汽車材料濕熱老化試驗周期的研究

張曉東，王釗桐，王 劍,3，揭敢新，高澤海，曾文波，王 俊

（1.中國電器科學研究院有限公司工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣州 510663；2.威凱檢測技術有限公司，廣州 510700； 3.廣東工業大學，廣州510006）

前言

汽車整車結構復雜，材料種類繁多，在使用過程中會面臨各種嚴酷氣候環境的考驗，不可避免會出現老化、腐蝕等不良現象，從而影響汽車的外觀、功能，甚至產生安全隱患[1]。為確保汽車具有良好的耐受氣候環境破壞的能力（簡稱：耐候性），汽車整車制造企業在零部件選材時，會根據整車的耐候性要求設計一系列的環境試驗對材料的老化腐蝕性能進行評估[2-10]，濕熱老化試驗是其中最普遍應用的環境試驗之一。

汽車整車的耐候性主要采用典型自然環境大氣暴露試驗進行[11,12]，試驗周期一般要求為1年，這是平衡了汽車開發周期要求及環境條件重復性后得到的結果。“加速試驗多長時間等效自然環境大氣暴露試驗1年”是各汽車企業尤其是技術積累較少的自主品牌汽車關心的主要話題之一。本文在眾多材料濕熱老化壽命預測的相關研究成果中[13-16]，選取Hallberg-Peck模型來對汽車材料濕熱老化試驗周期進行估算，結果與國外著名企業的標準要求吻合度非常好，說明該模型的計算結果具有較好的應用價值。

1 實驗部分

1.1 主要設備及儀器

數據采集記錄儀：CR1000，美國Campbell公司；

空氣濕度傳感器：HMP155A，芬蘭Vaisala公司；

表面溫度傳感器：T型熱電偶。

1.2 整車濕熱大氣環境暴露試驗

依據參考文獻12的相關規定在海南瓊海濕熱大氣環境試驗站開展整車濕熱大氣環境暴露試驗（圖1）。重點關注部位安裝表面溫度或濕度傳感器（圖2），用以連續實時監測汽車微環境條件并按一定的頻率進行數據記錄。

2 結果與討論

2.1 汽車微環境條件統計分析

大氣環境暴露試驗中的汽車零部件表面溫度及車內空氣濕度隨大氣環境時刻變化，但大多數情況下也不會發生突變，考慮到數據容量問題，一般設定數據采集器的數據記錄頻率為5或10 min 1次，來代表某一時刻汽車微環境條件。表1展示了某一時段試驗車儀表板上表面溫度及駕駛室空氣相對濕度數據，表格中每一行的平均值、最大值、最小值分別表示了5 min內連續監測數據的平均值、最大值和最小值。

2.2 濕熱老化試驗周期模型推導

當材料老化影響因素為溫度和濕度時，一般采用Hallberg-Peck模型來描述在溫濕度條件下的老化測試。其表達式如式1所示：

式中：

AF — 加速因子；

Ea — 老化活化能，J/mol；

R — 氣體常數，8.314；

Tu、 Tt — 實際使用、加速測試條件下的溫度，K；

RHu、RHt — 實際使用、加速測試條件下的相對濕度，%；

?τu、?τt— 實際使用、加速測試條件下的時間，s。

式1經整理后，可得到式2及式3。

圖1 汽車整車濕熱大氣環境暴露試驗

圖2 汽車微環境條件監測傳感器

表1 試驗車微環境條件監測數據示例

表2 通用汽車內飾件材料濕熱老化試驗參數

式中：

?τti、?τ、AF— i時刻的相應參數。

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2.3 濕熱老化試驗周期的計算

以通用汽車GMW14444-2012標準的要求為例計算汽車儀表板材料實驗室濕熱老化試驗周期，該標準規定濕熱試驗參數如表2所示。儀表板材料一般為PP，取其濕熱老化活化能為48 kJ/mol，整車大氣暴露試驗中各時刻的溫、濕度數據均取平均值。將各參數代入式3，計算每5 min大氣暴露試驗相對應的濕熱老化時間如表3所示。相應可獲得整車大氣暴露試驗1年，汽車儀表板材料相對應的濕熱老化試驗時間約為400.34 h（表4），與GMW14444-2012標準規定的時間周期吻合度非常好。

3 結論

合適的選材是汽車整車耐候性的基礎，為了加快材料篩選工作進度，一般是通過實驗室加速試驗進行的。利用Hallberg-Peck模型可以較為精準的計算對應于整車大氣暴露試驗時間的汽車零部件材料濕熱老化試驗時間，實現對材料濕熱老化性能的合理控制。

表3 每5分鐘大氣暴露試驗相對應的濕熱老化時間

表4 試驗車各個試驗月份的加速試驗換算時間

[1] 馬堅, 揭敢新, 劉強等. 汽車氣候老化應用技術[M]. 廣州: 華南理工大學出版社, 2013: 1-2.

[2] GMW14650-2010, Performance Requirements for Exterior Plastic Parts[S].

[3] GMW14444-2012, Material Related Interior Part Performance[S].

[4] VW 2.8.1-2014, Elastomers-Material Requirements and Testing[S].

[5] TL 522 31-2016, ABS and PC Polymer Blends-Material Requirements[S].

[6] TL 523 88-2005, Polypropylene for Passenger Compartments-Material Requirements[S].

[7] DBL 5571-2008, Supply Specification-Sealing section/Model parts manufactured from elastomers, mainly in body area suitable for long-term thermal loads of 70℃ to short-term thermal loads of 100℃[S].

[8] DBL 5416-2011, Supply Specification-Parts Manufactured from Thermoplastics for Paneling, Housings and Functional Parts for External Applications[S].

[9] TSM0502G, General Test Method for Plastic Parts[S].

[10] TP 303.5, Alternating climate test for trim parts[S].

[11] SAE J1976-2002, Outdoor Weathering of Exterior Materials[S].

[12] QC/T 728-2005, 汽車整車大氣暴露試驗方法[S].

[13] 高立花, 葉林. 尼龍6濕熱老化壽命預測[J]. 高分子材料科學與工程, 2015,31(5): 111-114.

[14] 張濤,周漪,劉靜.汽車整車在典型環境下大氣暴露試驗結果分析[J].裝備環境工程,2013,10(6).

[15] 張彥紅, 楊勇新, 姚勇,等. 玻璃纖維增強復合材料在濕熱環境下的耐久性試驗及性能衰減模型[J]. 工業建筑, 2014, 44(10): 46-50.

[16] 辛長宇, 宋國強, 許瑞沁,等. Arrhenius模型在整車零部件加速壽命試驗的應用[J]. 汽車電器, 2013, (04): 61-62.

[17] 萬立, 冀運東, 王繼輝. 濕熱環境下復合材料的使用壽命預測[J].玻璃鋼/復合材料增刊, 2012, 43-45.