汽車內(nèi)外飾材料光熱老化分析

羅佳宇 謝偉強 李后樂 趙德剛 張卡迪

摘 要：目前汽車內(nèi)外飾零件較多，由于材料本身結(jié)構(gòu)或組分內(nèi)部有易引起老化的弱點，如具有不飽和雙鍵、支鏈、羰基、末端的羥基等等，在環(huán)境（光、熱、遇水、氧氣）等因素的作用下，極易產(chǎn)生光熱老化現(xiàn)象，造成外觀或者功能失效的情況，本文描述了汽車內(nèi)、外飾件材料、產(chǎn)生老化的原因，耐光老化的試驗標(biāo)準(zhǔn)及要求，以及如何在前期開發(fā)對材料定義，和常見的一些減緩或者防止內(nèi)外飾件產(chǎn)生老化現(xiàn)象的措施。

關(guān)鍵詞：汽車內(nèi)外飾;光熱老化

1 汽車內(nèi)外飾零件的種類及所用材料

1.1 汽車內(nèi)飾

（1）內(nèi)飾件種類

汽車內(nèi)飾件主要包括儀表臺、副儀表板、頂棚、座椅、安全帶、門內(nèi)飾板、立柱裝飾板、行李艙裝飾件等。

（2）內(nèi)飾件的用料主要有如下幾種

a.工程塑料

PP：比重很小，具有化學(xué)惰性，吸水率低，耐熱老化特性良好，24小時的吸水率僅為0.01%，表面光潔度好，易于著色，是汽車保險杠常用的原料之一。

ABS：ABS塑料物理性能較好，具有優(yōu)良的抗拉沖擊強度，可以調(diào)節(jié)各種顏色，不易吸水，室溫下浸水一年，吸濕率不超過1%，電鍍級ABS材料是良好的電鍍基材，但是ABS在熱循環(huán)和CASS鹽霧環(huán)境下易發(fā)生氣泡現(xiàn)象，所以在電鍍過程中需要鍍上銅層，以改善ABS的耐腐蝕性。

PC：具有良好的透光性能，可見光的透射比接近90%，聚碳酸脂的耐沖擊性能比尼龍和聚甲醛高10倍左右，是導(dǎo)熱塑性塑料最好的材料之一，這種塑料可以很好的接受電鍍，噴漆和化學(xué)鍍。

PA：聚酰胺塑料通稱尼龍，是30多年前出現(xiàn)的第一種能承受高負荷的熱塑性塑料，目前廣泛應(yīng)用于汽車、機械、儀表工業(yè)中，以替代不銹鋼和銅、鋁等有色金屬。聚酰胺的機械性能較好，多用于承受高負載的部位，可靠性高。

b.皮革：包括真皮和人造革。

c.織物：包括無紡布、針織物、化纖和天然纖維等。

1.2 汽車外飾

（1）外飾件種類：

汽車外飾件主要包括前后保險杠、通風(fēng)蓋板，角飾、門檻等。

（2）外飾件用材料

車用外飾件材料主要有PP、ABS、PA6、PA66、POM、TPV等。外飾件表面大多經(jīng)噴漆處理，當(dāng)然也有電鍍和免噴漆材料，表1是三種材料的物理特性對比。

（3）內(nèi)外飾件老化的表現(xiàn)。

乘用車車內(nèi)零部件依據(jù)所處環(huán)境受陽光影響強烈程度不同，受光、熱的影響情況也不相同，一般的零部件老化后性能會有如下改變。

1.零部件表面出現(xiàn)龜裂、粉化、變形、斑點、發(fā)白、起泡等影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量的缺陷。

2.物理性能改變：內(nèi)外飾材料發(fā)生降解和交連反應(yīng)，將影響其本身的物理特性，造成分子排布發(fā)生變化，如不飽和鍵斷裂。分子排布變化則會影響材料的密度、溫度、熔點、溶解度、玻璃化溫度、導(dǎo)熱系數(shù)等。

3.機械性能

材料會發(fā)生降解反應(yīng)及交連反應(yīng)，會影響其硬度、拉伸強度、剪切強度、懸臂梁缺口沖擊強度、彎曲模量、彈性模量、表面涂層或者電鍍層的附著力，造成漆面鍍層剝離或者脫落

4.電性能：

內(nèi)外飾材料發(fā)生降解反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致其絕緣性能、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和擊穿電壓等性能發(fā)生變化。

2 內(nèi)、外飾件耐光老化性能的實驗方法

目前，內(nèi)外飾的整車開發(fā)進程會采用兩種實驗方案，即自然氣候曝露老化法和人工老化加速實驗?？傮w來說，兩種試驗方法各有優(yōu)點，人工加速老化的重現(xiàn)性更好，周期更短，操作方便，根據(jù)受陽光影響的程度，實驗安排實驗的時間也不同，缺點是只能模擬有限的幾個變量，不能完全復(fù)現(xiàn)汽車零部件在自然環(huán)境下的老化狀況，有時候結(jié)果并不可靠。

自然暴曬老化試驗接近汽車使用的實際情況，可以模擬車輛在使用過程中的多種環(huán)境因素，試驗結(jié)果比較可靠，但是試驗周期過長，重現(xiàn)性較差。

由于自然暴露可操作性差，時間長等缺點，對于現(xiàn)在車企來說，項目進程壓縮緊迫，自然暴露實驗滿足不了項目時間需求，所以多用人工加速老化實驗對材料進行老化實驗，目前人工老化實驗設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛的有氙弧燈和熒光紫外燈。

氙弧燈的紫外線光譜和可見光譜與太陽光譜十分接近，是現(xiàn)有人工光源中最接近太陽光譜的，模擬性較好，故實驗室多用氙弧燈給零件做老化實驗。

直接來自氙燈的輻射中含有大量短波紫外線，必須經(jīng)過濾光器的過濾來模擬實驗所需的光譜能量分布，表2表3為兩種常用的配置不同的濾光器的氙弧燈光譜功率分布。

零部件在接受耐光老化試驗時，理論上是需要采用完整的零件進行試驗，要求表面不存在影響產(chǎn)品外觀的缺陷，若無法直接使用零部件時，則需要從零件的陽光暴露面選擇相對平整的部分制取試驗樣件，尺寸約為70mm×150mm（表4）。

乘用車車內(nèi)零部件依據(jù)所處的的環(huán)境受光照影響的程度不同，其耐光老化實驗周期也不一致，目前國內(nèi)主流主機廠對外飾陽光直射區(qū)域零部件耐光老化周期要求2500h小時左右，受陽光影響不大或者不受陽光直射的內(nèi)飾件，其耐光老化要求實驗周期在300h左右。

3 典型的零部件老化案例分析

引起內(nèi)外飾老化的原因很多種，除了有材料配方、材料的選取以及生產(chǎn)工藝的影響外，還與試驗標(biāo)準(zhǔn)包括試驗參數(shù)的制定及試驗過程的規(guī)范、結(jié)果評價的科學(xué)性等多方因素有關(guān)，下文介紹一些典型的內(nèi)、外飾老化問題分析。

3.1 玻璃后門鏈接銷（連接玻璃升降器）耐熱老化發(fā)黃變色

玻璃連接銷是串聯(lián)玻璃和玻璃升降器的緊固件，玻璃在升降時連接銷受很大的負載，所以選擇了強度較高的材料PA6，夏季車門內(nèi)部溫度很高，需要測試連接銷在極限高溫環(huán)境下的老化性能，保證連接銷各項物理性能均能滿足功能要求。

試驗條件：在溫度（23±2℃）相對濕度：（50±5）%2小時

試驗方法描述：在90℃的環(huán)境箱內(nèi)保持500h

由圖1可知，樣件已經(jīng)完全發(fā)黃變色，不滿足試驗判定要求。

原因分析：

1.尼龍是聚酰胺，聚酰胺分子結(jié)構(gòu)里面有酰胺鍵，里面的C=O

為不飽和鍵，容易被氧化導(dǎo)致材料發(fā)黃變色。

2.空氣中含有水和氧氣，PA極易吸水，在高溫環(huán)境下，水和氧氣共同作用氧化聚酰胺中的活潑化學(xué)鍵導(dǎo)致材料變性，發(fā)黃。

改進方案：1.在原材料中添加抗氧化劑，防止PA6在高溫下受水和氧氣的作用下發(fā)黃。

2.對于一些工程塑料，光熱影響完全不發(fā)黃是做不到的，對于一些非外觀的功能件，可以在老化試驗后重新測試材料的物性，如果性能改變不大，那么該材料依舊可以被認可。

3.2 徽標(biāo)面板老化失去光澤

徽標(biāo)面板作為一個外飾件，所處的位置在太陽直射區(qū)域，水氣灰塵，陽光紫外線都能直接作用在徽標(biāo)上。

問題：市場反饋發(fā)現(xiàn)有些徽標(biāo)在使用1年后出現(xiàn)光去光澤，局部腐蝕的情況，影響徽標(biāo)表觀質(zhì)量。

舊件收集后確認故障狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)牌局部出現(xiàn)灼蝕的小孔洞，大面積失去光澤。

1.汽車在使用壽命中會遇到各種極端狀態(tài)，酸性鹽霧等化學(xué)微粒附著在汽車表面，造成漆面腐蝕。

2.汽車在淋雨或者洗車過后，表面會存在微小水滴，水滴附著的表面在陽光直射下會形成透鏡效應(yīng)，聚集日光，造成某一點溫度急劇上升，甚至能達到800-1000攝氏度，高溫會嚴重損壞電鍍涂層。

措施制定：1.引導(dǎo)顧客在下雨或者洗車之后要需要擦干車身，不要在車身未干情況下對車輛劇烈暴曬。

1.對舊件的電鍍銅層分析，電鍍件銅層厚度會影響到零件的耐熱性能及耐腐蝕性，測試發(fā)現(xiàn)銅層厚度不達標(biāo)，要求供應(yīng)商調(diào)整電鍍工藝，將銅層厚度調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

4 汽車內(nèi)外飾件的預(yù)防與改進

汽車內(nèi)外飾材料的選取需要滿足設(shè)計初期對零件的定義，像前后保險杠、通風(fēng)蓋板、天窗等太陽直射區(qū)域，需要選取耐光老化特性良好的材料，必要時對零件表作電鍍或者噴漆處理，像太陽斜射或者不受陽光影響的車身內(nèi)部，可以對零件的耐光老化要求適當(dāng)放寬，以節(jié)省整車開發(fā)成本。

企業(yè)內(nèi)部應(yīng)該建立零件老化的FEMA庫，收集各類的耐光老化問題，并且針對問題提供改善方案、研究深層次老化現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。在實驗驗證時，需要將人工實驗的老化結(jié)果和整車戶外暴曬實驗結(jié)果同時分析對比，再根據(jù)市場反饋的一些失效問題結(jié)合考慮，不斷的完善企業(yè)內(nèi)部的老化標(biāo)準(zhǔn)。