自然環境超高加速光老化試驗系統研制

楊萬均，崔兵兵，陳星昊，楊華明，羅丹，阿旺旦增

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.國防科技工業自然環境試驗研究中心，重慶 400039；3.西藏拉薩大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，拉薩 850100；4. 重慶大學 光電工程學院，重慶 400044）

當太陽光照射到材料及制品表面時，光波會被反射或吸收，吸收的光能量傳遞給受照射的分子。根據降解原理，一個分子如果吸收到足夠多的能量，將會發生分子結構的改變，即一個分子吸收的能量一旦超過其鍵能，便會產生降解，出現光老化。這也是高分子鏈的鍵合力在具有較高能量的短波長紫外光作用下會出現斷鏈，化合物出現分解的原因之一[1-3]。在自然環境中，太陽輻射的熱效應和光化學效應均會對產品性能造成一定的影響，如非金屬材料結構強度和彈性發生變化，密封完整性破壞，黏合劑膠黏的表面層壓材料（如雷達波吸收材料）起泡、脫落和分層，非金屬材料的變色、粉化、開裂等一系列環境效應[4-8]。大量研究表明，高分子材料制品的光老化與太陽輻射累計量有著密切關系，在不改變老化機理的情況下，通過強化光輻射能量可以更快掌握其光老化效應[9-10]。

近年來，高耐候塑料及制品、耐候涂層、樹脂基復合材料等高分子材料在軍事和民用產品中應用越來越廣泛，雖然這些材料及制品通過添加光穩定劑、抗氧化劑、消光劑、紫外線吸收劑、優化制備工藝等方法，大大提升了其耐候性和耐光性。但是，高分子材料的本身性質決定了其在使役環境下仍然會受到環境的影響，只不過這一老化過程會比通用高分子材料緩慢很多[10-11]。這些材料及制品的環境適應性考核中，現有的自然環境試驗技術和方法、自然環境加速試驗技術和方法很難在較短的時間內給出一個有效的環境適應性評估結果，而實驗室加速試驗方法尚不能全面模擬自然環境下的環境應力[12]，這就迫切需要具有更高加速倍率的自然環境加速試驗技術和裝置研發，以滿足高耐候材料及制品的研制單位和使用單位開展其環境適應性評價要求[13]。

本文提供了一種新型環保的自然環境加速試驗系統，利用多平面鏡反射聚能、太陽軌跡雙軸跟蹤和太陽光譜選擇性反射技術，對太陽輻射紫外光進行超高倍率強化，使試驗樣品既承受自然環境介質綜合作用，又受到高強度的紫外輻射，能更加真實地模擬受試產品在此類環境下的環境效應，更快地反映出這類材料的光老化特性[14]。

1 自然環境超高加速光老化的基本原理

1.1 太陽軌跡跟蹤[13-17]

自然環境超高加速光老化其核心便是在自然環境中，利用一定的物理原理對太陽輻射進行強化，照射材料及制品，實現光老化速率的提升。因此，加深對太陽的了解更有利于對太陽輻射的利用。太陽是位于太陽系中心的一個燃燒的恒星，地球圍繞太陽在一個橢圓軌道上運行，太陽位于這個橢圓軌道的一個焦點上。在遠日點，地球離太陽的距離為1.521×108km；在近日點，地球離太陽的距離為1.471×108km，地球軌道所在的平面就是黃道面，地球圍繞太陽運行1 周是1 a，地球自轉1 周是1 d，地球的運行軌跡如圖1所示。

圖1 地球圍繞太陽的運動軌跡Fig.1 Trajectory of the Earth around the Sun

當太陽光照射到地面時，可以將光線看作是一束平行光。根據幾何原理，平行光直射到物體表面時，光斑最小，即單位面積接受的輻照量最大，因此本文研制自然環境超高加速光老化系統用的第一個原理便是太陽軌跡跟蹤強化。

以地球為參考面，太陽的運行軌跡可以用太陽高度角和方位角進行表示，即滿足以下模型：

式中：h為太陽高度角；δ為太陽赤緯角；φ為當地的地理緯度；A為太陽方位角；τ為當時的太陽時角，其中，S為太陽時的小時，F為太陽時的分。

從式（1）可知，只要知道安裝地點的經緯度和標準時間，便可計算獲得太陽的實時位置，實現精確跟蹤。

1.2 反射聚能強化[18-20]

在自然環境加速試驗領域，反射聚能強化是國內外最常采用的一種太陽輻射強化方式，反射聚能強化便是利用菲尼爾（Fresnel）反射原理，在拋物線的切線方向安裝多片平面反射鏡。工作時，平面鏡的位置使太陽光的入射角接近法線角度，每面平面鏡反射的太陽光同時照射到樣品安裝靶板，實現反射聚能強化。反射聚能強化原理如圖2 所示。

圖2 太陽光反射聚能強化原理Fig.2 Principle of solar reflection and energy accumulation

1.3 太陽光譜選擇性反射[21-22]

高分子材料的分子吸收光輻射能量的大小是否超過其鍵強度，決定了其化學鍵是否會斷裂，分子結構是否會出現改變和永久損傷。世界氣象組織（WMO）公布的太陽常數值為1 368 W/m2，由于大氣臭氧層的阻擋，到達地球表面的太陽光譜中紫外光主要是290～400 nm。這一波段雖然只占太陽輻射能量的 7%，但單光子能量高，是造成高分子材料斷鏈的主要光譜。同時，為了避免高倍率太陽輻射強化產生的極高溫度對受試樣品造成意外損傷，本系統主要利用太陽輻射的紫外光部分，采用高透鍍膜玻璃平面鏡，太陽光照射到該平面鏡上，紫外部分被反射到樣品靶板區域，而可見和紅外大部分部分被透射，實現太陽光選擇性反射，原理如圖3所示。

圖3 太陽光譜選擇性反射Fig.3 Selective reflection of solar spectrum

2 系統布局與總體設計

由于自然環境加速試驗裝置是一種戶外工作設備，需要戶外長期可靠工作，在環境嚴酷下，必須兼顧較好維修性和較高的自動化水平。本文基于自然環境超高加速光老化的基本原理，通過機械結構設計、強度仿真，確定了系統的外形結構，整個系統的研制涉及總體結構、水平跟蹤、俯仰跟蹤、旋轉驅動機械結構、鼓風降溫、噴淋加濕、樣品安裝靶板及支架設計、鏡床、太陽能供電分系統、防護工藝、安全等多個模塊和部件[23]。

本文設計的自然環境超高加速光老化試驗系統主要由3 部分構成，分別為試驗主機、太陽能供電分系統和具有人機交互功能的控制分系統。試驗主機主要用于開展超高加速光老化試驗；太陽能供電分系統采用多塊組網方式為戶外主機和環境數據采集分系統提供清潔能源；控制軟件包括安裝于主機上的現場控制器和安裝于實驗室中的遠程監控計算機，主要用于整個系統的人機交互控制、溫度/太陽輻射等環境數據及試驗數據的采集。自然環境超高加速光老化試驗系統的總體結構布局如圖4 所示。

圖4 自然環境超高加速光老化試驗系統總體結構布局Fig.4 Layout of for overall structure of ultra-accelerated UV aging test device under natural environment

3 試驗系統主機設計

3.1 機械結構設計

試驗系統主機是自然環境超高加速光老化試驗系統的核心部分，根據太陽輻射的強化原理和技術要求，設計的試驗主機長約4 m，寬約3.2 m，高約3.8 m，安裝占地面積約13 m2。試驗主機由轉動支座、太陽光反射部裝和樣品試驗組件構成。

轉動支座通過俯仰和水平的二維旋轉，實現主機的太陽高度角和方位角跟蹤。轉動支座由底板、承力框架、回轉支承、大行程電動缸等零部件裝配而成；反射鏡和安裝支架等構成太陽光反射部裝，安裝于轉動支座上，由轉動支座帶動實現水平和俯仰旋轉；樣品試驗組件與反射鏡安裝支架采用螺紋的剛性連接，樣品安裝靶板中心與反射鏡安裝支架中心在一條直線上，使得跟蹤狀態下，太陽光均能反射至樣品靶板。設計的轉動支座三維結構如圖5 所示。

圖5 主機轉動支座三維結構Fig.5 Structure of host rotating support

轉動支座既需要承受一定的軸向載荷、徑向載荷，還需要承受較大的傾覆力矩，屬于典型的承力結構，采用316L 不銹鋼和6061 鋁合金型材或板材加工而成。主機的水平旋轉體選擇了在工程機械、船舶設備中廣泛應用的單排交叉滾柱式回轉支承。該型回轉支承由2 個座圈組成，直徑為φ200 mm，結構緊湊，質量輕，制造精度高，裝配間隙小。配合渦輪蝸桿箱，能自鎖，轉動精度為 0.001°～0.05°，承力大于20 kN，能自鎖，滿足水平轉動的精度要求。俯仰轉動驅動采用推力為10 kN、行程為1.5 m 的大推力、大行程電動缸，配合伺服電機，俯仰轉動速度在0～60 (°)/min 可根據轉動角度調速。太陽光反射部裝的反射鏡安裝支架（鏡床）與樣品試驗組件為了便于運輸和安裝，結構主體均采用6061 鋁合金型材焊接成小型構件，然后采用螺接的方式現場組裝，其三維結構如圖6 所示。

圖6 反射部裝與樣品試驗組件三維結構Fig.6 3D structures of reflector and sample test assembly

平面反射鏡作為本試驗系統的核心零件，90 組平面反射鏡采用萬向支座固定于安裝支架上，選擇耐高溫和耐腐蝕的基體材料超硼化硅玻璃，將基體材料進行相應的研磨與拋光等鍍膜預處理，使其達到相應的技術要求。設計最優化的耐腐蝕結構，利用真空鍍膜技術將鍍膜材料（TiO2和SiO2等）分32 層鍍在基體材料上，制作成環境適應性優良的低（頻）透高（頻）反紫外反射鏡，厚度小于0.05 mm。最后，在真空爐中鍍一層氟化物防水防污膜，厚度為0.001～0.01 mm。研制完成的反射鏡反射光譜曲線如圖7 所示，300～400 nm 紫外區平均反射率大于90%，而400 nm 以上波段反射率小于13.8%[16]。

圖7 反射鏡反射光譜曲線Fig.7 Reflected spectrum curve of reflector

3.2 強度與變形仿真分析

自然環境超高加速光老化試驗系統屬于戶外使用的自然加速試驗設備，抗風能力是一個重要參數，設計試驗主機最大迎風面可達到12.8 m2，防止8 級大風下出現結構損壞。采用ANSYS Workbench 軟件對自然環境超高加速光老化試驗系統主機結構強度進行了有限元分析（FEA），將反射鏡安裝支架調整至豎直90°，以最大迎風面工況檢驗該裝置在8 級橫風（取20 m/s）下的抗風能力。此仿真計算不考慮鏡片及其連接結構，將鏡面上的風壓直接施加于鏡架上，分析裝置主體架構的強度與剛度。

將20 m/s 風速與受風面積換算成作用應力，約為6 000 N，直接作用于鏡架主體結構，最大等效應力出現在電動推桿插銷處，約為102 MPa，仍遠低于設計的屈服強度280 MPa，其余各部分皆處于良好的低應力狀態，可見其強度滿足抗風要求。

由于樣品靶板支臂較長，約為3.4 m，為了防止變形造成反射光斑偏移，仿真分析了鏡床在90°垂直狀態下X和Y方向（如圖8 所示）上的變形量，試樣架按25 kg 的重物計。結果顯示，頂端樣品靶板處Y向最大變形量達到19.1 mm 以上。通過更換槽鋁選型和增設加強筋，有效地減小了頂端樣品靶板處的變形量。在風力作用下，橫向位移較小，X和Y方向上的變形量控制在10 mm 以下。

圖8 頂端Y 向變形仿真結果Fig.8 Simulation results of Y-direction deformation of device top

4 太陽能供電分系統設計

太陽能供電系統包含有太陽能電池陣列、蓄電池組、直流控制器、直流-交流逆變器等。太陽能電池陣列將太陽能轉換為電能，通過控制器存儲到蓄電池組中。太陽能供電分系統控制器以脈沖方式開關光伏組件的輸入，利用最大功率點跟蹤（MPPT）技術控制光伏電池以最大功率輸出運行。當蓄電池趨于充滿時，隨著端電壓的逐漸升高，脈沖的頻率或占空比發生變化，使導通時間縮短，充電電流逐漸趨于0。當蓄電池電壓由充滿點開始下降時，充電電流又會逐漸增大，通過這種充電過程可以形成完整的充電狀態，有效地防止過充。同時，本次設計中利用PMW 控制器來實現MPPT 功能，控制器為雙向的DC/DC 變換器，既可以工作于放電狀態，也可工作于充電狀態。

太陽能電池陣列由16 塊太陽能電池板組成，每塊電池板尺寸為1 010 mm×990 mm。太陽能電池板采用單晶硅太陽能電池組件。單晶硅太陽能電池組件具有使用壽命長、衰減小、可靠性高的特點。背板采用原產EVA、TPT 等材料封裝，抗老化能力強，面板采用高透低鐵鋼化玻璃封裝，機械強度高，透光率大于91%。單塊太陽能電池板的功率為160 W，電壓為36 V，共計16 塊，因此電池板總功率可達2 560 W，滿足試驗裝置最大功率的要求。

5 控制分系統及軟件設計

控制分系統是由現場控制器、遠程監控計算機及光纖通信網絡等硬件和數據采集與存儲、計算與控制及人機交互等軟件構成。現場控制器采用具有以太網模塊的PLC 和觸摸屏搭建，如圖9 所示。PLC 讀取溫度（含黑板或黑標溫度）、太陽輻射（含紫外、紅外和總輻射）、衛星授時、水平/俯仰編碼器等數據，根據式（1）計算太陽實時的方位角和高度角。根據偏差驅動水平和俯仰跟蹤，并按照相應的試驗要求或試驗程序進行鼓風降溫或噴淋加濕。觸摸屏用于現場人機交互和試驗參數設置，遠程計算機采用光纖與PLC 通信，實時監控并讀取裝置狀態。

圖9 控制器組成Fig.9 Diagram of controller composition

采用梯形圖編制PLC 控制程序，采用C++高級語言，編寫出了計算機遠程監控軟件和人機交互界面，將計算機與現場PLC 邏輯控制程序進行了無縫鏈接，實現了現場和遠程的復合監控，為試驗開展和裝置狀態監控提供了便利。數據管理使用的 SQL Server 數據庫實現，數據庫連接時，調用AfxOleInit函數進行相關函數模塊的初始化。初始化函數完成后，使用_ConnectionPtr 類中的CreateInstance 方法設置ADO 的連接方式，使用_ConnectionPtr 類中的ConnectionTimeout 方法設置響應超時的時間閾值。按照固定格式設置字符串，該字符串中包含待連接的數據庫信息、連接數據庫的用戶與密碼。調用_ConnectionPtr 類中的Open 方法即可與目標數據庫建立連接， 無論連接成功或失敗都會使用AfxMessageBox 函數彈出對話框，以此提示數據庫連接的結果。本系統的數據庫中有用戶管理、日報、月報、溫濕度、輻射量分鐘累計、輻射量小時累計和輻射量日累計以及系統狀態等數據報表。

6 太陽紫外輻射強化倍率計算

本文研制的自然環境超高加速光老化試驗系統，采用式（2）計算太陽紫外輻射強化倍率。

式中：A為靶板處太陽紫外輻射強化倍率；N為系統采用的平面反射鏡數量，本系統N=90；ρ為平面反射鏡紫外反射率，%；βi為第i片平面反射鏡與鏡床平面的側向傾角，(°)；θi為第i片平面反射鏡與鏡床平面的高低傾角，(°)。

從反射部裝的三維結構可以看出，反射鏡被分割成4 個互相對稱的區域，每個區域3 列6 排共18 塊鏡片，2 條對稱中心軸線共18 塊，合計90 塊反射鏡。安裝完成后，測得一個區域6 排的反射鏡高低傾角分別為46.8°、41.6°、35.4°、28.1°、19.6°、10.1°，3 列的側向傾角為37.9°、28.1°、16.1°。由此可知，一個區域內，反射鏡的角度分別為(46.8°, 37.9°)、(41.6°,37.9°)、…、(19.6, 16.1)、(10.1, 16.1)，中心排側傾角為0°，中心列的高低傾角為0°。考慮到實際使用過程中反射鏡的反射率的衰減，反射鏡反射率ρ取80%～90%。代入式（2），可得太陽紫外輻射強化倍率為48.6～54.6 倍。

7 結語

自然環境超高加速光老化試驗系統的研制，切合了長壽命產品的研制需求和環試技術的發展方向，著力為武器裝備和長壽命產品的環境效應評價和壽命評估提供一種既環保、又快速、試驗結果還接近真實的試驗評價手段。自然環境超高加速光老化試驗系統在戶外裝備設計選材，高分子材料、太陽能電池板等產品環境適應性評價、耐久性評估、防護工藝改進等方面具有很好的應用前景[24-26]。