自然環境譜轉化為加速試驗環境譜的方法

王艷艷 ，舒暢 ，李超

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.重慶市環境腐蝕與防護工程技術研究中心，重慶 400039）

產品在自然環境中所經歷的環境譜是造成其環境腐蝕損傷的主要原因。通過自然環境試驗來考核驗證產品的環境適應性，結果真實、可靠，缺點是周期較長。實驗室加速試驗能夠縮短試驗和評價周期，但要做到對產品自然環境效應的真實再現和等效評估，其試驗條件的選取就至關重要。如何將自然環境譜轉化為實驗室加速試驗環境譜，對科學考核、驗證產品的環境適應性具有重要意義。

目前，圍繞建立自然環境譜和實驗室加速試驗環境譜已開展了大量的研究，獲得了依托較為完備的氣象資料編制自然環境譜的方法［1-2］，以及以飛機為應用對象建立的飛機結構局部環境譜［3-4］、載荷-環境譜［5-6］、使用環境譜［7-8］等各類環境譜的編制方法。還開展了部分飛機結構的加速試驗譜研究［9-11］，但對自然環境譜和加速試驗譜相互對應關系的研究非常有限。

文中采用文獻［1］介紹的方法，根據連續監測某地域近5年的大氣環境因素數據，建立了自然環境譜，提出了自然環境譜向加速試驗環境譜轉化的方法，并以天然橡膠的老化為載體開展了加速試驗環境譜的驗證試驗。

1 自然環境譜的分類

將自然環境譜分為單項環境譜、組合環境譜和綜合環境譜3類。

1）單項環境譜。單項環境譜指僅針對單一環境因素建立的環境譜，不考慮其他環境因素，如溫度譜定義為“一定統計時間內，溫度平均值、極值及特定溫度區間累積時間的統計結果”。單項環境譜包含溫度譜、相對濕度譜、日照輻射譜等。

2）組合環境譜。組合環境譜以多種因素在確定應力水平組合下所占年均累積時間的形式體現。例如，溫度-相對濕度譜以統計年份內一定溫度-相對濕度區間的年均累積時間來表示，定義為“一定統計時間內，特定溫度-相對濕度區間累積時間的統計結果”；降水譜定義為“一定統計時間內，特定溫度區間降水量、降水時數和降水次數的統計結果”。組合環境譜包含溫度-相對濕度譜、霧譜、露譜、降水譜、酸雨譜、污染介質譜等。

3）綜合環境譜。將某氣候區域所有環境因素歸類合并計算后，形成綜合環境譜。綜合環境譜中給出了各種環境因素的時間比例、累積作用時間、作用次數、作用強度以及各種污染介質的濃度等。

2 自然環境譜向加速試驗環境譜轉化的方法

2.1 環境應力水平的確定

在加速試驗中，每種環境因素的量值水平應在自然環境譜中對應環境因素的監測數據范圍內。溫度的應力水平推薦采用整點溫度的年極值，相對濕度的應力水平推薦采用月均值的年極值，污染介質濃度推薦采用年極值，日照輻射、降水、霧、露、酸雨等推薦采用年均累計值進行折算。

當設定的加速試驗條件明顯高于自然環境譜中的應力水平時，應當作出充分的分析和論證，說明應力水平的改變不會造成異常環境效應的產生，即環境腐蝕機理以及產品與環境作用的產物不會發生顯著變化。

2.2 環境應力作用時間的確定

在一個加速試驗周期內，每種環境因素的作用時間比例按照自然環境譜中的作用時間比例來確定。如果與自然環境譜中的作用時間比例不符，應有充分的理論依據或試驗結果作為支撐。

加速試驗的持續時間不能僅采用自然環境與加速試驗環境中的累積應力相當來簡單換算，應當采用參考材料進行驗證，用參考材料在2種環境作用下出現相同程度環境效應的時間來確定。

2.3 環境譜的轉化、組合和綜合

針對自然環境譜中的每個單項環境譜、組合環境譜，分別轉化為加速試驗環境譜，如溫度譜轉化為溫度試驗譜，溫度-相對濕度譜轉化為溫、濕度試驗譜，日照輻射譜轉化為實驗室光源暴露試驗譜等。每個加速試驗譜中的環境因素及其量值水平都來自于對應的自然環境譜。

對分別轉化形成的加速試驗環境譜，結合現有的實驗室加速試驗手段，將相互有關聯的、同時作用的環境因素進行合理組合，在加速試驗中同時實現。如溫度譜、相對濕度譜與實驗室光源暴露試驗譜可以組合，溫度、相對濕度譜與污染介質譜也可以組合。

為盡可能在實驗室中模擬多環境因素的綜合作用，優先進行綜合試驗，必要時可犧牲部分試驗條件的控制精度來滿足這一要求。

2.4 環境應力的施加順序

在現有加速試驗條件不能滿足多個環境應力同時作用的前提下，采用各個環境應力順序施加的方式來體現每種環境應力的影響。通過分析自然環境特點及其對裝備或產品的影響，按照對裝備或產品的影響程度的重要性進行排序，重要性越高，排列次序越靠前。

3 實例

某地域環境屬低溫寒冷地域氣候環境，根據此轉化原則將該地域的自然環境譜轉化為加速試驗譜，并用天然橡膠1142為試驗對象開展試驗驗證。

3.1 加速試驗譜

1）溫度譜。該地域近5年的極高溫度、極低溫度分別為34.9℃，-38.5℃，實驗室加速試驗的溫度條件設定高溫為35℃，低溫為-40℃。根據自然環境譜中各個溫度區段的作用時間比例，確定高溫試驗時數占總試驗時間的40%，低溫作用時間為60%。

2）相對濕度譜。該地域近5年的極高月平均相對濕度、極低月平均相對濕度分別為75%，51%，相應實驗室加速試驗的相對濕度條件設定高濕為75%，低濕為50%。根據自然環境譜中各個相對濕度區段的作用時間比例，確定高濕（相對濕度為70%以上）試驗時數占總試驗時間的33%，低濕（相對濕度為70%及70%以下）作用時間為67%。

3）溫度-相對濕度譜。自然環境譜中的潮濕空氣（溫度為0℃以上且相對濕度在70%以上）作用時間比例為25%，干燥空氣（相對濕度為70%及70%以下）作用時間比例為75%。實驗室加速試驗的高溫高濕試驗（35℃，RH為75%）時間占比相應設定為25%，其余75%的試驗時間內，高溫低濕試驗（35℃，RH為50%）時間占15%，低溫作用時間為60%。

4）降水、霧譜。該地域年均總降水時數占全年時間的比例為6.57%，其中0℃以上的降水時間占1.91%，0℃及0℃以下的降水時間占4.66%；霧、露的作用時間比例分別為3.71%，4.09%，絕大部分集中在0℃以上。對產品造成的影響為表面產生連續水膜，與濕熱試驗合并。

5）日照輻射譜。該地域近5年的年均總輻射為4488.9 MJ/m2，總紫外輻射為 213.7 MJ/m2，日照時數占全年時間的比例為23.2%。實驗室加速試驗中340 nm處的輻照量設定為0.68 W/m2，光照時間占25%，無光照時間占75%。

6）污染介質譜。根據對自然環境譜中的酸雨譜、污染介質譜和綜合環境譜的分析，該地域無鹽霧和工業廢氣的作用，加速試驗譜中無污染介質的作用。

3.2 加速試驗譜的剪裁

橡膠暴露于戶外大氣環境中，受太陽輻射、氧和臭氧、溫度等環境因素的作用發生老化，最常出現的老化類型包括光氧老化、熱氧老化、低溫脆化等。水分的影響與臭氧、熱、光的破壞性相比要小得多。高濕度條件對橡膠制品沒有不利影響，相反，這種條件還會造成對太陽輻射高光化學效應的有效屏蔽。

對在該地域暴露使用的橡膠而言，加速試驗模塊選擇實驗室光源暴露試驗和溫度試驗（高溫、低溫、溫度沖擊），不考慮濕度試驗和大氣中污染介質的作用。

3.3 驗證試驗

1）試驗樣品。天然橡膠1142，規格為150 mm×120 mm×2 mm。

2）試驗條件。溫度譜：35℃，10 h（作用時間比例為40%）；-40℃，14 h（作用時間比例為60%）。日照輻射譜：光照6 h（作用時間比例為25%），無光照18 h。光照條件：340 nm處的輻射強度為0.68 W/m2，箱體溫度為35℃。加速試驗環境譜如圖1所示。

3）試驗方法。采用實驗室光源暴露試驗、高溫、低溫等3種試驗的循環組合進行加速試驗。試驗設備：Q-Sun Xe-3-HSC型低溫氙燈老化測試儀、65CT/3型溫度沖擊試驗箱。試驗條件按照加速試驗環境譜設定。試驗參數：實驗室光源暴露試驗——340 nm處的輻射強度為0.68 W/m2，箱體溫度為（35±1）℃；高溫試驗——箱體溫度為（35±1）℃，相對濕度RH為（50±5）%；低溫試驗——箱體溫度為（-40±1）℃。循環方式：光照（6 h）+高溫（4 h）+低溫（14 h），每一個循環24 h。

圖1 加速試驗環境譜Fig.1 Accelerated test environmental spectra

4）性能檢測。試驗前和試驗循環數為3，7，14，21時，分別檢測試驗樣品的邵氏硬度、拉伸強度和拉斷伸長率。

3.4 試驗結果

加速試驗中天然橡膠1142的性能檢測結果見表1。開展加速試驗前，在該地域進行了天然橡膠1142的戶外暴露試驗，戶外暴露試驗中每個月暴露后的性能檢測結果見表2。

表1 天然橡膠1142的加速試驗結果Table 1 Accelerated test results of natural rubber 1142

以該地域戶外暴露中的試驗數據和結果為基準，對加速試驗的結果進行分析比較。2種試驗方式的橡膠性能變化情況為：樣品的硬度隨試驗時間的延長逐漸增大，拉斷伸長率不斷下降，拉伸強度先升高后下降。表明橡膠樣品出現老化，交聯程度增加，柔韌性降低。加速試驗結果與戶外暴露結果具有一致性。

表2 天然橡膠1142戶外暴露試驗結果Table 2 Exposure test results of natural rubber 1142

4 結語

實測環境數據合理轉化為實驗室加速試驗條件是裝備環境工程領域的難點問題之一。2009年頒布實施的GJB 150A《軍用裝備實驗室環境試驗方法》中不再規定試驗條件，使用時需要在分析產品壽命期環境剖面，并了解環境對產品影響機理的基礎上，利用實測環境數據或標準中推薦的基本環境數據進行剪裁，選擇確定相應的環境試驗條件［12］，對標準的應用造成了一定的困難。文中提出的自然環境譜向實驗室加速試驗環境譜的轉化方法對解決這一難題進行了嘗試。

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