汽車氣候老化主要環(huán)境影響因素分析

郝志誠(chéng)

廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司長(zhǎng)春分公司 吉林長(zhǎng)春 130000

伴隨汽車電動(dòng)化的日新月異，整車企業(yè)和汽車熱管理系統(tǒng)組件商都面臨著復(fù)雜的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和越發(fā)苛刻的技術(shù)要求，汽車熱管理系統(tǒng)的材料選型也隨之迎來(lái)變革。汽車電動(dòng)化正在混動(dòng)汽車和純電汽車兩條技術(shù)路線上飛速發(fā)展，它們分別從耐受溫度和耐受時(shí)間兩個(gè)維度給汽車熱管理系統(tǒng)工程塑料提出諸多挑戰(zhàn)。

1 試驗(yàn)方法研究和應(yīng)用

1.1 試驗(yàn)參數(shù)

環(huán)境因素對(duì)汽車的影響和作用是導(dǎo)致汽車氣候老化的主要原因，影響汽車氣候老化的環(huán)境因素有很多，包括太陽(yáng)光輻射、溫度、濕度、生物、人為、自然災(zāi)害等因素。但長(zhǎng)期研究表明，影響汽車氣候老化的因素主要為太陽(yáng)光輻射、溫度和濕度。

太陽(yáng)光輻射對(duì)汽車性能的影響更多體現(xiàn)在非金屬材料的降解和涂層的光化學(xué)反應(yīng)上。其影響大小主要取決于樣品所接收的太陽(yáng)輻射光譜的組成、輻射強(qiáng)度和輻射量[1]。

溫度對(duì)汽車材料的老化影響多方面。溫度會(huì)加速光對(duì)汽車?yán)匣淖饔茫谳^高的溫度下，分子的活性較大；溫度的周期性變化會(huì)導(dǎo)致汽車零部件產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，特別對(duì)于由不同熱膨脹系數(shù)材料組成的汽車零部件，如汽車儀表板等，在極端的高低溫循環(huán)下產(chǎn)生較嚴(yán)重的物理性破壞；水的各種形態(tài)也與溫度變化相關(guān)，降溫引起水分在材料表面形成凝露，升溫時(shí)材料表面水分蒸發(fā)，在水分凝露和蒸發(fā)的周期過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，從而對(duì)汽車部件產(chǎn)生損壞。

濕度是影響汽車氣候老化的又一重要因素，水的吸收和脫附狀態(tài)交替出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致零部件產(chǎn)生應(yīng)力破碎，水的結(jié)冰和解凍循環(huán)會(huì)導(dǎo)致涂層剝離脫落、零部件開(kāi)裂斷裂。在試驗(yàn)方法研制過(guò)程中，為了確定人工模擬輻射強(qiáng)度、試驗(yàn)溫度和濕度，需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量和觀察。本文將選取2017-2018年在美國(guó)亞利桑那曝曬場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)作為依據(jù)，進(jìn)行研究說(shuō)明。

1.2 性能測(cè)試

在電老化試驗(yàn)過(guò)程中，將1mm厚的薄片置于試驗(yàn)平臺(tái)的電老化箱中，通過(guò)箱底的固定夾使樹(shù)脂薄片穩(wěn)定固定在高壓電場(chǎng)兩端。同時(shí)打開(kāi)試驗(yàn)平臺(tái)上的4個(gè)電壓按鈕，使同一片樹(shù)脂材料同時(shí)在4個(gè)電場(chǎng)下進(jìn)行電老化試驗(yàn)，記錄樹(shù)脂材料相應(yīng)的電老化試驗(yàn)點(diǎn)，關(guān)注該試驗(yàn)點(diǎn)附近是否出現(xiàn)微量放電現(xiàn)象，若試驗(yàn)點(diǎn)附近出現(xiàn)瞬間電火花，即表明該測(cè)試點(diǎn)發(fā)生了明顯的放電，材料被電壓擊穿，已失效，記錄此時(shí)電老化進(jìn)行時(shí)間[2]。此外，在試驗(yàn)過(guò)程中定期取出測(cè)試樣件進(jìn)行玻璃化溫度以及電氣絕緣強(qiáng)度性能測(cè)試，記錄不同老化程度下樹(shù)脂的關(guān)鍵性能測(cè)試結(jié)果，直至所得測(cè)試結(jié)果與初始狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果相比下降了70%時(shí)，即認(rèn)為樹(shù)脂材料已經(jīng)老化至失效狀態(tài)，不可繼續(xù)使用，此時(shí)停止老化試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行老化過(guò)程分析。

1.3 試驗(yàn)車輛

為了使更多的零件參與試驗(yàn)，并達(dá)到最苛刻的條件，一般選擇高配車型，深色車身和深色內(nèi)飾，因?yàn)樯钌晌崭嗵?yáng)輻射熱。理論上對(duì)于陽(yáng)光模擬試驗(yàn)最好的顏色是黑色，但實(shí)際應(yīng)用中很多車型并沒(méi)有黑色車身、黑色內(nèi)飾的配置，所以有必要對(duì)不同顏色在太陽(yáng)光下的表現(xiàn)進(jìn)行測(cè)量比對(duì)。．顏色對(duì)于太陽(yáng)輻射的溫度表現(xiàn)，從高到低依次為：黑＞紫＞棕＞藍(lán)＞紅＞灰＞橙＞金（黃）＞白。同樣顏色時(shí)，普通漆的溫度高于珠光漆的溫度。在試驗(yàn)正式開(kāi)始前，車輛需進(jìn)行必要檢查，并關(guān)閉各出風(fēng)口、關(guān)閉所有車窗、打開(kāi)遮陽(yáng)簾，根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求配置負(fù)載（如手套箱放置配重物），遮陽(yáng)板、座椅、頭枕、中央扶手、轉(zhuǎn)向盤(pán)等位置可調(diào)整的零件根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范調(diào)整至要求位置。

2 結(jié)果與討論

電老化是指在長(zhǎng)時(shí)間的電場(chǎng)作用下，絕緣材料內(nèi)部或者表面發(fā)生的物理性能和化學(xué)性能的變化，進(jìn)而導(dǎo)致的絕緣老化過(guò)程。高聚物的絕緣老化現(xiàn)象往往發(fā)生在其內(nèi)部微小缺陷處，由于電場(chǎng)分布集中在缺陷上，使得缺陷成為絕緣薄弱處繼而發(fā)生擊穿引起局部放電。在持續(xù)放電一段時(shí)間后，放電區(qū)域受到腐蝕并產(chǎn)生微小樹(shù)枝放電通道，隨著腐蝕程度加重，其絕緣性能不斷劣化，最終發(fā)生損壞。

全光譜陽(yáng)光模擬試驗(yàn)對(duì)于加速老化的效果分析，可用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式來(lái)近似換算其與大氣曝曬之間的當(dāng)量關(guān)系。根據(jù)研究表明，聚乙烯材料每升高1℃，光氧化反應(yīng)速率提升約8%。相當(dāng)于溫度每升高10℃，光氧化反應(yīng)速率提升至原來(lái)的2倍[3]。所以，通過(guò)比對(duì)陽(yáng)光模擬和大氣曝曬相同零件同一個(gè)位置在同一個(gè)溫度下的等效曝曬時(shí)長(zhǎng)，比如等效至100℃，可對(duì)2種試驗(yàn)之間的當(dāng)量關(guān)系做一個(gè)簡(jiǎn)單分析。當(dāng)然，用以上方法預(yù)測(cè)試驗(yàn)室老化與大氣曝曬老化之間的關(guān)系仍存在較大誤差。以上方法只針對(duì)輻射條件下的溫度進(jìn)行了等效，而沒(méi)有考慮輻射強(qiáng)度對(duì)于老化速率的加速影響。全光譜陽(yáng)光模擬試驗(yàn)在白晝模擬階段的平均輻射強(qiáng)度約950W/m2，而大氣曝曬白晝平均輻射強(qiáng)度僅500W/m2左右。再加上試驗(yàn)室短期高低溫劇烈變化、以及強(qiáng)化的濕度變化對(duì)零件造成的老化影響，整車陽(yáng)光模擬試驗(yàn)對(duì)零件的老化影響要比本文計(jì)算值更貼近大氣曝曬結(jié)果。根據(jù)歐洲研究結(jié)果，一輪根據(jù)DIN75220進(jìn)行的600h陽(yáng)光模擬循環(huán)試驗(yàn)相當(dāng)于大氣曝曬1年的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

整車全光譜陽(yáng)光模擬試驗(yàn)是汽車研發(fā)過(guò)程中重要的試驗(yàn)手段。與自然條件下的大氣曝曬相比，它有試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)條件可控、結(jié)果一致性好等特點(diǎn)，十分適用于零件開(kāi)發(fā)和認(rèn)可。但是，由于汽車零部件自然老化的因素有很多，單獨(dú)的陽(yáng)光模擬試驗(yàn)并不能全面反應(yīng)零件可能存在的問(wèn)題，因此需要其它試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，比如溫度交變?cè)囼?yàn)、溫度存放試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)等。