汽車儀表板IP/DP 箱自然加速試驗研究

曾文波，揭敢新，覃家祥，張曉東，劉鑫

（中國電器科學研究院股份有限公司，工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣東省高分子材料環境適應性評價與檢測技術重點實驗室，廣州 510663）

引言

IP/DP（Instrument Panel/Door Panel）箱試驗[1，2]是一種玻璃下的自然暴露加速老化試驗，通過選擇不同類型的玻璃、設置不同的黑板溫度以及選擇不同的試驗持續期，模擬并強化汽車停放時內飾件所處的環境狀況，如強化太陽輻射、溫度等，分別對不同車型、不同部位上的汽車內飾件進行試驗，幾乎適用于所有汽車內飾材料及其成品零部件[3，4]。汽車儀表板作為主要的內飾零部件，是車內接收太陽輻照最多的區域，其表面溫度也遠高于車內其他內飾件。統計數據顯示，儀表板上表面溫度可達110 ℃，甚至超過110 ℃，微環境條件嚴酷，表面易產生發白、發粘等老化現象，影響外觀和使用[5，6]。

因此，本文以汽車儀表板為研究對象，通過汽車整車自然暴露試驗以及儀表板的IP/DP 箱試驗，系統收集儀表板上表面的太陽輻射、表面溫度等微環境數據及儀表板上表面的色差數據，IP/DP 箱內太陽輻射、表面溫度及儀表板的色差數據，對比分析儀表板材料在IP/DP箱內試驗的加速效果。

1 試驗方法

整車自然暴露試驗：QC/T 728-2005《汽車整車大氣暴露試驗方法》，試驗時間1年；IP/DP 箱試驗：45 °角，自動太陽跟蹤，透明層壓玻璃，上限溫度110 ℃，試驗時間1年；數據監測（5 min）：儀表板太陽輻射、表面溫度，IP/DP 箱內太陽輻射、黑板溫度；色差：GB/T 3979-2008《物體色的測量方法》。

2 試驗設備

數據采集器，型號：CR1000，廠家：Campbell；太陽總輻射表，型號：CMP11，廠家：KippZonen；空氣溫濕度傳感器，型號：HMP155A，廠家：Vaisala；色差儀，型號：BYK-6834，廠家：德國BYK 公司。

3 結果與討論

3.1 環境條件對比與分析

1）太陽輻射

圖1 是儀表板上表面與IP/DP 箱的太陽輻射量對比。從圖中可以看出，在自動跟蹤太陽系統的作用下，IP/DP箱內所接收的太陽輻射幾乎每個月都高于自然暴露試驗過程中儀表板上表面所接收的太陽輻射。統計數據顯示，試驗期間IP/DP 箱內樣品所接收的太陽輻射總量約是儀表板上表面的1.37 倍。

進一步統計不同太陽輻射強度區間的累計時間，如圖2 所示。從圖中可以看出，IP/DP 箱內太陽輻射的累計時間要比儀表板上表面輻射時間更長一些，且隨著輻射強度的增加，累計時間的差異更加明顯。統計數據顯示，700 W/m2以上的太陽輻射，IP/DP 箱內累計時間達到380 h 以上，而自然暴曬試驗中儀表板處的太陽輻射僅有12 h。由此可見，利用跟蹤式IP/DP 箱開展儀表板的自然加速試驗時，試樣受到更高強度、更長時間的太陽輻射的影響，導致幾乎每個月的太陽輻射均高于自然暴曬試驗中儀表板上表面的太陽輻射，試樣老化速率也更快。

2）溫度

溫度是除太陽輻射外影響高分子復合材料老化的第二大因素。根據汽車整車自然暴露試驗中儀表板上表面的溫度數據，設置IP/DP 箱內溫度上限為110 ℃。圖3是儀表板表面溫度及IP/DP 箱內黑板溫度的對比。結果顯示，IP/DP 箱內黑板表面最高溫度、平均溫度均高于自然暴露的儀表板上表面溫度，且在IP/DP 箱內儀表板材料表面溫度可超過110 ℃。

圖1 儀表板上表面與IP/DP 箱內太陽輻射量對比

圖2 儀表板上表面與IP/DP 箱內太陽輻射累計時間對比

圖3 儀表板材料在不同試驗條件下的溫度月分布

IP/DP 箱內的高溫累計時間也更長。圖4 是儀表板上表面與IP/DP 箱內不同溫度區間的分布對比。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，IP/DP 箱內的高溫累計時間越長。可見，在使用IP/DP 箱進行儀表板的自然加速試驗時，試樣受到更長時間、更高溫度的作用，儀表板材料的熱老化效應更加明顯，老化嚴酷度更高，在太陽輻射的協同作用下，老化速率進一步加快。

3）TNR 綜合環境應力

IP/DP 箱的試驗持續期可由累計日期、累計太陽輻射量、SASR（Seasonally Adjusted Solar Radiation，季節調節太陽輻射量）、TNR（Temperature Normalized Radiation，溫度調節輻射量）等決定。GM 9538P 標準規定由SASR決定[7]，而GMW 3417 標準規定由TNR 決定[8]。本文使用TNR 模型計算儀表板材料所受到的綜合環境應力。

TNR 蘭利（ly）的計算公式如下：

R—試驗規定用玻璃下所測到的太陽輻射量，單位：蘭利（ly），每5 min 取一次值。

T—從試驗裝置黑板溫度計上測得的溫度，單位：℃，每5 min 取一次值。

TNR—溫度調節輻射量，由R 及T 計算累加得到，單位：蘭利（ly），每5 min 計算一次。

圖5 是儀表板上表面及IP/DP 箱內的TNR 隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，冬季由于太陽輻射較弱、溫度較低，儀表板及IP/DP 箱的綜合環境應力差別較小。而夏季在高溫高輻射的作用下，IP/DP 箱內的綜合環境作用遠高于自然暴曬試驗中的儀表板上表面，統計數據顯示，IP/DP 箱內的綜合環境作用約是自然暴曬試驗中儀表板上表面的2 倍。

3.2 IP/DP 箱加速效果分析

1）考慮時間的加速效果

圖6 是儀表板樣品的色差隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，在試驗時間相同的條件下，IP/DP 箱內的樣品色差變化更大，達到相同色差所需的時間更短，說明IP/DP 箱對儀表板材料的老化擁有較好的加速性。J.E Pickett 等人[9，10]對此類試驗結果之間的加速倍率做了系統研究，發現可通過橫坐標（如時間、輻射等）乘以系數的方法，對非線性降解曲線進行擬合，使曲線盡量重合，獲得加速倍率。

圖4 儀表板上表面與IP/DP 箱溫度作用累計時間分布

圖5 儀表板上表面與IP/DP 箱TNR 綜合環境作用對比

圖6 儀表板色差隨時間的變化曲線

以圖6 的數據為基準，橫坐標乘以相應的系數，得到圖7。從圖中可以看出，經過數據處理后，曲線基本重合，說明儀表板IP/DP 箱試驗的加速倍率約是自然暴露試驗的1.67 倍。

2）考慮太陽輻射的加速效果

僅從色差與時間的關系無法反映環境因素對儀表板材料性能的影響。為此，進一步統計儀表板上表面與IP/DP 箱內所接收的太陽輻射，考察儀表板材料色差隨太陽輻射量的變化規律，如圖8 所示。由圖可知，在相同太陽輻射的條件下，IP/DP 箱仍然有較高的加速效果。

通過系數校正后發現，IP/DP 箱的加速效果約是自然暴露試驗的1.25 倍，如圖9 所示。且在相近的時間范圍內，IP/DP 箱內樣品所接收的太陽輻射約是自然暴露試驗儀表板的1.38 倍。因此，IP/DP 箱的時間、太陽輻射綜合加速效果約是自然暴露試驗的1.73 倍。

4）考慮綜合環境作用的加速效果

利用TNR 模型，計算太陽輻射與溫度的綜合環境作用，考察儀表板材料色差隨綜合環境應力值的變化規律，如圖10 所示。結果顯示，IP/DP 箱內試樣的色差變化與自然暴露試驗結果幾乎重合，相關系數近乎為1.00。而在相同時間內，IP/DP 箱的TNR 綜合環境作用是自然暴露試驗的2.00 倍。因此，IP/DP 箱的時間、太陽輻射及溫度的綜合加速效果約是自然暴露試驗的2.00 倍。

圖7 基于圖6 曲線數據的系數校正曲線

4 結論

本文通過整車的自然暴露試驗以及儀表板的IP/DP箱試驗，初步研究了跟蹤式IP/DP 箱自然加速試驗的加速效果，得到以下結論：

圖8 儀表板色差隨太陽輻射量的變化曲線

圖9 基于圖8 曲線數據的系數校正曲線

圖10 儀表板材料色差隨TNR 值的變化曲線

1）相比于自然暴露試驗，跟蹤式IP/DP 箱試驗具有較高的環境嚴酷度，箱內樣品處于更高、更強、更長時間的太陽輻射及溫度效應，樣品老化速率高于自然暴露試驗。

2）基于時間、輻射及溫度等因素的考慮，研究了不同因素的綜合作用對IP/DP 箱的加速效果。結果顯示，儀表板IP/DP 箱試驗的時間加速效果約為自然暴露試驗的1.67 倍，太陽輻射加速效果約為1.73 倍，TNR 綜合環境作用加速效果約為2.00 倍。