熱延伸測試：材料耐熱變形性能的關鍵評估方法

一、引言

在材料科學與工程領域，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）在高溫環境下受恒定機械載荷時的變形行為。無論是工業生產中的密封件、管材，還是電子設備中的電線電纜，材料的耐熱變形能力直接影響產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，可能導致導體暴露，引發短路風險。因此，熱延伸測試成為材料研發、質量控制及產品認證中的核心環節。

二、測試的基本原理與目的

熱延伸測試的核心原理是：將標準試樣置于恒定高溫環境（如70℃、100℃、150℃等，根據材料類型選擇）中，施加恒定拉伸載荷（通常為材料拉伸強度的一定比例，或固定質量的砝碼），保持規定時間后，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的變形）。

測試的主要目的包括：

1. 評估材料的耐熱穩定性：判斷材料在高溫下是否能保持結構完整性，避免因熱軟化導致的過度變形；
2. 驗證材料的交聯程度：對于橡膠等交聯 polymer 材料，熱延伸率與永久變形率可反映交聯密度——交聯密度越高，熱變形越小；
3. 保障產品安全性：確保材料在使用環境（如汽車引擎艙、工業爐周邊）中的性能符合標準要求，防止因變形引發的失效。

三、主要測試標準

熱延伸測試的方法由國際或國家標準化組織制定，常見標準包括：

• 國際標準：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》；
• 國家標準：GB/T 2951.11《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第11部分：通用試驗方法——厚度和外形尺寸測量——機械性能試驗》（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》（衍生標準）；
• 行業標準：如汽車行業的QC/T 1067《汽車用電線電纜》。

這些標準對試樣規格、溫度范圍、載荷大小、測試時間等參數做出了明確規定，確保測試結果的可比性與權威性。

四、測試設備與試樣制備

1. 核心設備

• 恒溫試驗箱：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定；
• 拉力試驗機/砝碼加載裝置：用于施加恒定載荷，可選擇電動拉力機（精準控制載荷）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：游標卡尺、千分尺或光學測量系統，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標準的要求，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，以免影響測試結果；
• 對于交聯材料，需確保試樣已完成硫化或交聯反應（如橡膠的硫化、塑料的交聯）；
• 試樣數量通常為3~5個，取平均值作為最終結果。

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. 條件調節

將試樣置于標準環境（溫度23±2℃，相對濕度50±5%）中放置至少24小時，確保試樣狀態穩定。

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，調整夾具間距至L?，然后將整個裝置放入恒溫箱中。設置恒溫箱溫度至規定值（如125℃，對應交聯聚乙烯絕緣），開始升溫。

4. 施加載荷

當恒溫箱達到設定溫度并保持10分鐘后，施加恒定載荷。載荷大小計算公式為：
$F = \sigma \times A_0$F=σ×A0?
其中，$\sigma$σ 為標準規定的應力（如GB/T 2951.11中為0.2MPa），$A_0$A0? 為試樣的原始橫截面積（$A_0 = 寬度 \times 厚度$A0?=寬度×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，在標準環境中冷卻30分鐘。然后測量試樣的永久變形后長度（L?）。

7. 結果計算

• 熱延伸率（ε?）：
  $\varepsilon_1 = \frac{L_1 - L_0}{L_0} \times 100\%$ε1?=L0?L1?−L0??×100%
• 永久變形率（ε?）：
  $\varepsilon_2 = \frac{L_2 - L_0}{L_0} \times 100\%$ε2?=L0?L2?−L0??×100%

六、結果分析與判定

測試結果需與標準中的限值要求對比，例如：

• GB/T 2951.11規定，交聯聚乙烯絕緣材料在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%。

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

七、影響測試結果的關鍵因素

1. 溫度控制：恒溫箱的溫度均勻性與穩定性直接影響結果——溫度偏高會導致熱延伸率增大，溫度偏低則結果偏小；
2. 載荷準確性：載荷過大或過小都會改變變形行為，需嚴格按照標準計算載荷；
3. 試樣制備：試樣的厚度、寬度誤差過大，或表面有缺陷，會導致結果離散性大；
4. 測試時間：保持時間不足（如未達到15分鐘）會導致熱延伸率未達到穩定狀態，影響結果真實性；
5. 材料狀態：未完全交聯的材料（如橡膠未硫化完全），熱延伸率會顯著增大。

八、應用領域

熱延伸測試廣泛應用于以下行業：

• 電線電纜：評估絕緣層、護套材料的耐熱變形能力，確保電纜在高溫環境（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，需承受發動機艙或工業設備的高溫，熱延伸測試是質量控制的關鍵；
• 塑料管材：用于熱水管道、工業輸液管，需保證在高溫介質中不發生過度變形；
• 汽車零部件：如汽車線束的絕緣層、發動機周邊的塑料件，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，防止燙傷；
• 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. 技術發展趨勢

隨著材料科學的進步，熱延伸測試技術也在不斷優化：

• 自動化測試設備：采用計算機控制的拉力機與恒溫箱，實現溫度、載荷、測量的自動控制，提高測試效率與重復性；
• 非接觸測量：利用激光或圖像分析技術測量試樣變形，避免接觸式測量對試樣的損傷；
• 多參數同步測試：同時測量溫度、載荷、變形、應力等參數，深入分析材料的熱機械行為。

十、

熱延伸測試作為評估材料耐熱變形性能的關鍵方法，在高分子材料的研發與應用中發揮著重要作用。通過嚴格遵循標準步驟、控制影響因素，可準確反映材料在高溫下的變形特性，為產品設計、質量控制提供可靠依據。隨著測試技術的不斷進步，熱延伸測試將更加高效、精準，為新材料的開發與應用提供更有力的支持。

（注：本文所述測試方法與標準均基于公開資料，具體操作需以對應標準為準。）