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Theses Year : 2017

Thermal ageing of PVC and XLPE insulators used in automotive electric wires

Vieillissement thermique d’isolants en PVC et PELX de câbles électriques en environnement automobile

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Abstract

In the automotive industry, the issue of electrical harness dimensioning consists in an optimal definition of the cross-section of metallic conductors, which increases the wire heating due to Joule effect. However, polymers are the most used materials for insulation despite their high sensitivity to thermal ageing. That is the reason why their durability must be determined in automotive environment to be then taken into account during the dimensioning of electrical harness. For this purpose, we analyzed the thermal aging of two insulation sheaths made of PVC and XLPE in air at temperatures of qualification tests (typically between 100°C and 200°C). For PVC, the main ageing mechanism is the physical loss of plasticizer. The material embrittlement occurs when the concentration of the non-dissolved plasticizer phase, which is dispersed as nodules in the weakly plasticized PVC matrix, reaches a critical value of about 0,2 mol.L-1. In contrast, for XLPE, oxidation leads to material embrittlement at the end of the induction period, i.e. when the totality of antioxidants has been consumed. For each insulation sheath, a kinetic model was derived from the ageing mechanisms and a structural end-of-life criterion was established. This model gives access to the remaining life potential and lifetime of electrical cables in service conditions.
Dans l’industrie automobile, la tâche de dimensionnement des faisceauxélectriques consiste à définir au plus juste la section du conducteur métallique, ce qui augmente l’échauffement du câble par effet Joule. Or, les polymères sont les matériaux d’isolation les plus utilisés malgré leur grande sensibilité au vieillissement thermique. C’est pourquoi leur durabilité en environnement automobile doit être déterminée pour pouvoir ensuite être prise en compte lors du dimensionnement des faisceaux électriques. Dans ce but, nous avons analysé le vieillissement thermique de deux gaines d’isolation en PVC et PELX dans l’air aux températures des essais de qualification (typiquement entre 100°C et 200°C). Dans le cas du PVC, le principal mécanisme de vieillissement est la perte physique du plastifiant. La fragilisation du matériau intervient orsque la concentration de la phase de plastifiant non-dissoute, qui est ispersée sous forme de nodules dans la matrice PVC faiblement plastifiée, atteint une valeur critique de l’ordre de 0,2 mol.L-1. En revanche, dans le cas du PELX, l’oxydation conduit à la fragilisation du matériau au terme de la période d’induction, c’est-à-dire dès que la totalité des antioxydants a été consommée. Pour chaque gaine d’isolation, un modèle cinétique a été dérivé des mécanismes de vieillissement et un critère de fin de vie structural a été établi. Ce modèle donne accès au potentiel de vie restant et à la durée de vie des câbles électriques en conditions de service.
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tel-01547332 , version 1 (26-06-2017)

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Cite

Tetiana Salivon. Vieillissement thermique d’isolants en PVC et PELX de câbles électriques en environnement automobile. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2017. Français. ⟨NNT : 2017ENAM0009⟩. ⟨tel-01547332⟩
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