整車自然暴曬與全光譜陽光模擬老化相關(guān)性研究

陳平方，余曉杰，陸挺

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

引言

隨著汽車用非金屬材料的廣泛使用，非金屬材料的耐老化性能也越來越受到人們的重視，經(jīng)過老化專家學(xué)者的長期研究表明，影響非金屬材料使用壽命的主要環(huán)境因素是高強(qiáng)度的太陽輻射、溫度、水分及其之間的協(xié)同作用[1]。近些年來，因整車自然暴曬試驗(yàn)條件真實(shí)，與實(shí)際使用環(huán)境一致性好，國內(nèi)外對(duì)整車自然暴曬試驗(yàn)的研究比較多，也比較深入，取得了比較成熟的研究成果，但整車自然暴曬試驗(yàn)周期長，試驗(yàn)條件不可控，重復(fù)性差，國內(nèi)外的研究學(xué)者在自然暴曬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了一系列的人工加速老化試驗(yàn)，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。本文旨在研究整車自然暴曬與全光譜陽光模擬老化試驗(yàn)之間的相關(guān)性，以期找到一種周期短，試驗(yàn)條件可控，更接近用戶使用環(huán)境的人工加速老化試驗(yàn)方法。

1 自然暴曬試驗(yàn)與全光譜陽光模擬試驗(yàn)

1.1 自然暴曬試驗(yàn)地點(diǎn)

整車自然暴曬試驗(yàn)一般在具有典型氣候特點(diǎn)的暴曬試驗(yàn)場或試驗(yàn)站進(jìn)行，國內(nèi)外規(guī)模較大的自然暴曬試驗(yàn)場有美國的鳳凰城、日本的銚子、美國的邁阿密、中國的新疆吐魯番和海南瓊海暴曬試驗(yàn)場。本文通過采集新疆吐魯番和海南瓊海試驗(yàn)場的整車暴曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)來研究與全光譜陽光模擬試驗(yàn)方法之間的相關(guān)性。吐魯番和海南試驗(yàn)場的基本情況見表1。

表1 吐魯番和瓊海試驗(yàn)場位置及環(huán)境特征

1.2 全光譜陽光模擬試驗(yàn)方法

陽光模擬試驗(yàn)方法各企業(yè)有所不一。本研究采用DIN 75220的試驗(yàn)方法將整車置于具有一定尺寸的、內(nèi)部安裝有溫度、濕度及輻照度等控制設(shè)備和檢測設(shè)備的試驗(yàn)艙內(nèi)，對(duì)某車型整車進(jìn)行了600 h的陽光模擬試驗(yàn)，依次完成15個(gè)干熱氣候循環(huán)試驗(yàn)和10個(gè)濕熱氣候循環(huán)試驗(yàn)，共進(jìn)行25個(gè)循環(huán)數(shù)后，對(duì)采集的溫度、相對(duì)濕度和輻照度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。本研究采用的金屬鹵素?zé)?，全光譜的光譜輻射分布符合表2要求。

表2 全光譜的光譜輻射分布

1.3 自然暴曬和全光譜陽光模擬試驗(yàn)相關(guān)性研究方法

近些年來，許多整車及零部件企業(yè)用人工加速老化試驗(yàn)?zāi)M真實(shí)氣候條件，探究兩者之間的相關(guān)性，已經(jīng)取得了一定的研究成果[2]。大量研究顯示，非金屬材料的老化程度與材料吸收的能量有密切的關(guān)系，這個(gè)能量主要由環(huán)境中的太陽輻射、溫度、水分所決定[1]。目前，通?？梢圆捎米贤饽芰勘容^法（UV）[3]、季節(jié)性調(diào)節(jié)太陽輻射量法（SASR）[4]或是溫度校正太陽輻射量法（TNR）[5]來研究自然暴曬與陽光模擬之間的相關(guān)性。TNR方法是根據(jù)實(shí)時(shí)采集的黑標(biāo)溫度和總輻射量，進(jìn)行能量累積，可以將溫度和太陽輻照強(qiáng)度兩個(gè)影響整車及零部件老化程度的關(guān)鍵因素有效地聯(lián)系起來。因此，本研究采用TNR的計(jì)算方法同時(shí)結(jié)合在整車上搭載PC樣板的方法來研究自然暴曬和全光譜陽光模擬試驗(yàn)的相關(guān)性。

1.3.1 溫度校正太陽輻射量法（TNR）

TNR法出現(xiàn)在GMW 3417標(biāo)準(zhǔn)中[5]， TNR的計(jì)算公式如下：

式中：

R—某一時(shí)段零部件所吸收的太陽輻射量，MJ/m2，每5 min取一次值；

T—同一時(shí)段的零部件表面所測得的溫度，℃，每5 min取一次值；

TNR—溫度調(diào)節(jié)輻照量，由R和T計(jì)算累加得到，MJ/m2，每5 min計(jì)算一次。

1.4 試驗(yàn)條件定義

1.4.1 樣車狀態(tài)確定

1）自然暴曬樣車試驗(yàn)狀態(tài)按照某企業(yè)汽車整車大氣暴曬試驗(yàn)方法的要求將車輛停放在海南瓊海暴曬場和新疆吐魯番暴曬場內(nèi)，車頭朝南，暴曬周期為1年。

2）全光譜陽光模擬試驗(yàn)樣車按照DIN 75220試驗(yàn)方法的要求將車輛停放在光照和溫度均勻的環(huán)境試驗(yàn)艙內(nèi)，試驗(yàn)周期為25個(gè)循環(huán)（600 h）。

1.4.2 傳感器安裝位置

本研究采用直接測量總輻射量和零部件表面黑標(biāo)溫度的方法，并根據(jù)TNR的計(jì)算公式來確定自然暴曬和全光譜陽光模擬試驗(yàn)之間的相關(guān)性系數(shù)。本文選取的測量部位是受陽光照射最嚴(yán)重的部位-儀表板上罩中間部位來作為此次研究的考察部件。

1.4.3 PC樣板搭載部位

本研究將PC樣板放置于3臺(tái)試驗(yàn)車儀表板上罩中間部位，分別進(jìn)行海南瓊海和新疆吐魯番自然暴曬及整車陽光模擬試驗(yàn)，間隔一段時(shí)間測試這三處地點(diǎn)搭載的PC樣板的色差值。

2 測試結(jié)果及其分析

2.1 整車TNR能量的測試結(jié)果

通過對(duì)停放在瓊海試驗(yàn)場、吐魯番試驗(yàn)場和全光譜陽光模擬試驗(yàn)艙里的2種車型的車輛測量儀表板中部的總輻射能量與黑標(biāo)溫度，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行TNR計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖1和圖2。

通過圖1和圖2的數(shù)據(jù)，我們可以得出：車型A中全光譜陽光模擬試驗(yàn)測得的儀表板處TNR數(shù)據(jù)占海南暴曬的83.8 %，占吐魯番暴曬的84.5 %；車型B中全光譜陽光模擬試驗(yàn)測得的儀表板處TNR數(shù)據(jù)占海南暴曬的75.4 %，占吐魯番暴曬的71.0 %，在儀表板區(qū)域，全光譜陽光模擬試驗(yàn)與自然暴曬試驗(yàn)具有較高的吻合度，不同車型之間有所差異。

圖1 車型A各個(gè)狀態(tài)的TNR能量累積值（MJ/m2）

圖2 車型B各個(gè)狀態(tài)的TNR能量累積值（MJ/m2）

2.2 PC樣板的色差測試結(jié)果

本研究采用分光測試計(jì)（D65，10 °，SCI）對(duì)試驗(yàn)前后的PC樣板進(jìn)行測量，測量方法是在每塊樣板三處不同位置進(jìn)行測量，然后求取三次測量的算術(shù)平均值，并計(jì)算色差，每組三塊樣板的結(jié)果再取算術(shù)平均值，色差的測量值如圖3所示。

通過圖3的數(shù)據(jù)，我們可以看出：全光譜陽光模擬試驗(yàn)儀表板位置搭載的PC樣板色差數(shù)據(jù)與新疆吐魯番、海南瓊海試驗(yàn)后測得的樣板色差數(shù)據(jù)相差不大，具有較好的相關(guān)性。

圖3 各個(gè)狀態(tài)一段時(shí)間間隔內(nèi)PC樣板的色差變化值（△E）

3 結(jié)語

1）在儀表板上罩區(qū)域，全光譜陽光模擬與自然暴曬具有較高的相關(guān)性，不同的車型，相關(guān)性系數(shù)會(huì)有所差異。全光譜陽光模擬一輪試驗(yàn)（25個(gè)循環(huán)），零部件的老化程度相當(dāng)于整車自然暴曬一整年暴曬的70～84 %。本文中的相關(guān)系數(shù)是對(duì)有限數(shù)據(jù)的一種估算，后期還需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正，從而得到更加準(zhǔn)確的相關(guān)系數(shù)，開發(fā)出一種試驗(yàn)周期短，條件可控，與自然暴曬更加匹配的陽光模擬試驗(yàn)方法。

2）全光譜陽光模擬試驗(yàn)儀表板位置搭載的PC樣板色差數(shù)據(jù)與自然暴曬測得的樣板色差數(shù)據(jù)相差不大，具有較好的相關(guān)性。后期我們可以通過增加光澤度、樣板表面形貌分析等手段進(jìn)一步研究全光譜陽光模擬和自然暴曬的相關(guān)性。

3）全光譜陽光模擬試驗(yàn)相較于整車自然暴曬具有開發(fā)周期短，試驗(yàn)條件可控的優(yōu)點(diǎn)，在整車及零部件研發(fā)過程中可起到重要的驗(yàn)證作用。