整車濕熱環(huán)境下大氣暴露試驗失效問題分析

馮拓，李秋魁，李志虎，賀麗麗，張浩悅，王旭昕，晉飛

（合眾新能源汽車股份有限公司，嘉興 314500）

引言

汽車在使用過程中，由于受到外界綜合環(huán)境的協(xié)同作用，汽車零部件會發(fā)生老化。特別是一些高分子材料，其本身結(jié)構(gòu)（如雙鍵、支鏈、羥基等）和組分（如增塑劑、抗氧劑、光穩(wěn)定劑等）在光、熱、氧等的作用下，極易發(fā)生改變，從而造成零部件的外觀、功能等出現(xiàn)失效[1,2]。

為確保整車的老化性能，目前主要是在開發(fā)階段通過耐候性試驗對零部件的老化性能進(jìn)行管控。汽車耐候性試驗按照試驗對象和試驗方法的不同，可分為自然氣候老化試驗、自然加速暴露試驗及實驗室人工加速氣候老化試驗等。其中自然氣候老化試驗中，整車直接暴露在自然氣候環(huán)境中，經(jīng)受光、熱、濕度、雨水、氧等各種環(huán)境的綜合作用，老化效果明顯，是最符合用戶使用環(huán)境的試驗方法，是檢驗整車、零部件和材料耐候性最真實、可靠的試驗方法[3]。海南瓊海濕熱地區(qū)是我國典型的濕熱氣候代表性氣候區(qū)域，也是理想的氣候老化試驗地點(diǎn)[4]。

本文對近幾年在海南瓊海開展的整車大氣暴露試驗中出現(xiàn)的各種失效現(xiàn)象進(jìn)行梳理總結(jié)，分析失效的原因，尋找并驗證解決方案，從而提升整車零部件的老化性能，為后期零部件的老化性能開發(fā)提供經(jīng)驗和依據(jù)。

1 試驗信息

試驗方法：GB/T 40512-2021《 汽車整車大氣暴露試驗方法》

試驗地點(diǎn)：海南瓊海熱帶環(huán)境研究所大氣暴露試驗場

數(shù)據(jù)處理：試驗車試驗1 年，每1 個月檢查一次；任何可察覺的外觀及功能變化，均記為1 次失效（同一失效問題不重復(fù)計數(shù)）。

2 試驗結(jié)果分析

共整理了2022-2023 年間四款車型出現(xiàn)的92 例不合格問題，主要是變色、析出和發(fā)粘、變形、腐蝕、異響幾類。各問題類別及數(shù)量見圖1。

3 主要失效問題分析

3.1 變色問題

變色是海南大氣暴露試驗最常見的問題。試驗期間，每3 個月測量一次色差并進(jìn)行記錄，每輛整車檢查50 處，四輛整車共檢測200 處內(nèi)外飾零部件的色差△E。其余零件采用目視檢測外觀變化。最終發(fā)現(xiàn)16 處色差△E 超標(biāo)，另外變色21 例。

色差反映了汽車零部件的外觀品質(zhì)。下表是我司內(nèi)外飾件色差△E 的要求色差問題主要集中在量產(chǎn)車型，新開發(fā)的車型色差基本均在要求范圍內(nèi)。這主要是部分供應(yīng)商質(zhì)量一致性較差。在長時間量產(chǎn)過程中，一些設(shè)備的性能、零部件的工藝參數(shù)、甚至材料等有一定的變化。

另外，材料選用也是一重要原因。為確保產(chǎn)品的質(zhì)量，我司新開發(fā)的車型均選用耐候性較好的材料牌號，材料質(zhì)量普遍優(yōu)于老款車型。

零部件的變色主要包括塑料件變色、皮革面料變色和橡膠件變色。

塑料件變色主要是指經(jīng)過戶外大氣暴露試驗后，出現(xiàn)發(fā)白、變黃或其他顏色變化，通過排查分析，塑料件變色的主要原因如下：

材料使用錯誤。供應(yīng)商未按我司選材料要求進(jìn)行用材，而是使用了非耐候級的材料牌號。

PCR 材料（消費(fèi)塑料回收）質(zhì)量的穩(wěn)定性。PCR 材料能夠有效的降低碳排放，是未來的應(yīng)用趨勢。但現(xiàn)階段該類材料的產(chǎn)業(yè)體系還不完善，原料來源亦不固定，故相對質(zhì)量穩(wěn)定性稍差。

對于色彩鮮艷的皮革面料，易出現(xiàn)變色現(xiàn)象。因此從老化性能的角度，應(yīng)盡量避免。否則需加強(qiáng)前期的光照性能開發(fā)和工藝、材料等的一致性管控。其中皮革面料材料本身的耐老化性能是根本，例如對于針織面料、仿麂皮，使用色紡紗取代染色工藝，提升色牢度；增加抗UV 助劑用量。對于皮革，使用無機(jī)顏料、增加抗UV助劑用量。

橡膠件的變色主要是密封條接角部位的發(fā)白。該零件較小，前期供應(yīng)商開發(fā)過程中，未進(jìn)行光照性能驗證。橡膠零件材料本身添加有大量的助劑，如不進(jìn)行管控，極易因老化而出現(xiàn)變色等失效。后期在外觀件的開發(fā)過程中，試驗驗證要全覆蓋，避免缺件漏件。

表1 我司內(nèi)外飾件色差△E 要求

變色問題的本質(zhì)是在紫外光等環(huán)境作用下，高分子材料的鏈段出現(xiàn)斷裂、色母失效等，這類問題的根本解決措施包括：①篩選原材料，選用耐候性好的原材料基材；②選用的耐光老化助劑需和原材料匹配且相容性好，并且建議用HALS 和紫外線吸收劑復(fù)配使用；③對于色澤鮮艷的材料，需驗證充分；對于多材料組合的零部件，需驗證全面。

3.2 析出發(fā)粘

析出和發(fā)粘是海南大氣暴露試驗常見的現(xiàn)象之一，該類問題有密封條析出、門把手/儲物盒/杯托軟墊發(fā)粘、中控扶手儲物盒發(fā)粘等問題（見圖2）。

圖2 典型析出、發(fā)粘問題

經(jīng)排查，密封條析出均是接角膠料，前期開發(fā)過程中只對擠出膠條進(jìn)行了人工光照老化驗證。門把手/杯托軟墊，由于在配方中添加了大量的油類，導(dǎo)致在光照等綜合環(huán)境作用下，油類析出。最終選用老化性能更好的TPU 材料替代TPV 材料，解決該問題。

中控扶手儲物盒的塑料表面，有一層輕微的油膜，導(dǎo)致表面光澤有明顯的變化。主要原因是：儲物盒蓋轉(zhuǎn)軸的潤滑脂，在高溫下?lián)]發(fā)凝附在塑料表面。選用滴點(diǎn)溫度更高的潤滑脂即可解決該問題。

析出和發(fā)粘的本質(zhì)是高分子材料添加劑（如耐刮擦劑、增塑劑、炭黑、滑石粉、促進(jìn)劑、石蠟等），在外界環(huán)境的刺激下，遷移到零件表面[5]。

析出和發(fā)粘主要從兩個方面進(jìn)行解決：①材料方面，選用低填充（刮擦劑、增塑劑、油類等）的材料牌號；②性能方面，開展人工光照老化試驗和高溫高濕（如溫度85 ℃，濕度85 RH%）模擬試驗。

3.3 變形

變形問題是零部件的配合問題，輕微的變形導(dǎo)致間隙變大，嚴(yán)重的變形將導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)變形、松動、脫落、開裂等現(xiàn)象。

零部件輕微間隙變大，在單個零部件的驗證過程中往往難以驗證出來，而在系統(tǒng)或整車試驗中，則比較容易被辨識出來。

零部件嚴(yán)重的變形導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形、松動、脫落和開裂，屬于比較嚴(yán)重的失效。如圖3 的衣帽架脫膠、后飾條變形。

圖3 典型變形問題

長期的陽光照射及高溫是導(dǎo)致汽車非金屬零部件變形最重要的因素之一[6]。零部件嚴(yán)重的變形主要是在設(shè)計過程中，未充分考慮零部件材料的高溫等綜合環(huán)境性能，材料在高溫環(huán)境下，力學(xué)性能改變或尺寸變化過大，最終導(dǎo)致零部件變形。

通過排查，零部件嚴(yán)重變形主要原因如下：

前期設(shè)計的最高溫度低于大氣暴露試驗的最高溫度，導(dǎo)致驗證不充分。由于近幾年溫度持續(xù)升高，之前定義的耐高溫DVP 溫度已經(jīng)低于海南試驗場實車相應(yīng)部位采集溫度。如衣帽架，之前采集的最高溫度低于90 ℃，本次試驗采集的最高溫度為95 ℃。將90 ℃等級的粘接膠水提升至100 ℃的熱熔型膠水，則問題解決。

結(jié)構(gòu)問題。如后飾條變形，其主要原因是零件在設(shè)計時未考慮到溫度變化導(dǎo)致的零件尺寸變長問題，未使應(yīng)力得到充分釋放。

材料選型。對于細(xì)長零件要選用低線性膨脹系數(shù)的材料。如圖4 的后飾條，選用的ABS 材料線性膨脹系數(shù)為8.5×10-5m/m.℃。若選用線性膨脹系數(shù)4×10-5m/m.℃的PP-GF30，則問題可明顯改觀。

圖4 典型腐蝕問題

零部件的變形本質(zhì)是在戶外暴露試驗過程中，材料在高低溫環(huán)境中出現(xiàn)尺寸、機(jī)械性能等的變化。高溫是變形的最主要因素之一，表2 是近幾年海南大氣暴露試驗整車各處最高的溫度。

表2 海南暴露試驗整車各處最高的溫度（℃）

從表2 可以看出，儀表板、轉(zhuǎn)向盤、衣帽架、頂棚、后背門、高位制動燈等零件大氣暴露試驗溫度比較高。這些零部件在前期開發(fā)過程中要考慮耐高溫性能，特別是開發(fā)塑料后尾門、鋁塑儀表橫梁、智能電子方向盤/儀表板表皮、貫穿式高位制動燈等塑料零部件時，要注意高低溫下的尺寸穩(wěn)定性。

為避免變形類問題，開發(fā)時可采用ABAQUS 等軟件對材料的熱力學(xué)和零部件尺寸進(jìn)行分析。另外，還要根據(jù)材料的熱學(xué)性能，對從結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝、表面處理等各個方面進(jìn)行全方位的考慮[7]。

3.4 腐蝕

大氣暴露試驗中的腐蝕問題主要是在電鍍件的腐蝕和鋁合金殼體的腐蝕（見圖4）。電鍍件是海南濕熱環(huán)境大氣暴露試驗過程中最常出現(xiàn)腐蝕失效的部件。經(jīng)排查，主要原因是零部件電鍍?nèi)毕?，如塑料電鍍件的表面存在輕微點(diǎn)狀銹蝕等，導(dǎo)致防腐性能未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[8]。另外一例鋁合金殼體出現(xiàn)白銹腐蝕，經(jīng)排查是零部件表面未做鈍化要求，經(jīng)鈍化處理后問題解決。

沿海地區(qū)空氣中含有大量隨海水蒸發(fā)的鹽分，其溶于小水滴中便形成了高濃度的鹽霧。海南大氣暴露試驗過程中的鹽霧腐蝕，本質(zhì)是高濃度的鹽霧環(huán)境下零件表面的電化學(xué)腐蝕。金屬零部件的腐蝕性能主要是通過表面處理來改善。塑料本身不發(fā)生腐蝕，其腐蝕主要為表面的鍍層缺陷造成，其改善的主要方向是提升表面處理工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性[9]。

3.5 異響

異響也是海南大氣暴露試驗中的常見問題。除了因尺寸變形導(dǎo)致零部件干涉，進(jìn)而在按壓過程中出現(xiàn)異響外，還與零部件材料的本身性能有關(guān)。產(chǎn)生異響材質(zhì)均為剛性的材料，以PC+ABS 較為常見。由于零部件剛性較大，按壓過程中，卡接部位零部件之間摩擦力較大，易出現(xiàn)摩擦異響。

降低異響的方式有涂消音脂、貼毛氈或泡棉、使用降噪材料。采用降噪材料可免去涂消音脂或貼毛氈、泡棉的工序，減少成本。當(dāng)兩種剛性的PC+ABS 連接時，其中一方采用低異響的牌號，即可有效的改善異響問題。

4 整車零部件老化的預(yù)防

整車海南大氣暴露試驗中出現(xiàn)的各種問題，包括變色、析出和發(fā)粘、變形、腐蝕、異響等，均主要與材料本身的性能有很大的關(guān)系。

要確保整車零部件在各種環(huán)境下的老化性能，主要從以下幾個方面進(jìn)行預(yù)防：

1）制定合理的老化技術(shù)要求

由于高分子材料老化的因素較多，不同材料對各種影響因素的敏感度又有差異。根據(jù)各種零件自身的功能和所處的環(huán)境，制定合適的技術(shù)要求，是確保零部件濕熱環(huán)境下老化性能的關(guān)鍵。過低的標(biāo)準(zhǔn)難以識別零部件老化的風(fēng)險，過高的標(biāo)準(zhǔn)意味著性能的過剩和成本的浪費(fèi)。

2）選用合適的材料

選用合適的材料是確保零部件濕熱環(huán)境下老化性能的前提。材料的選用除需滿足相應(yīng)的技術(shù)要求外，還要考慮過往的經(jīng)驗、企業(yè)的材料體系、行業(yè)的應(yīng)用案例等各個方面，總體原則是合適的材料用于合適的地方。

3）零部件的設(shè)計要考慮各種苛刻的環(huán)境

一些極端環(huán)境對零部件的影響較大。例如隨著溫度的增加，零部件的尺寸會變大，不同的材料線性膨脹系數(shù)差異較大，因此在尺寸較大、多種材料組合或?qū)Τ叽缫筝^高的零部件，需重點(diǎn)考慮溫度對零部件的尺寸影響以及其他影響。

4）規(guī)范的開發(fā)流程

很多問題都是前期開發(fā)過程中的管理流程不規(guī)范，如未按標(biāo)準(zhǔn)選材、未按照要求進(jìn)行驗證、并非最新狀態(tài)樣件等。規(guī)范的性能開發(fā)流程，是零部件濕熱環(huán)境下老化性能的重要保障。

5）生產(chǎn)過程的一致性

產(chǎn)品的質(zhì)量是長期性的，最主要是要控制生產(chǎn)過程的一致性，保證材料、生產(chǎn)工藝等不發(fā)生變化，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

海南戶外大氣暴露試驗，能較好的驗證整車零部件的綜合老化性能。試驗中常見的失效模式有外觀變色、析出和發(fā)粘、變形、腐蝕及異響等。

改善內(nèi)外飾零件的老化性能主要做到以下五個方面：制定合理的老化技術(shù)要求；選用合適的材料；零部件的設(shè)計要考慮各種苛刻的環(huán)境；規(guī)范的開發(fā)流程；生產(chǎn)過程的一致性。