汽車通風蓋板發白現象的大數據分析

張曉東，王偉健，陶友季，張志勇，陳心欣，李淮，祁黎， 曾文波，曾博，趙雪茹

（1.中國電器科學研究院股份有限公司 a. 工業產品環境適應性國家重點實驗室 b. 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； 2.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

隨著我國對汽車消費需求的增加，汽車的使用變得十分普遍，加之我國地緣寬廣、氣候復雜多樣，汽車部件老化及腐蝕的不良現象也隨之增多，這對汽車主機廠商提出了不小的挑戰。汽車部件的腐蝕、老化等現象不僅影響用戶的用車體驗，也會對汽車的行車安全產生威脅[1-2]。因此，尋找影響汽車部件發生老化的因素、以及汽車部件材料老化的變化規律[3]具有十分重要的意義。

通風蓋板是連接在前風擋玻璃與發動機機艙蓋之間的覆蓋件，起到協助通風、為雨刮轉軸機構提供防護以及覆蓋裝飾等功能。通風蓋板的發白會嚴重影響車輛外觀，降低用戶使用評價。

文中研究了通風蓋板發白的微觀機理，并基于大數據互信息理論方法，以某車在海南瓊海和新疆吐魯番暴曬試驗數據為基礎[1,4-5]，確定自然暴露試驗中導致通風蓋板發白的主要環境因素，通過兩地的自然環境數據，求取了該款通風蓋板發白時的等效輻照量值。該研究對于通過汽車外飾塑料件在典型地區的自然暴露試驗結果預估其他地區的使用壽命具有一定的指導意義。

1 試驗

根據QC/T 728—2005[6]的要求，在海南瓊海和新疆吐魯番兩地對汽車整車進行自然暴露試驗，同時放置監測設備不間斷地對大氣環境及汽車部件表面溫度變化等參數進行監測[7]，5 min記錄1次，定期（2個月）對汽車外觀及相關特定部件進行老化檢查，并記錄每次檢查時部件老化情況的相關信息[8]。采用Hitachi S-3400N II型掃描電鏡觀察試件的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 通風蓋板樣件自然暴露試驗表面發白現象

在海南瓊海和新疆吐魯番兩地，對汽車整車及零部件均開展了自然暴露試驗，其中通風蓋板樣件在一定時間試驗后出現了明顯的變白，具體變化情況如圖1所示。由圖1可以看出，試驗前，通風蓋板整體顏色均勻；試驗一段時間后，通風蓋板出現明顯的發白現象，部分材料顏色變白，與拼接的另一材料對比明顯。

圖1 通風蓋板試驗前后外觀變化 Fig.1 Appearance changes of ventilation cover before and after tests: a) Qionghai; b) Turpan

2.2 表面形貌分析

利用掃描電鏡分別對保留的通風蓋板原始樣件以及試驗后發白的樣件表面形貌（如圖2所示）進行觀察。可以看出，原始樣件表面比較平整光滑，說明基材對填料包覆較好；而試驗后發白的樣件表面基材老化，填料鑲嵌在基材中，形成明顯的“孤島”結構。因此，試驗后通風蓋板發白是自然暴露過程中表面基材老化后白色填料外露以及填料暴露后加劇表面光線漫反射導致的。

圖2 通風蓋板表面形貌分析 Fig.2 Analysis of surface morphology of ventilation cover: a) original sample; b) after exposure

2.3 失效影響因素分析

汽車外飾材料自然暴露試驗過程中，導致汽車部件老化失效的因素比較多，如部件材料、生產加工工藝、大氣環境條件等[8-10]。由于保密方面的要求，不對部件的材料及生產工藝等信息進行披露，而以部件名稱、生產廠家等信息代替，從而建立汽車外飾材料老化數據記錄表，見表1。根據檢測設備記錄的大氣環境數據和汽車微環境數據形成記錄表2和表3，數據格式為5 min一組。綜合所有記錄數據，形成29 個與材料老化相關的數據要素。每年針對某具體部件的相關數據記錄約有150萬個。

表1 汽車外飾材料老化數據記錄 Tab.1 Aging data records of automobile exterior materials

表2 大氣環境條件數據記錄 Fab.2 Data records of atmospheric environmental conditions

表3 零部件微環境條件數據記錄 Tab.3 Data records of micro environmental conditions of automobile parts

本項目采用信息理論[11-12]對大數據進行數據處理[13-15]。將汽車通風蓋板的老化外化表征（即材料是否變色）X作為決策屬性[16-18]，其他數據信息（如空氣濕度、太陽輻照、風速、降雨量、降雨時數、日照時數和地域）構成條件屬性集[19-20]，則汽車通風蓋板的老化與條件屬性之間的關聯度I可以用公式（1）計算得出[21]。計算結果（見圖3）表明，太陽輻照和部件表面溫度與通風蓋板發白的相關性較高，其他因素（如部件表面潤濕時間等）的相關性則較弱。

圖3 試驗車通風蓋板發白條件屬性互信息值 Fig.3 Conditional mutual information value of ventilation cover whitening

2.4 等效輻照量的計算

一般情況下，對于除溫度以外還包含其他應力S的普通情況，材料老化壽命可以用式（2）廣義Eyring模型[21]進行描述：

式中：η為特征壽命；A、n為待定常數；Ea為反應活化能；T為絕對溫度，K；k為波爾茲曼常數，k=1.380 648 52×10?23J/K；S為溫度以外的其他應力。

因此，針對汽車通風蓋板老化現象，其老化壽命模型可以表示為式（3）[21]。

式中：R為樣品表面輻照量，J/m2。

取n值為1，并分別用下標u和t表示戶外大氣暴露試驗和對比試驗，則得到式（4）和（5）。

當材料在不同地區受到同等程度的破壞時，特征壽命η應該相等，故令ηu=ηt，得到式（6），進一步整理得到式（7）。

在整車自然暴曬過程中，汽車部件表面溫度是隨太陽輻照和周邊空氣溫度的變化而變化的。在瓊海和新疆兩地，通風蓋板表面溫度變化的三維圖形見圖4。從圖4可知，通風蓋板的表面溫度基本呈現周期性變化。把試驗時記錄的實時監測數據帶入式（8）進行累加計算，最終得出等效環境的對比試驗輻照量。

圖4 通風蓋板表面溫度變化 Fig.4 Surface temperature of ventilation cover: a) after 6 months exposure at Qionghai, Hainan; b) after 6 months exposure at Turpan, Xinjiang

采用每5 min記錄一次蓋板表面的紫外輻照量和溫度數據，計算海南瓊海和新疆吐魯番兩地試驗過程中部件所受到的等效輻照值（如圖5所示）。結果表明，等效輻照值大于1882.8 J/cm2時，該種配方工藝通風蓋板就會產生發白現象。根據該數值可以預測該通風蓋板發白的時間。

圖5 不同試驗場通風蓋板發白時表面等效輻照值 Fig.5 Temperature equivalent radiation value of ventilation cover in different test sites

3 結論

1）通過通風蓋板表面形貌分析，確定其自然暴露試驗發白的原因在于表面基材老化導致填料暴露。

2）根據大氣環境和汽車微環境大數據，采用互信息理論的相關性分析方法，分析了部件老化與各因素之間的強弱關系。通風蓋板發白與太陽輻照、部件表面溫度的相關性較大。

3）根據整車在兩地的自然暴露試驗結果，確定當光熱等效輻照值大于1882.8 J/cm2時，該通風蓋板就會出現發白現象。