氟橡胶热缩套管在冷热循环中为什么会松动？

　　氟橡胶热缩套管在冷热循环的时候会松动，根本原因就是它具有比金属基材高一个数量级的热膨胀系数——大约为220×10⁻⁶/℃对于铜和铝来说分别是17-24×10⁻⁶/℃。升温的时候，管壁被金属“撑开”的幅度远远大于基材自身膨胀的程度，在降温过程中，管壁虽然会收缩，但是由于在升温阶段就已经消耗掉了部分弹性回复力，所以无法恢复到原来紧紧相拥的状态。经过几轮之后，在每一轮中都会留下一些“净损失”，这些“净损失”是逐渐积累起来的，并不是在某一次循环的时候突然就松掉了。

　　把松动的原因归结为“管子的质量不好”，就会忽略掉一个更为根本的问题是什么?

　　氟橡胶热缩套管在冷热循环之后出现松动的情况，在现场最常的原因就是该种材料回弹能力差或者批次不合格。该部分的归因又省略了一步最为基本的内容：管材和基材的热膨胀系数不在同一数量级上。氟橡胶的线性热膨胀系数大约为20×10⁻⁵～2.4×10⁻⁵/℃量级，而铜约为17×10⁻⁶/℃、铝约为23×10⁻⁶/℃、钢约为11-13×10⁻⁶/℃。即在相同的温度升高100℃的情况下，氟橡胶的伸长率要比金属大得多，一般为金属的十几倍到几十倍不等。管材收缩之后被箍在了基材上，依靠的是冷却之后残留下来的径向压缩力;升温的时候管壁想要膨胀十倍于基材，但是被基材“卡住”，所以在界面处产生了更大的压缩应力，分子链在高压之下加快了重排和滑移;降温的时候管壁会收缩，但是升温的时候已经消耗掉的那一部分弹性回复力是不会因为温度回升而自动补充上去的。每次循环的时候，管壁的抱紧力就会被从账上扣除一笔，而这种扣除是因为在多次循环之后，账面上累积起来的余额不足，并不是因为材料本身“忽然变差了”。

　　答案：松动是由三本账合并而成的结果，热膨胀错位为主账，应力松弛为加速项，安装缺口为初始条件

　　第一张账单出现热胀冷缩的问题，这就决定了每一次循环中“净亏损”的大小。氟橡胶的CTE要比金属高出大约一个数量级，在相同的温度变化条件下，管壁的自由膨胀量远远大于基材。当管壁受到基材的限制而不能自由地膨胀的时候，在升温过程中界面压缩应力会被推高，分子链在这种高强度的作用之下会加快松弛的速度;温度下降之后，管道内壁会收缩，但是已经发生过的伸长是不能恢复的。温差越大、循环越快，每次循环所造成的“净损失”就会越大;据有关资料表明，温度冲击对于氟橡胶热缩管的影响最大，在刚刚加热之后又骤然冷却下来的时候，松动就会提前到来。因此户外昼夜温差、车载冷启动工况要比恒温高温环境更易出现松动情况——在恒温条件下应力松弛也在进行中，但是缺少了冷热交替所带来的一种“撑开-回缩”的泵送效应，抱紧力降低的速度会比较慢一些。

　　第二本账是应力松弛和压缩永久变形，它属于加速项，并且会把由于热膨胀错位所造成的影响扩大很多倍。橡胶在长时间受到压力的情况下，分子链会慢慢重新排列和滑动，在交联点周围应力逐渐减小，宏观上表现为抱紧力随着时间而降低。温度上升会使该过程加快：链段热运动更加激烈，重排和滑移的速度也变快了。氟橡胶的压缩永久变形的数据可以作为参考量级：在200℃×70h的条件下，不同配方的氟橡胶压缩永久变形大约为11%-40%，过氧化物硫化26型一般在20%-24%之间。246型可以达到40%，左右。当永久变形增加一个百分点的时候，就相当于管子在冷却之后“少回弹一点”。少回弹的部分，在冷热循环的过程中逐渐累积起来，成为松动账上的次于热胀错位的第二大项支出。

　　第三本账，安装过程中留下的初始缺口，它决定着松动从第几次循环开始变成可以被感觉到的。一根在安装的时候就不存在收缩现象的管道，它的管壁和基材之间本来就有微小的缝隙，所以它只能依靠“虚贴”的方式来建立起来，“实箍”的概念在这里是不适用的。冷热循环开始之后，热胀冷缩效应以及应力松弛现象会在有缝隙的地方更加明显——这些缝隙给管壁提供了“先膨胀、后回缩但是不能回到原来的位置”的空间。而不会像完全贴合的界面一样，在加热过程中被基材所限制。安装缺口不会造成松动，但是它把松动从“需要多次循环才能积累到可以感觉到的程度”提前到了“几轮之后就会滑动了”。冷却不充分就会受到外力影响，从一个地方加热到另一个地方，使空气被困在内部形成了空腔，这些都是同一个起始缺口的原因。

　　根据CTE数量级不同、压缩永久变形的实际测量数据以及PVDF和双壁管对比得出的“松动机制分界线”。

　　第一层根据CTE数量级差异本身所造成的物理影响来确定。氟橡胶约为220×10⁻⁶/℃的CTE，而金属则约为11～24×10⁻⁶/℃的CTE，在数值上相差不大。在升温过程中，管壁的自由膨胀量远远大于基材，但是由于界面约束使得它不能够自由地膨胀出来，多余出来的膨胀趋势就转化成了界面压缩应力的增长;降温阶段管壁回缩，但是升温阶段在高压缩应力的作用下所发生分子链滑移、重排等过程是不能逆转的。CTE错位本身并不直接“松开”管子，但是它做的就是在每次循环的时候把界面推向一个更高级的应力状态，在一段高压窗口里跑得更快一些。因此仅仅看到“氟橡胶耐温200℃”是不能预料到冷热循环下松动的原因——耐温说的是材料不会降解的最大温度范围，而CTE则是指该材料在温度变化的过程中怎样和基材发生冲突，这两件事情并不在同一条直线上。

　　第二层根据来自PVDF的对照来确定“弹性补偿能力”的松动机制中所占的比例更加明确。PVDF热缩管的CTE也比较高，但是它松动的方式和氟橡胶不一样：PVDF刚性大，在常温下具有较小的弹性补偿能力，在冷热循环过程中，由于PVDF材料本身的特性，在其管壁上不能够通过弹性变形来很好地跟随基材的膨胀和收缩。在界面处容易直接形成微小裂缝，并不是像氟橡胶一样，在高应力下进行加速松弛之后才逐渐失去对物体的束缚作用。有关PVDF松动的原因是由于管壁不能够通过弹性变形去跟随基材的膨胀和收缩，所以界面处就会产生一些细微的裂缝。氟橡胶由于其弹性基础，在此环节中比PVDF多了一层缓冲作用，但是这个缓冲消耗掉的是氟橡胶弹性回复力的“存量”。存量用完了之后，松动就会继续出现，但是它的出现方式会越来越隐秘。PVDF的经验就是“缺乏弹性缓冲，缝隙来的很直接”。氟橡胶的经验教训是，“弹性缓冲并不是无穷无尽的，在每一次循环中都会被消耗掉”，两种材料都以CTE错位为起始点，但是它们失效后的表现形式却不一样。

　　第三层根据来自双壁热缩管的信息，在冷热交替的过程中，“胶层”是单独存在的，并不包含在管壁抱紧力之中。双壁管的内层热熔胶，在高温时会变得柔软，在低温时又会变得坚硬，这样反复多次之后，粘接力可能会逐渐减弱;胶层和基材之间界面的分离就是密封失效的一个早期信号，水分就会沿着这个分离了的界面进入到材料内部。双壁管的松动原因有两方面：一是外层管壁的抱紧力错位和应力松弛的路径降低;二是内层胶层的粘接力按照另外一条“热软化-冷硬化”的疲劳路径衰减。两者也可以不同时完成——外层仍然被包裹着，但是胶层却已经脱离了;或者是胶层还存在，但是外面的层已经滑移了。单壁氟橡胶管没有算出这账来，但是它的两端如果不封闭的话，在冷热交替的过程中，“呼吸效应”会使水分被吸入到界面中去，而水膜则会在界面处起着类似于“润滑”、“溶胀”的作用。使抱紧力减小的速度快于干燥界面的变化速度。双壁与单壁的对比说明，在冷热交替下松动并不是简单的“管壁松了”，而是界面状态在温度反复影响之下所造成的整体衰退。

　　延伸：花纹、安装方式以及“松动可以复核”的判断顺序

　　花纹热缩管在冷热循环中容易出现松动的现象，并且增加了几何变量：花纹的凸起和凹槽使得壁厚不均，在凹槽处壁厚较薄、热容较小，升温降温时响应速度与周围环境不同，因此在花纹边缘处产生较大的热应力。凸起的部分和基材之间的接触面积变小了，抱紧力集中到了凸点上，整个摩擦阻力比光壁管要低一些。花纹管的“松”，一般是从花纹边沿上的局部滑移开始的，并不是整个管子都均匀地松动了;检查的时候如果发现花纹磨毛、边缘起翘，那么就说明这个地方曾经有过比较大的滑动，错位和应力松弛的钱已经在几何薄弱的地方提前兑现了。

　　可以复核的一个判断顺序为：首先把“滑移”和“抱紧力下降”的区别区分开来——用手轻轻推动管段，如果能够滑动但是管壁仍然贴合，则说明抱紧力账上余额不足;如果能够拨开管壁看到间隙，则说明界面已经分离，端部密封和呼吸效应可能会参与到其中来。再看下安装记录：完全收缩温度有没有达到、是不是由中间往两边排气、冷却到室温之前有没有受到外力影响——这三条安装漏洞就会把冷热循环中的松动提前显现出来。最后把工况下的温度范围拿出来进行对比：温度差异越大、循环次数越多，则错位以及应力松弛累积的速度就越快;在温度差异很大的情况下，仅仅依靠氟橡胶的弹性的来承受冷热交替的过程，在账面数据上所消耗的能量要比在温暖环境里更快一些。氟橡胶热缩套管在冷热循环的时候会松脱，并不是因为它“不耐冷热”，而是因为它的热膨胀周期与金属基材不在同一条拍子上;松动就是两个拍子每次都会错开一些，并且会逐渐积累起来的结果。

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