选用国际的、国家的或学会、协会标准或某种专门设计的方法）。

c) 终点时间不是20 000h的TI测定

在大多数情况下，所要求的耐热特征参数持续时间预定为20 000h。然而，常常还需要较长或较短的时间的信息。在较长的时间情况下，要求或推荐时间（例如5 000h作为最长的终点时间的最小值），应按实际规定的时间与20 000h之比率增加。同理，老化周期持续时间也应以大致的比率变化。再次，温度外推应不超过25K。在较规定时间短的情况下，必要时，可能要以相同比率减少相应时间。

- 34 -

② 终点选择

材料的耐热性可能需要由不同的耐热数据（应用不同性能和/或终点得到的）予以表征，以便合理选择材料以满足某一绝缘结构的特殊应用。

确定终点可任选下述两种方法之一：

i) 取相对于性能初始值增加或减少的某个百分数。该方法将提供材料之间的比较，但与它正常运行中所要求的性能值关系较下述ii)法差。初始值的确定见2)④；

ii）取性能的固定值。可以按通常运行要求选择这个值。检查试验的终点主要是以性能的固定值形式给出。

选择终点最好能反映绝缘材料劣化的程度，即这种劣化降低了材料在某一绝缘结构中实际运行时承受某种应力的能力。作为表明试验达到终点的性能劣化程度最好与实际应用中所要求的材料性能允许安全值有关。

③ 试样的制备和数量

a) 制备

老化试验用试样应由所研究总体中随机抽取的样品组成并经均一化处理。

某些情况下，在耐热性测定的性能测量表中规定了试样的厚度。如果没有规定，则应报告厚度。某些物理性能甚至对试样厚度的微小变化都是敏感的，在这种情况下，如果相应规范有要求的话，则在每一老化周期之后，可能需要对厚度进行测定并报告。

- 35 -

厚度之所以重要还因为老化速率可能会随厚度而变化。不同厚度材料的老化数据不总是可比的。因此，一种材料可能会从不同厚度下性能测量得出一个以上的耐热特征参数。

试样尺寸偏差最好与常规的用于一般试验的偏差相同，对于试样尺寸偏差要比那些常规用的偏差小的场合，应给出这些特殊偏差。筛选性测量确保试样具有被试材料相同质量和特征。

由于加工过程条件可能会显著地影响到某些材料的老化特性，因此要保证诸如在取样、从供获卷上切取片材、按给定方向切取各向异性材料、模塑、固化及预处理等方面，所有试样都是按相同方法进行的。

b) 试样数量

耐热性试验结果的准确性，极大地取决于每一温度下的老化试样的数量。通常，下述说明（i～iii）是适用的，这些说明影响到2)⑧给出的试验程序。

切实可行的做法是另外制备一些试样或至少要从同批原始材料中提供一定备用品，以便以后可以从中制备试样。这样，当遇到意想不到的复杂情况时，可以对这些另外制备的试样进行所需要的老化，使得试样组之间发生系统误差之风险降低到最小程度。如果耐热性相互关系证明是非线性的，或如果由于烘箱的热失控而导致试验损失，那么，这样的复杂情况是可能会发生的。

在非破坏性试验或检查试验的试验判断标准是根据性能初始值的场合，则测定该性能所需要的一组试样数量最好至少是每一温度组试样的两倍。对于破坏性试验，见iii)。

i) 非破坏性试验的试样数量

在绝大多数情况下，对每一暴露温度下，推荐一组五个试样。

- 36 -

ii) 检查试验的试样数量

在绝大多数情况下，要求每一暴露温度至少一组由11个试样组成。如果在每一组内的试样数是奇数，则对图解法求解及在某些其他情况下，数据处理可能更加简单。

iii) 破坏性试验的试样数量

试样数（N）按下式得出：

N=a×b×c+d

式中：

a——某一试验组内经过一个温度下相同处理且在性能测定之后抛弃的试验数（通常为五个）；

b——在一温度下的处理次数，即暴露次数的总数；

c——老化温度水平的个数；

d——组内用于确定性初始值的试样数。当诊断标准是以其性能相对于其初始水平的百分变化时，正常的做法是取d=2a。当诊断标准是某一性能绝对水平时，通常d是零，除非要求报告初始值。

④ 初始性能值的确定

用于测定性能初始值的试样应从准备进行老化的试样总体中随机选取一部分。性能值测定之前，应把这些试样在老化试验温度的最低水平下（见2）⑤）暴露两天（48h±6h）进行条件处理。

- 37 -

注：在某些情况下（例如很厚的试样），可能需要多于两天的时间以达到一个稳定值。

除非在诊断性能的方法中另有说明，初始值是取试验结果的算术平均值。

⑤ 暴露温度和时间

对TI测定，宜把试样暴露于不少于三个、最好四个以上的温度下，这些温度应包含有足够范围，以便能证明到达终点时间与热力学（绝对）温度倒数之间的线性关系。

为了减少在计算相应的耐热特征参数中的不确定性，需要仔细选择热暴露的整个温度范围，注意下列要求：

a）测定TI时最低的暴露温度应是能使测得的终点的平均时间或中值时间大于5 000h（见2）①c)）；

b）为确定TI而进行的外推应不大于25K；

c）最高的暴露温度应是能使测得的终点的平均值或中值时间大于100h（如果可能，小于500h）。

注：对某些材料，也许不可能达到终点时间小于500h而仍保持足够的线性度。然而，对相同数据分散性而言，较小的平均终点时间范围将导致结果的较大的置信区间。

有关如何应用非破坏性试验、检查试验或破坏性试验的试验判断标准，2)⑧提供了相关及详细的说明。

⑥ 老化烘箱

- 38 -

在整个老化过程中，老化烘箱中放样空间的温度应保持在GB/T 11026.4给定的偏差范围内。除非另有规定，应采用GB/T 11026.4规定的烘箱。

烘箱内的空气循环和换气量最好应足以保证热降解速率不因分解产物的堆积或氧气的减少而受到影响（见2）⑦）。

⑦ 环境条件

特殊环境条件的影响，诸如极端的潮湿、化学污染或振动，在许多情况下，可能通过绝缘结构试验进行评定更加适合。

a) 老化过程的大气条件

除另有规定外，老化应在运行于标准实验室大气中的烘箱内进行。然而，某些对烘箱内湿度非常敏感的材料，当放置老化烘箱的房间内的绝对湿度受到控制，并使其等于GB/T 11580的相应的标准大气B的绝对湿度时，可得到更加确实可靠的结果。因此，应报告上述或其他规定的条件。

b) 性能测量的条件处理

试样在测量之前应进行条件处理并应在材料标准规范中的规定的条件下进行测量。

⑧ 老化程度

本条是有关应用下列试验的基本程序：

a）非破坏性试验；

- 39 -

b）检查试验；

c）破坏性试验。

按2)③说明，制备若干试样。如有必要，按2)④规定，测定性能的初始值。把试样按暴露温度的个数随机地分成同样个数的组。

按2)⑤说明，确定暴露温度和时间。

在符合2)⑥要求的每一烘箱中放置一组试样进行暴露，烘箱要尽可能保持接近所规定的温度。建议给每一单个试样做标记以简化它每一次试验之后正确返回烘箱。

i) 非破坏性试验的应用程序

在每一周期结束时，从各自烘箱中取出试样组，除另有规定外，让其冷却至室温。某些试验的性能可能要求在烘箱温度下测量，在这种情况下，老化继续进行。

对每一试样进行相应试样，然后把试样组返回到原先烘箱，在如同以前一样的温度下，进行下一周期的暴露。继续温度暴露周期、冷却并施加试验直至试样组内试样的平均测得值达到规定的终点并至少供超过终点的一个点。

按6.1所列及IEC 60216-3细节评定结果并按6.8规定报告结果。

ii) 检查试验的应用程序

按检查试验程序试验的试样应随机地从通过筛选检查试验的试样中抽取。

- 40 -

每一周期结束后，从烘箱中取出所有试样。每次取出之后，让这些试样冷却至室温，然后，让每一试样进行规定的检查试验。再把通过检查试验的试样返回到他们原先的烘箱，在如同以前一样的温度下，进行下一周期的暴露。

继续温度暴露周期、冷却及施加检查试验，如果试样数（m）是奇数，则直至中值试样数（m+1）/2失效；如果试样数是偶数，则直至中值试样数（m/2+1）失效。如果结果显示该终点时间很可能是在大约10个暴露周期内达到，则没有必要改变原先选择的暴露周期；如果结果没有这种显示，则可能要改变周期，使得至少7个周期（最好是10个周期左右）内得到期望的中值结果，应在第4周期之前作出改变周期时间的决定。

按3)①所列评定结果，按3)⑧规定报告结果。

iii) 破坏性试验的应用程序

对每一烘箱，随机选取预定试样数量的试验组，按合适的暴露时间顺序经某段时间之后，把试验组分别从烘箱中取出。

在每一次取出之后，除非另有规定，让一组试样冷却至室温，对预期其性能会随温度或湿度显著变化的材料，除非另有规定，应将这些试样在GB/T 10580的B标准大气条件中处理一夜。对试样进行试验并按IEC 60216-3以结果和结果的算术平均值（或其合适的变换形式）对暴露时间的对数作图。

按3)①所列评定结果，按3)⑧规定报告结果。

1.3 评定

① 试验数据的数字分析

- 41 -

③～⑦规定了试验数据的所有完整分析的数字计算程序。TI数据的分析是建立在这样假设基础上的：终点时间的对数与热力学老化温度的倒数之间存在着线性关系。

② 耐热特征参数和形式

耐热性特征参数是：温度指数，TI，和半差，HIC（见3）⑦）。

电气绝缘材料的耐热性总是针对某一具体性能和终点给出的。如果忽略这一点，耐热性能没有任何意义。因为经受过热老化的材料性能可能未必按相同速率全部变坏，因此，一种材料可能会得出一个以上的温度指数或半差，例如，从不同性能测量得出的。

对于按数字法推导并满足有关线性度和分散度统计条件的场合，其表示形式为：

TI（HIC）：TI值（HIC值），例如，TI（HIC）：152（9.0）。

应把TI值表示成最接近的整数值，HIC值表示成一位小数。

对于图解推导或不能满足统计条件的场合，其表示形式为：

TIg=TI值，HICg=HIC值，例如，TIg=152，HICg=9.0。

如果推导TI时，应用的时间不是20 000h，则应说明以kh表示的相关时间，即数值后加上kh。因此，这样TI的表示形式为：

TI以kh为单位的时间（HIC）：TI值（HIC值）,例如，TI40kh（HIC）：131（10，0），并且该形式也适用于TIg，例如，TIg40kh=131，HIC=10，0。

- 42 -

对于按简化程序（见7.6）推导的场合，表示形式为：

TIs=TI值，HICs=HIC值，例如，TIs=152，HICs=9.0。

③ 终点时间，x—和y—值

对每一温度组，x—值应该应用下述公式计算：

x=1/（θ+Θ0）…………………………（1）

式中，θ是以摄氏度表示的温度，Θ0=273.15K。

a) 非破坏性试验

在试样的每一温度组内，每一试样都获得每一老化周期后的的性能值。从这些值获得终点时间并计算它的对数作为3)④中用到y-的值。

b) 检查试验

对每一温度组内的每个试样，计算最接近达到终点之前的老化周期的中点时间并取该时间的对数作为Y值。

在第一个老化周期内的终点时间应作无效处理。在这种情况下，要么，

——用新的试样组开始老化，或者，

- 43 -

——不管这些试样并把归入第i组内地试样数（mi）的值减少一个。

如果在第一周期过程中有一个以上试样达到终点，则去除这组并试验另外一组，要特别注意试验程序的任何临界点。

c) 破坏性试验

由于在进行有关性能测量中每一试样遭到破坏，因此，不可能直接测量任何试样的终点时间。应用IEC 60216-3：2002的6.1.4详细叙述的数字方法，可以计算推测的终点时间。

该方法是建立在这样假设基础上，即在一个温度下老化的所有试样的老化速率都是相同的，因此能够从一连串试验过的试验组的性能平均值确定老化速率。选择老化曲线的近似线性范围，并通过每一（时间、性能）点，绘制一条平行于平均老化曲线的线。该线与终点线的交点，给出所需要的终点时间的对数。

注：老化曲线是通过绘制性能值或其值的合适转换形式与暴露时间的对数关系曲线形成的。需要保证，回归线与时间轴的相交点给出的值，相同于由各条线相交的平均值。

该程序是按数值方法进行的并进行相应的统计检验。推导出的Y—值应用于3)④计算中。

④ 平均值和方差

a) 完整数据

对一个温度组内的所有试样的终点时间是已知的非破坏性试验和检查试验，y值的平行值y和方差S2应按下述公式计算：

- 44 -

y=

y/n …………………………（2）

22[y(y)/n]S2=

n1 ………………………（3）

式中n是温度组中y值的数量。

对破坏性试样，应该用同样的程序，把它应用于按3)③获得的y的推测值。

b) 不完整（经检查合格的）数据

对于非破坏性试验和检查试验，当一个温度组内，在所有试样达到终点之前老化已经终止时，平均值和方差评估应按IEC 60216-3：2002的6.2.1.2计算。

⑤ 总平均值和方差及回归分析

y值加权平均值和方差及x值加权平均值和二阶中心距，应按IEC 60216-3：2002的6.2.2计算。

耐热图和偏离线性度检验的斜率和截距的回归分析应按IEC 60216-3：2002的6.3.2计算。

⑥ 统计检验和数据要求

a) 所有类型的数据

在应用统计检验之前，数据需要满足下列要求：

- 45 -

——在最低试验温度下的终点时间的平均值不少于5 000h（或当温度指数规定的时间τ不是20 000h时，应不少于τ/4）；

——温度指数与最低试验温度之间的差应不大于25K。

如果不符合这些条件中的任何一个，则不能报告TI值。为了进行有效计算，应在这样一个更低温度下，进行一个或几个新的试样组的老化并保证满足这些条件。

当一组数据满足上述要求时，统计的要求是温度指数（TI）与它的95%下置信限（TC）之间的差（TI-TC）不大于0.6HIC。这个差取决于数据点的分散、回归分析中的线性度偏差、数据点的个数和外推程度。

i）达到规定终点所需要的时间（终点时间）的对数平均值与热力学（绝对）温度倒数之间的关系是线性的：

ii）终点时间的对数与线性关系的偏差是呈正态分布的，其方差与老化温度无关。

对第一个假设是通过通常所说的Fisher检验（F检验）进行检验的。在这种检验中，从试验数据计算检验参数F并与表值F。比较，如果F＜F0，则线性假设可以接受并继续计算下去。如果F＜F0，则按推论该假设予以拒绝，但由于在特殊情况下，可能检查的是一种实际重要性的统计学上显著的非线性，所以在规定条件下，按修正过的方法（细节见IEC 60216-3），计算可以继续下去。

选择F0，使得检验是在显著水平为0.05下进行，这意味着即使这种假设是对的，也还有5%的概率拒绝假设（当正确时，有95%概率接受该假设）。

检验第二个假设，的通过Bartlett的x2检验。从数据计算检验参数x2并与表值x2比较。在显著

- 46 -

水平0.05下，如果检验参数x2大于表值，则应报告x2值和从表中查到的相应概率P。

对破坏性试验（6.3.3），也要按F检验，检验性能值的线性度随终点附近时间变化（见IEC 60216-3：2002的6.1.4.4）。

当数据的分散是这样的：TI-TC的值是处在0.6HIC与1.6HIC之间时，还是有可能报告一个调整过的TIa值而不是报告计算得到TI值，使得报告的TIa值与按通常程序计算得到的TI的下置信限之间的差小于或等于0.6HIC（即TI值用TIa=TC+0.6HIC代替，见4.3（3）和IEC 60216-3：2002的7.3）。

已经制定出满足这些情况的计算程序和适当限制，并在IEC 60216-3中详细给出。在IEC 60216-3：2002附录A和附录B中，给出了说明这些程序和条件的操作流程图和判断表。

b) 检验试验

对检查试验，把终点时间考虑为逐步走向失效的老化周期的中点。在第一老化周期终点的失效不能予以接受。在这种情况下，要么重新开始新的组试验，它也许带有较短的周期时间；要么不计这个第一周期失效而把组的标称数减1（例如，在数字计算过程中，应该把21温度组按20处理，见IEC 60216-3：2002的6.1.3），在任何情况下，最好要仔细检查试样制备技术。

在所有情况下，老化应继续下去直至每一组内超过1/2试样未能通过检查试验。对所有组的数量未必都要求相等，或失效数未必都要求相等。

c) 破坏性试验

按正常要求，在每一温度下，至少要选取三个（最好更多）老化组进行线性度检验，该检验最好

- 47 -

是在0.05显著水平下进行（见IEC 60216-3：2002的图2、图3及6.1.4.4），而且这些老化组至少有一个平均值高于终点以及至少有一个平均值低于终点。在规定情况下，允许不满足这些条件（在0.005显著水平下，无论是小的外推或线性度检验可能是允许的，见IEC 60216-3：2002的6.1.4.4）。

⑦ 耐热图和耐热特征参数

计算相对于20 000h终点时间（或者应用IEC 60216-3：2002的6.3.3公式（47）求取温度指数所选取的这样其他时间τ1）的温度θ1。

按相同方法，计算相当于10 000h终点时间的温度θ2，否则，就计算相当于τ1/2终点时间的θ2，θ2-θ1的差即是半差HIC的值。

计算相当于1 000h终点时间的温度θ3，否则就计算相当于τ1/20终点时间的温度θ3。

应用θ1点和θ3点以及其相应时间，在耐热图纸上绘制耐热回归线。

应用IEC60216-3：2002的6.3.3的公式（46）～（50），计算20 000h，1 000h时间（或按前面提到的参数选择）的温度指数评估值的下置信限，并且至少有五个中间过渡时间。把这些成对的时间-温度标绘在耐热图上，画出一条通过这些点的光滑曲线。

在同一图上，标绘出老化温度、终点时间（测得的或推测的）以及平均时间。

按3)⑤计算，推导出耐热特征参数。

⑧ 试验报告

- 48 -

试验报告应包括：

a） 被试材料的说明，包括试样尺寸和任何条件处理；

b） 所研究的性能，终点选择以及如果性能是用百分值表示的话，性能的初始值；

c） 用于测定性能的试验方法；

d） 试验程序的任何有关信息，例如，老化环境；

e） 各个试验温度及相应数据，包括：

i)对非破坏性试验，各个终点时间，性能随老化时间变化的图；

ii)对检查试验，老化周期数和持续时间，在这些周期中达到终点时间的试样数；

iii)对破坏性试验，老化时间和各个性能值，性能随老化时间变化的图；

f） 耐热图；

g） 按6.2 规定形式报告的温度指数和半差；

h） 如果IEC 60216-3：2002的6.3.1有要求，x2和k—1的值；

i） 根据IEC 60216-3：2002中5.1.2，任何第一周期的失效。

- 49 -

2 耐热性评定方法

2.1 绝缘材料的耐热性评定

同一属类的许多绝缘材料在耐热性上可以很不相同。因此，根据绝缘材料属类的化学名称类判别它们的耐热性是不合适的。

用于电工产品绝缘结构中的各种绝缘材料，它们各自的耐热性可能受到其他材料的影响。此外，各种材料的耐热性在很大程度上还取决于它们在绝缘结构中所承担的特定功能。

就绝缘材料在电工产品中的使用而论，材料评定有两个目的：一是对作为电气绝缘结构组成部分的某种材料的评价，另一是对单独使用的或作为构成绝缘机构的简单组合的组成部分的某种材料的评价。

一般，评定试验和运行经验被公认为是绝缘材料耐热性评定的可接受的基础。

以运行经验为基础时要注意：必须保证该经验是适用的，但是在某种情况下，将一种经验转用于另一种应用情况往往可能也是合适的。应制订合适的方法以确定运行经验之间的关系。

对同一种材料，采用不同的性能（如电气的、机械的等）、方法和失效标准作耐热图，就可能得到不同的温度指数和半差。不同的温度指数和半差表明耐热性上有所不同，并由此决定了材料的使用方法和它可以承担的功能。

用标准试样试验得到的结果可能与材料按其实际使用形式试验得到的结果不同。绝缘结构更接近实际情况。因此，绝缘结构试验的结果可以证明材料在有关应用中的适用性。

- 50 -

2.2 绝缘结构的耐热性评定

估价绝缘结构的耐热性，最好用有关的运行经验作基础。没有这种运行经验时，就应当进行合适的功能性试验。为此目的，需要用一种被运行经验证明了的结构作为参考绝缘结构。通过与它对比来评定新绝缘结构的耐热性。绝缘的研究单位和电工产品的研究、设计、制造、检测、使用单位应设计和进行合适的试验。在设计合适的试验和制订耐热性评定标准化试验规程时，应参考评定绝缘结构的有关资料。

在选择绝缘结构的各组成部分时，可以参考单一材料的耐热性评定结果。

只要由合适的绝缘结构试验或运行经验证明其某种绝缘材料有满意的运行特性，就可以判明该材料是否适用于某特定的绝缘结构。不用考虑材料本身的耐热性。

对很简单的和单受应力作用的绝缘结构，可以根据具体情况决定，是需要进行绝缘结构的功能性试验；还是较简单地根据材料的耐热性数据作出评价，就可得到满意的结果。如果需要评价某材料是否适用于某电工产品，则应该用已被合适的运行经验证明的材料作参考材料，进行对比试验。对此，有关单位应提供在特定应用场合下被运行经验证明的材料的资料。同时，为了能够对材料进行恰当的分级，还应提供关于如何评价运行经验的准则。

- 51 -