DIN75220標準陽光模擬試驗與海南戶外暴露試驗對比研究

張曉東，劉旭，呂天一，趙雪茹，王科孟，吳恒，楊昌錚，陳澤皓

環境試驗與觀測

DIN75220標準陽光模擬試驗與海南戶外暴露試驗對比研究

張曉東1,2，劉旭1，呂天一1，趙雪茹1，王科孟2，吳恒2，楊昌錚2，陳澤皓2

（1.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，廣州 510663；2.廣州電器科學研究院有限公司 海南熱帶環境分公司，海南 瓊海 571442）

為了對比DIN 75220標準陽光模擬試驗與我國海南戶外暴露試驗，以某型汽車整車和PC、PS標準板為研究對象，對自然曝曬試驗和基于DIN 75220標準的整車陽光模擬試驗中汽車典型部位微環境、汽車典型部件失效行為以及溫度校正太陽輻射量的結果進行了對比研究。分析了2種試驗方法中各統計量間的相關關系，進一步結合2種方法下的油漆件色差、內外飾件間縫隙變化結果以及關鍵部件典型失效問題，提出了適合用于模擬我國海南典型濕熱自然環境的定制化陽光模擬試驗循環。研究結果表明，基于DIN 75220標準的1個周期整車陽光模擬試驗可以反映約80%的濕熱自然環境整車曝曬試驗3～6個月出現的失效問題。DIN 75220標準中，潮濕氣候循環試驗可以較好地模擬我國海南濕熱自然環境，35個潮濕氣候循環可以模擬海南整車自然曝曬1 a。

自然曝曬試驗；整車陽光模擬試驗；溫度校正太陽輻射量；耐候性；濕熱；老化

氣候環境中，光照、溫度、水分及其之間的相互協同作用會使汽車零部件及材料產生老化腐蝕作用[1-2]，從而影響整車外觀和功能，甚至產生安全隱患。因此，越來越多整車制造企業將耐候性試驗納入整車開發流程，以保障上市車輛的質量。

在國家基準氣候站點開展的濕熱環境和干熱環境自然曝曬試驗環境應力分布情況最具代表性，也是考察車輛耐候性最基礎的試驗手段[3-7]。因其試驗條件真實，與實際使用環境一致性好，國內外相關研究也較深入和充分[8-17]，但也存在試驗周期長（自然曝曬1 a，甚至更長）、試驗條件重復性差等缺點[1]，逐漸不能適應汽車企業的產品開發需求。因此，歐美等發達國家汽車企業或行業開發出了一系列的陽光模擬加速試驗[18-21]，大大縮短了整車開發周期，國內也陸續開展了相關研究[22-23]。

關于塑料、橡膠和涂料等高分子材料的老化加速試驗，國內外學者已開展大量研究工作。其機理主要是在太陽輻射、溫度和水等氣候環境因素的作用下，分子鏈因吸能或水解而發生斷裂、降解、交聯，導致材料性能衰減[1,24-25]。Pickett等[26-28]研究發現，輻照與芳香族工程熱塑性樹脂的老化行為密切相關，提出了對于大多數芳香族工程熱塑性材料的最佳老化方法是盡可能提高光照強度或降低黑暗時間比例。對聚酯、酰胺類極性較大的高分子材料而言，濕度則是決定性因素，其中ABS材料在低濕度（<10%）條件下的老化速率比高濕度（>50%）條件更快，光照波長的影響則隨材料種類的不同而不同，建議UV光源盡可能精確復現陽光光照條件，依據實際服役條件確定試驗溫度，同時避免相對濕度低于10%的非常干燥條件。德國工業標準DIN 75220《汽車零部件在陽光模擬裝置中的老化》相比德國企業標準BMW PR306《內外飾件陽光模擬》和美軍標MIL-STD-810中的504.2太陽輻射方法更具代表性與普適性，而中國汽車工程學會標準T/CSAE 70—2018《乘用車整車太陽光模擬加速老化試驗方法》和德國行業標準VDA 230-219《汽車零部件在陽光模擬裝置中的老化》試驗方法與之相近，因此，該方法是我國目前在汽車零部件、整車上應用最廣的陽光模擬加速老化試驗方法。

本文旨在通過對同一款車型整車同時開展我國海南濕熱環境自然曝曬試驗和陽光模擬試驗，結合關鍵部位搭載的聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）和聚苯乙烯（Polystyrene，PS）標準板老化數據，分析2組試驗的相關性，為開發適用于我國海南濕熱自然環境的整車陽光模擬試驗提供技術支撐。考察實際結構和裝配條件下聚合物高分子材料在全光譜輻照、熱/冷和濕度綜合作用下的老化行為，反映結構件的形狀、顏色、光澤等外觀特性的改變，以及不同材料的結構件間相互作用，如縫隙變化、部件變形、膠粘劑開膠鼓包等。

1 試驗

1.1 整車海南濕熱環境自然曝曬試驗

對氣候老化試驗來講，熱帶、亞熱帶氣候具有較為廣泛的代表性。海南瓊海濕熱內陸地區是我國典型的濕熱氣候代表性氣候區域，也是理想的氣候老化試驗地點。實驗對象直接暴露在自然氣候環境中，經受陽光、溫度、濕度、雨水、氧、臭氧及其他環境因素的綜合作用，老化效果明顯[1]。本研究依據QC/T 728《汽車整車大氣暴露試驗方法》標準要求，將某車型整車置于中國電器科學研究院股份有限公司海南瓊海濕熱試驗基地，開展為期1 a的自然曝曬試驗，實時監測大氣環境常規氣象數據以及二氧化硫、硫化氫、硫酸鹽化速率、氨、雨水氯離子與硫酸根離子、降塵等污染物數據，獲取整車關鍵部位微環境的輻照、溫度、相對濕度數據，每3個月對試驗車整體狀況進行一次全面檢測，檢查項目包括外觀、零部件匹配情況、功能、色差及光澤、涂層劃痕擴展及劃格附著力等。

1.2 整車陽光模擬試驗

依據DIN 75220標準，將同一車型整車置于標準環境艙（見圖1）中進行1個周期的陽光模擬試驗，試驗包含15個連續干燥氣候循環試驗和10個連續潮濕氣候循環試驗，并監測試驗艙環境數據和整車微環境數據，每5個循環對試驗車整體狀況進行一次全面檢測。干燥氣候循環試驗幾乎模擬了干熱的亞利桑那氣候，進行1次干燥氣候循環試驗需要24 h；潮濕氣候循環試驗則幾乎模擬了濕熱的佛羅里達白晝氣候和寒冷的阿爾卑斯山夜間氣候，進行一次潮濕氣候循環試驗同樣需要24 h。2種氣候循環的程序組成及試驗參數設置見表1、表2。

圖1 整車陽光模擬試驗

表1 DIN 75220標準中2種氣候循環的程序組成

Tab.1 Test procedure of two climate cycles in DIN 75220 standard

表2 DIN 75220標準中2種氣候循環的試驗參數設置

Tab.2 Parameter setting of two climate cycles in DIN 75220 standard

2 結果及分析

2.1 汽車典型部位微環境相關性分析

表3 不同試驗條件下典型部件表面溫度及其方差

Tab.3 Surface temperature and its variance of typical components in different tests

2.2 老化行為分析

2.2.1 色差與光澤

在2組試驗中，內外飾件表面的色差及光澤測量結果如圖2所示。可見，相比基于DIN 75220標準的陽光模擬試驗，為期1 a的瓊海濕熱曝曬試驗對內外飾件（尤其是對保險杠、儀表板等部位）顏色及光澤的影響水平更高。

PC、PS標準板的老化結果（如圖3所示）也印證了這一結論。2種試驗方法中，陽光模擬試驗車頂處PC、PS標準板的色差變化分別為自然暴曬3個月的58%和41%。車內儀表板處PS材料的色差變化均十分微弱，說明該測試車型車前窗玻璃對紫外線的隔絕率較高。同時，受戶外陽光照射角度影響，自然曝曬試驗中車前蓋處標準板的老化效果稍低于車頂部位。統計車頂輻照總量發現，陽光模擬試驗約占戶外自然曝曬試驗的28%，即僅從輻照量來說，需要開展約90 d的陽光模擬試驗才能達到戶外1 a期的水平。

2.2.2 離縫

部件間縫隙是消費者主觀評價的關鍵指標之一，其變化值也是反映材料尺寸穩定性的關鍵參數。比較整車外飾部分80個位置的離縫值（如圖4所示）變化可以看出，相比于自然曝曬結果，整車陽光模擬加速試驗中，離縫測量結果更加分散。進一步對離縫數據試驗值取絕對值后進行平均計算，陽光模擬離縫變化值為0.20，自然曝曬為0.13，陽光模擬離縫值是自然曝曬的1.5倍左右，而且陽光模擬試驗中還有個別部位離縫變化量大于1 mm。這說明，陽光模擬加速試驗，尤其是濕熱循環中的低溫階段，加劇了樣品膨脹收縮表現，使得縫隙變化值在短時間內明顯增大。

圖2 內外飾表面色差及光澤的變化趨勢

圖3 PS、PC標準板色差變化趨勢

圖4 整車戶外曝曬與陽光模擬試驗離縫值分布規律

2.2.3 典型部件失效

根據本次試驗結果統計，基于DIN 75220標準的1個周期整車陽光模擬試驗可以重現約80%的濕熱自然環境整車曝曬試驗3～6個月出現的失效問題。試驗車濕熱自然環境曝曬試驗所暴露出來的涉及安全、功能以及外觀等方面的部分典型失效問題如圖5—7所示。這些失效問題在1個周期的整車陽光模擬試驗中都得到較好的重現，且主要是金屬塑料組合件開裂、膠粘部位變形脫粘、部件間縫隙變化等。

圖5 安全帶扣開裂

圖6 中控顯示屏中框變形脫膠

圖7 后視鏡固定支架上下蓋板離縫

2.3 試驗周期相關性研究

環境應力可基于周期性調節太陽輻射量（Seasonally Ajusted Solar Radiation，SASR）或者溫度校正輻射量（Temperature Normalized Radiation，TNR）等計算方法進行量化。考慮到SASR方法需要首先通過一系列的試驗，獲取月份調節系數，才能計算該地區的累計SASR值，但目前僅美國亞利桑那州鳳凰城和佛羅里達州邁阿密暴露場有完整的SASR月份調節系數，而TNR方法較好地解決了這個問題。TNR是指利用與太陽總輻射量同時段測量的黑標溫度校正后的太陽總輻射量[1]。因此，本文采用溫度校正輻射量方法評估2種試驗方法間的試驗周期相關性。

汽車行業通常采用溫度校正太陽輻射量（TNR）TNR來比較不同溫度條件下試驗樣品的陽光模擬程度，該理論模型最早由美國通用汽車公司提出[21]，并逐步在國內推廣應用。

式中：為某一時段試驗樣品表面接收的太陽輻射量，J/m2，自然曝曬試驗中一般每5 min取值一次；為同一時段樣品表面的熱力學溫度，K，自然曝曬試驗中一般每5 min取平均值一次。

整車陽光模擬試驗中，車身外表面車頂處光照階段每小時累計的TNR值（車頂處表面溫度按90 ℃進行計算）為3.18×106J/m2。根據整車海南濕熱環境自然曝曬試驗數據統計，車身外表面車頂處每年接收的TNR值約為1.26×109J/m2。因此，等效海南濕熱環境自然曝曬1 a的陽光模擬試驗光照時間約為396 h。DIN 75220標準中，潮濕氣候循環階段每天的光照時間為12 h，光照396 h需要33 d才能完成。考慮到陽光模擬試驗中模擬光源明暗轉換過渡階段的影響，建議開展35次潮濕氣候循環試驗。

3 結論

1）基于DIN 75220標準的1個周期整車陽光模擬試驗可以反映約80%的濕熱自然環境整車曝曬試驗3～6個月出現的失效問題，尤其是對高分子材料內部或不同零部件間內應力及粘接性作用顯著。

2）DIN 75220標準中，潮濕氣候循環試驗方法對我國海南典型濕熱環境自然曝曬試驗的模擬效果相對更好，35個潮濕氣候循環試驗可以模擬海南濕熱環境自然曝曬1 a。

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Comparative Study on Solar Simulation Test of DIN 75220 Standard and Outdoor Exposure in Hainan

ZHANG Xiao-dong1,2, LIU Xu1, LYU Tian-yi1, ZHAO Xue-ru1, WANG Ke-meng2, WU Heng2, YANG Chang-zheng2, CHENG Ze-hao2

(1. State Key Laboratory of Environmental Adaptability for Industrial Products, China National Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China; 2. Hainan Tropical Environment Branch, Guangzhou Electric Apparatus Research Institute Ltd., Hainan Qionghai 571442, China)

The work aims to compare the solar simulation test based on DIN 75220 standard and the outdoor exposure test in Hainan, China. With a certain vehicle and PC and PS standard plates as the research objects, the results of micro-environment of typical parts of the vehicle, failure behavior of typical parts of the vehicle and temperature-corrected solar radiation in natural exposure test and solar simulation test based on DIN 75220 standard were compared and studied. The correlation between the statistics in the two test methods was analyzed. By combining the color difference of paint parts, the change results of gaps between interior and exterior trims and the typical failure problems of key components under the two methods, a customized solar simulation test cycle suitable for simulating the typical hot-humid natural environment in Hainan, China was proposed. According to the research results, a large cycle of complete vehicle solar simulation test based on DIN 75220 standard can reflect about 80% of the failure problems that occur in 3-6 months during humid-hot natural environment exposure test. The damp climate cycle test in DIN75220 standard can better simulate the humid-hot natural environment in Hainan, China, and 35 damp climate cycles can be used to simulate the natural exposure of complete vehicle in Hainan for 1 year.

natural exposure; complete vehicle solar simulation test; temperature-corrected solar radiation; weathering; humid-hot; aging

2022-08-16；

2022-09-22

ZHANG Xiao-dong (1978-), Male, Master, Senior engineer, Research focus: aging of automobile, parts and materials.

張曉東, 劉旭, 呂天一, 等.DIN 75220標準陽光模擬試驗對海南戶外暴露試驗對比研究[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(6): 141-146.

U467

A

1672-9242(2023)06-0141-06

10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.018

2022–08–16；

2022–09–22

海南省重點研發計劃項目（ZDYF2021GXJS022）

Fund：Key Research and Design Project of Hainan Province (ZDYF2021GXJS022)

張曉東（1978—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為汽車整車、零部件及材料老化。

ZHANG Xiao-dong, LIU Xu, LYU Tian-yi, et al.Comparative Study on Solar Simulation Test of DIN 75220 Standard and Outdoor Exposure in Hainan[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(6): 141-146.

責任編輯：劉世忠