張曉東，劉旭，呂天一，趙雪茹，王科孟，吳恒，楊昌錚，陳澤皓

環(huán)境試驗(yàn)與觀測(cè)

DIN75220標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光模擬試驗(yàn)與海南戶外暴露試驗(yàn)對(duì)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(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663；2.廣州電器科學(xué)研究院有限公司 海南熱帶環(huán)境分公司，海南 瓊海 571442）

為了對(duì)比DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光模擬試驗(yàn)與我國(guó)海南戶外暴露試驗(yàn)，以某型汽車整車和PC、PS標(biāo)準(zhǔn)板為研究對(duì)象，對(duì)自然曝曬試驗(yàn)和基于DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)的整車陽(yáng)光模擬試驗(yàn)中汽車典型部位微環(huán)境、汽車典型部件失效行為以及溫度校正太陽(yáng)輻射量的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。分析了2種試驗(yàn)方法中各統(tǒng)計(jì)量間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步結(jié)合2種方法下的油漆件色差、內(nèi)外飾件間縫隙變化結(jié)果以及關(guān)鍵部件典型失效問題，提出了適合用于模擬我國(guó)海南典型濕熱自然環(huán)境的定制化陽(yáng)光模擬試驗(yàn)循環(huán)。研究結(jié)果表明，基于DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)的1個(gè)周期整車陽(yáng)光模擬試驗(yàn)可以反映約80%的濕熱自然環(huán)境整車曝曬試驗(yàn)3～6個(gè)月出現(xiàn)的失效問題。DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)中，潮濕氣候循環(huán)試驗(yàn)可以較好地模擬我國(guó)海南濕熱自然環(huán)境，35個(gè)潮濕氣候循環(huán)可以模擬海南整車自然曝曬1 a。

自然曝曬試驗(yàn)；整車陽(yáng)光模擬試驗(yàn)；溫度校正太陽(yáng)輻射量；耐候性；濕熱；老化

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

在國(guó)家基準(zhǔn)氣候站點(diǎn)開展的濕熱環(huán)境和干熱環(huán)境自然曝曬試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力分布情況最具代表性，也是考察車輛耐候性最基礎(chǔ)的試驗(yàn)手段[3-7]。因其試驗(yàn)條件真實(shí)，與實(shí)際使用環(huán)境一致性好，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究也較深入和充分[8-17]，但也存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)（自然曝曬1 a，甚至更長(zhǎng)）、試驗(yàn)條件重復(fù)性差等缺點(diǎn)[1]，逐漸不能適應(yīng)汽車企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)需求。因此，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家汽車企業(yè)或行業(yè)開發(fā)出了一系列的陽(yáng)光模擬加速試驗(yàn)[18-21]，大大縮短了整車開發(fā)周期，國(guó)內(nèi)也陸續(xù)開展了相關(guān)研究[22-23]。

關(guān)于塑料、橡膠和涂料等高分子材料的老化加速試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展大量研究工作。其機(jī)理主要是在太陽(yáng)輻射、溫度和水等氣候環(huán)境因素的作用下，分子鏈因吸能或水解而發(fā)生斷裂、降解、交聯(lián)，導(dǎo)致材料性能衰減[1,24-25]。Pickett等[26-28]研究發(fā)現(xiàn)，輻照與芳香族工程熱塑性樹脂的老化行為密切相關(guān)，提出了對(duì)于大多數(shù)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(qiáng)度或降低黑暗時(shí)間比例。對(duì)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(zhǎng)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(fù)現(xiàn)陽(yáng)光光照條件，依據(jù)實(shí)際服役條件確定試驗(yàn)溫度，同時(shí)避免相對(duì)濕度低于10%的非常干燥條件。德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 75220《汽車零部件在陽(yáng)光模擬裝置中的老化》相比德國(guó)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)BMW PR306《內(nèi)外飾件陽(yáng)光模擬》和美軍標(biāo)MIL-STD-810中的504.2太陽(yáng)輻射方法更具代表性與普適性，而中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)T/CSAE 70—2018《乘用車整車太陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)方法》和德國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VDA 230-219《汽車零部件在陽(yáng)光模擬裝置中的老化》試驗(yàn)方法與之相近，因此，該方法是我國(guó)目前在汽車零部件、整車上應(yīng)用最廣的陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)方法。

本文旨在通過對(duì)同一款車型整車同時(shí)開展我國(guó)海南濕熱環(huán)境自然曝曬試驗(yàn)和陽(yáng)光模擬試驗(yàn)，結(jié)合關(guān)鍵部位搭載的聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）和聚苯乙烯（Polystyrene，PS）標(biāo)準(zhǔn)板老化數(shù)據(jù)，分析2組試驗(yàn)的相關(guān)性，為開發(fā)適用于我國(guó)海南濕熱自然環(huán)境的整車陽(yáng)光模擬試驗(yàn)提供技術(shù)支撐?？疾鞂?shí)際結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件的形狀、顏色、光澤等外觀特性的改變，以及不同材料的結(jié)構(gòu)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(yàn)

1.1 整車海南濕熱環(huán)境自然曝曬試驗(yàn)

對(duì)氣候老化試驗(yàn)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(nèi)陸地區(qū)是我國(guó)典型的濕熱氣候代表性氣候區(qū)域，也是理想的氣候老化試驗(yàn)地點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象直接暴露在自然氣候環(huán)境中，經(jīng)受陽(yáng)光、溫度、濕度、雨水、氧、臭氧及其他環(huán)境因素的綜合作用，老化效果明顯[1]。本研究依據(jù)QC/T 728《汽車整車大氣暴露試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求，將某車型整車置于中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司海南瓊海濕熱試驗(yàn)基地，開展為期1 a的自然曝曬試驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境常規(guī)氣象數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，獲取整車關(guān)鍵部位微環(huán)境的輻照、溫度、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，每3個(gè)月對(duì)試驗(yàn)車整體狀況進(jìn)行一次全面檢測(cè)，檢查項(xiàng)目包括外觀、零部件匹配情況、功能、色差及光澤、涂層劃痕擴(kuò)展及劃格附著力等。

1.2 整車陽(yáng)光模擬試驗(yàn)

依據(jù)DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)，將同一車型整車置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境艙（見圖1）中進(jìn)行1個(gè)周期的陽(yáng)光模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)包含15個(gè)連續(xù)干燥氣候循環(huán)試驗(yàn)和10個(gè)連續(xù)潮濕氣候循環(huán)試驗(yàn)，并監(jiān)測(cè)試驗(yàn)艙環(huán)境數(shù)據(jù)和整車微環(huán)境數(shù)據(jù)，每5個(gè)循環(huán)對(duì)試驗(yàn)車整體狀況進(jìn)行一次全面檢測(cè)。干燥氣候循環(huán)試驗(yàn)幾乎模擬了干熱的亞利桑那氣候，進(jìn)行1次干燥氣候循環(huán)試驗(yàn)需要24 h；潮濕氣候循環(huán)試驗(yàn)則幾乎模擬了濕熱的佛羅里達(dá)白晝氣候和寒冷的阿爾卑斯山夜間氣候，進(jìn)行一次潮濕氣候循環(huán)試驗(yàn)同樣需要24 h。2種氣候循環(huán)的程序組成及試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表1、表2。

圖1 整車陽(yáng)光模擬試驗(yàn)

表1 DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)中2種氣候循環(huán)的程序組成

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

表2 DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)中2種氣候循環(huán)的試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

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

2 結(jié)果及分析

2.1 汽車典型部位微環(huán)境相關(guān)性分析

表3 不同試驗(yàn)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(yàn)中，內(nèi)外飾件表面的色差及光澤測(cè)量結(jié)果如圖2所示?？梢?，相比基于DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)的陽(yáng)光模擬試驗(yàn)，為期1 a的瓊海濕熱曝曬試驗(yàn)對(duì)內(nèi)外飾件（尤其是對(duì)保險(xiǎn)杠、儀表板等部位）顏色及光澤的影響水平更高。

PC、PS標(biāo)準(zhǔn)板的老化結(jié)果（如圖3所示）也印證了這一結(jié)論。2種試驗(yàn)方法中，陽(yáng)光模擬試驗(yàn)車頂處PC、PS標(biāo)準(zhǔn)板的色差變化分別為自然暴曬3個(gè)月的58%和41%。車內(nèi)儀表板處PS材料的色差變化均十分微弱，說明該測(cè)試車型車前窗玻璃對(duì)紫外線的隔絕率較高。同時(shí)，受戶外陽(yáng)光照射角度影響，自然曝曬試驗(yàn)中車前蓋處標(biāo)準(zhǔn)板的老化效果稍低于車頂部位。統(tǒng)計(jì)車頂輻照總量發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)光模擬試驗(yàn)約占戶外自然曝曬試驗(yàn)的28%，即僅從輻照量來說，需要開展約90 d的陽(yáng)光模擬試驗(yàn)才能達(dá)到戶外1 a期的水平。

2.2.2 離縫

部件間縫隙是消費(fèi)者主觀評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其變化值也是反映材料尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。比較整車外飾部分80個(gè)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(jié)果，整車陽(yáng)光模擬加速試驗(yàn)中，離縫測(cè)量結(jié)果更加分散。進(jìn)一步對(duì)離縫數(shù)據(jù)試驗(yàn)值取絕對(duì)值后進(jìn)行平均計(jì)算，陽(yáng)光模擬離縫變化值為0.20，自然曝曬為0.13，陽(yáng)光模擬離縫值是自然曝曬的1.5倍左右，而且陽(yáng)光模擬試驗(yàn)中還有個(gè)別部位離縫變化量大于1 mm。這說明，陽(yáng)光模擬加速試驗(yàn)，尤其是濕熱循環(huán)中的低溫階段，加劇了樣品膨脹收縮表現(xiàn)，使得縫隙變化值在短時(shí)間內(nèi)明顯增大。

圖2 內(nèi)外飾表面色差及光澤的變化趨勢(shì)

圖3 PS、PC標(biāo)準(zhǔn)板色差變化趨勢(shì)

圖4 整車戶外曝曬與陽(yáng)光模擬試驗(yàn)離縫值分布規(guī)律

2.2.3 典型部件失效

根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，基于DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)的1個(gè)周期整車陽(yáng)光模擬試驗(yàn)可以重現(xiàn)約80%的濕熱自然環(huán)境整車曝曬試驗(yàn)3～6個(gè)月出現(xiàn)的失效問題。試驗(yàn)車濕熱自然環(huán)境曝曬試驗(yàn)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(gè)周期的整車陽(yáng)光模擬試驗(yàn)中都得到較好的重現(xiàn)，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(yàn)周期相關(guān)性研究

環(huán)境應(yīng)力可基于周期性調(diào)節(jié)太陽(yáng)輻射量（Seasonally Ajusted Solar Radiation，SASR）或者溫度校正輻射量（Temperature Normalized Radiation，TNR）等計(jì)算方法進(jìn)行量化?？紤]到SASR方法需要首先通過一系列的試驗(yàn)，獲取月份調(diào)節(jié)系數(shù)，才能計(jì)算該地區(qū)的累計(jì)SASR值，但目前僅美國(guó)亞利桑那州鳳凰城和佛羅里達(dá)州邁阿密暴露場(chǎng)有完整的SASR月份調(diào)節(jié)系數(shù)，而TNR方法較好地解決了這個(gè)問題。TNR是指利用與太陽(yáng)總輻射量同時(shí)段測(cè)量的黑標(biāo)溫度校正后的太陽(yáng)總輻射量[1]。因此，本文采用溫度校正輻射量方法評(píng)估2種試驗(yàn)方法間的試驗(yàn)周期相關(guān)性。

汽車行業(yè)通常采用溫度校正太陽(yáng)輻射量（TNR）TNR來比較不同溫度條件下試驗(yàn)樣品的陽(yáng)光模擬程度，該理論模型最早由美國(guó)通用汽車公司提出[21]，并逐步在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用。

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

整車陽(yáng)光模擬試驗(yàn)中，車身外表面車頂處光照階段每小時(shí)累計(jì)的TNR值（車頂處表面溫度按90 ℃進(jìn)行計(jì)算）為3.18×106J/m2。根據(jù)整車海南濕熱環(huán)境自然曝曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(huán)境自然曝曬1 a的陽(yáng)光模擬試驗(yàn)光照時(shí)間約為396 h。DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)中，潮濕氣候循環(huán)階段每天的光照時(shí)間為12 h，光照396 h需要33 d才能完成?？紤]到陽(yáng)光模擬試驗(yàn)中模擬光源明暗轉(zhuǎn)換過渡階段的影響，建議開展35次潮濕氣候循環(huán)試驗(yàn)。

3 結(jié)論

1）基于DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)的1個(gè)周期整車陽(yáng)光模擬試驗(yàn)可以反映約80%的濕熱自然環(huán)境整車曝曬試驗(yàn)3～6個(gè)月出現(xiàn)的失效問題，尤其是對(duì)高分子材料內(nèi)部或不同零部件間內(nèi)應(yīng)力及粘接性作用顯著。

2）DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)中，潮濕氣候循環(huán)試驗(yàn)方法對(duì)我國(guó)海南典型濕熱環(huán)境自然曝曬試驗(yàn)的模擬效果相對(duì)更好，35個(gè)潮濕氣候循環(huán)試驗(yàn)可以模擬海南濕熱環(huán)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(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光模擬試驗(yàn)對(duì)海南戶外暴露試驗(yàn)對(duì)比研究[J]. 裝備環(huán)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（ZDYF2021GXJS022）

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

張曉東（1978—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槠囌?、零部件及材料老化?/p>

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(zé)任編輯：劉世忠