整車自然暴曬與全光譜陽光模擬老化相關性研究

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，經過老化專家學者的長期研究表明，影響非金屬材料使用壽命的主要環境因素是高強度的太陽輻射、溫度、水分及其之間的協同作用[1]。近些年來，因整車自然暴曬試驗條件真實，與實際使用環境一致性好，國內外對整車自然暴曬試驗的研究比較多，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周期長，試驗條件不可控，重復性差，國內外的研究學者在自然暴曬試驗的基礎上，開發出了一系列的人工加速老化試驗，大大縮短了產品的開發周期。本文旨在研究整車自然暴曬與全光譜陽光模擬老化試驗之間的相關性，以期找到一種周期短，試驗條件可控，更接近用戶使用環境的人工加速老化試驗方法。

1 自然暴曬試驗與全光譜陽光模擬試驗

1.1 自然暴曬試驗地點

整車自然暴曬試驗一般在具有典型氣候特點的暴曬試驗場或試驗站進行，國內外規模較大的自然暴曬試驗場有美國的鳳凰城、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場。本文通過采集新疆吐魯番和海南瓊海試驗場的整車暴曬試驗數據來研究與全光譜陽光模擬試驗方法之間的相關性。吐魯番和海南試驗場的基本情況見表1。

表1 吐魯番和瓊海試驗場位置及環境特征

1.2 全光譜陽光模擬試驗方法

陽光模擬試驗方法各企業有所不一。本研究采用DIN 75220的試驗方法將整車置于具有一定尺寸的、內部安裝有溫度、濕度及輻照度等控制設備和檢測設備的試驗艙內，對某車型整車進行了600 h的陽光模擬試驗，依次完成15個干熱氣候循環試驗和10個濕熱氣候循環試驗，共進行25個循環數后，對采集的溫度、相對濕度和輻照度數據進行分析研究。本研究采用的金屬鹵素燈，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相關性研究方法

近些年來，許多整車及零部件企業用人工加速老化試驗模擬真實氣候條件，探究兩者之間的相關性，已經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系，這個能量主要由環境中的太陽輻射、溫度、水分所決定[1]。目前，通常可以采用紫外能量比較法（UV）[3]、季節性調節太陽輻射量法（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性。TNR方法是根據實時采集的黑標溫度和總輻射量，進行能量累積，可以將溫度和太陽輻照強度兩個影響整車及零部件老化程度的關鍵因素有效地聯系起來。因此，本研究采用TNR的計算方法同時結合在整車上搭載PC樣板的方法來研究自然暴曬和全光譜陽光模擬試驗的相關性。

1.3.1 溫度校正太陽輻射量法（TNR）

TNR法出現在GMW 3417標準中[5]， TNR的計算公式如下：

式中：

R—某一時段零部件所吸收的太陽輻射量，MJ/m2，每5 min取一次值；

T—同一時段的零部件表面所測得的溫度，℃，每5 min取一次值；

TNR—溫度調節輻照量，由R和T計算累加得到，MJ/m2，每5 min計算一次。

1.4 試驗條件定義

1.4.1 樣車狀態確定

1）自然暴曬樣車試驗狀態按照某企業汽車整車大氣暴曬試驗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，車頭朝南，暴曬周期為1年。

2）全光譜陽光模擬試驗樣車按照DIN 75220試驗方法的要求將車輛停放在光照和溫度均勻的環境試驗艙內，試驗周期為25個循環（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溫度的方法，并根據TNR的計算公式來確定自然暴曬和全光譜陽光模擬試驗之間的相關性系數。本文選取的測量部位是受陽光照射最嚴重的部位-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臺試驗車儀表板上罩中間部位，分別進行海南瓊海和新疆吐魯番自然暴曬及整車陽光模擬試驗，間隔一段時間測試這三處地點搭載的PC樣板的色差值。

2 測試結果及其分析

2.1 整車TNR能量的測試結果

通過對停放在瓊海試驗場、吐魯番試驗場和全光譜陽光模擬試驗艙里的2種車型的車輛測量儀表板中部的總輻射能量與黑標溫度，根據測得的數據進行TNR計算，計算結果見圖1和圖2。

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

圖1 車型A各個狀態的TNR能量累積值（MJ/m2）

圖2 車型B各個狀態的TNR能量累積值（MJ/m2）

2.2 PC樣板的色差測試結果

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

通過圖3的數據，我們可以看出：全光譜陽光模擬試驗儀表板位置搭載的PC樣板色差數據與新疆吐魯番、海南瓊海試驗后測得的樣板色差數據相差不大，具有較好的相關性。

圖3 各個狀態一段時間間隔內PC樣板的色差變化值（△E）

3 結語

1）在儀表板上罩區域，全光譜陽光模擬與自然暴曬具有較高的相關性，不同的車型，相關性系數會有所差異。全光譜陽光模擬一輪試驗（25個循環），零部件的老化程度相當于整車自然暴曬一整年暴曬的70～84 %。本文中的相關系數是對有限數據的一種估算，后期還需要大量的試驗數據進一步修正，從而得到更加準確的相關系數，開發出一種試驗周期短，條件可控，與自然暴曬更加匹配的陽光模擬試驗方法。

2）全光譜陽光模擬試驗儀表板位置搭載的PC樣板色差數據與自然暴曬測得的樣板色差數據相差不大，具有較好的相關性。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一步研究全光譜陽光模擬和自然暴曬的相關性。

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