汽车外饰件材料的自然曝晒试验和人工加速老化试验比较

黄 旭，徐 薇 （重庆长安汽车工程研究院，四川重庆 401120）

0 引言

汽车外饰件在实际使用过程中，由于受到环境因素（阳光、温度和湿度等）的影响，其外观和力学性能会发生劣化，出现失光、变色、粉化、渗析物、发黏、裂纹等老化现象［1］。从根源上说，零部件的耐候性能表现是以材料性能为基础的，因此选材在产品开发中成为一项重要而基础的工作。

为了预知材料的耐候性能，目前常用的试验方法有两类：户外自然曝晒试验［2-4］和人工加速老化试验［5-7］。户外自然曝晒试验是在典型的自然环境条件下进行的，试验结果最为真实，最能反映出产品的实际使用情况，但试验周期长（一般不少于1 a），受季节、气候因素变化影响大，结果重现性差。人工加速老化试验通过模拟自然环境条件，对产品的老化过程进行加速，试验结果重现性好，可解决目前汽车新品开发周期短与自然曝晒试验周期长之间的矛盾。

目前车企多采用人工加速老化试验来进行材料的筛选和零部件的耐候性开发验证。但需要注意的是，人工加速老化试验与自然曝晒试验结果的相关性非常重要。相关性越好，意味着加速试验结果越接近实际使用情况，对于判断材料的耐候性优劣越有效。

本研究根据大量的试验数据，总结此两类试验方法的规律性和相关性。

1 试验部分

1.1 自然曝晒试验

自然曝晒试验地点选择在海南省琼海市，该地处于典型的湿热气候带，试验期间气候特征如表1所示。全年平均温度高、温差小、相对湿度大、日照充分、降雨量大、雨水偏酸性、空气中盐雾浓度中等、霉菌生长旺盛等，这些环境因素对橡塑材料的老化都具有很明显的促进作用。此次试验是从11月中旬开始的，这个时间点处于琼海一年中温度较低、光照减少的季节。

表1 海南琼海的气候特征Table 1 Climate Features of Qionghai，Hainan Province

1.2 人工加速老化试验

采用美国ATLAS公司生产的CI 4000型氙灯气候试验机进行人工加速老化试验，每个循环包括4个周期，如下所示：

（1） 黑暗周期 ：辐照强度0，黑板温度（38±3）℃，箱内空气温度（38±3）℃，相对湿度（95±5）%，时长60 min；

（2）光照周期1：辐照强度 1.32 kJ·m-2·nm-1，时长40 min；

（3）光照周期2：辐照强度 0.66 kJ·m-2·nm-1，时长20 min，喷淋；

（4）光照周期3：辐照强度 1.98 kJ·m-2·nm-1，时长60 min。

整个试验从黑暗周期开始。

1.3 试验标准

外饰件材料自然曝晒试验采用无背板直接曝晒的方式，依照标准SAE J1976—2002《外部材料的室外风化》；外饰件材料人工加速老化试验依照标准SAE J2527—2004《用受辐射氙弧装置加速照射汽车外部材料的性能标准》；冲击强度测试依照标准GB/T 1043.1—2008《塑料 简支梁冲击性能的测定第1部分：非仪器化冲击试验》。

1.4 样板准备

本次试验样品按照材料种类分为8大类，相同类型的样品主要成分相同，区别主要在于添加剂的不同。按照生产厂家的不同再细分为17种，样板编号详见表2。

表2 试验样板列表Table 2 List of test sample plates

在表2中，用于外观目测的样板尺寸为200 mm×150 mm×4 mm，用于冲击强度测试的样板尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

1.5 试验结果

自然曝晒的试验结果见表3。人工加速老化的试验结果见表4。

表3 自然曝晒试验结果统计表Table 3 Statistical table of natural exposure tests results

续表3

表4 人工加速老化试验结果统计表Table 4 Statistical table of artificial accelerated aging tests resutls

续表4

2 结果分析

2.1 两种试验方法可验证的老化现象

从表3中可见，在自然曝晒试验中，随着时间的延长，越来越多的样板出现变色、失光以及条纹、变形等其他老化现象。从表4中可见，人工加速老化试验中样板仅出现了轻微变色、失光的老化现象，其他老化现象则没有出现，这说明人工加速老化试验由于只模拟了自然环境中的一部分影响因素，因此所获得的试验结果并不能完全反映实际情况。

2.2 两种试验方法中老化现象出现的规律

2.2.1 问题爆发趋势

对试验中变色、失光1级以上的样板种类进行了统计，可看出问题的爆发趋势（图1、2）。

图1 自然曝晒试验中失效样板数量随时间变化曲线图Figure 1 Changing curve of number of failure samples with time in natural exposure tests

图2 人工加速老化试验中失效样板数量随时间变化曲线图Figure 2 Changing curve of number of failure samples with time in artificial accelerated aging tests

从图1中可以看出，在自然曝晒第1 a，问题样件数量与曝晒时间成正比关系，曝晒时间越长，问题样件越多，但进入第2 a，问题样件数量稳定甚至稍有降低，抛去评价主观因素带来的波动性来说，第2 a是一个问题发生相对平稳的时期，因此自然曝晒试验周期至少应该为1 a以上。

从图2中可以看出，在人工加速老化试验中，变色样件数量太少，不具备参考性，失光样板数量与人工加速老化时间成正比关系，时间越长，问题样件越多，在本次试验中没有出现明显的平稳期，但在2 500 h的结果与2 800 h的结果较为接近，这说明人工加速老化试验时间应该设为2 500 h以上。

2.2.2 问题变化趋势

对样板变色等级在两种试验的整个周期中的变化情况占比进行了统计，可看出问题的变化趋势（图3）。从图3中可以看出，在自然曝晒试验中，有35%的样件在曝晒过程中，变色等级是会出现反复波动的，而只有47%的样件变色等级随着曝晒时间的延长而逐渐增大。而人工加速老化试验中，则没有出现变色等级反复波动的情况。这种现象说明不同样板的老化表现不一定是线性发展的，也有可能会在短时期内出现调整，因此自然曝晒试验的检测频次应比较密集，一般每月1次，最长间隔时间不能超过3个月。

图3 样板变色等级变化情况占比示意图Figure 3 Proportion diagram of the color change grade of samples

2.3 两种试验方法的结果相关性

从两种试验方法中都出现了的变色现象来看，在自然曝晒试验中，只有18%的样件一直没有发生变色现象，而在人工加速老化试验中，只有12%的样件发生了变色现象，从这一多一少的两相对比中不难看出，本研究中所采取的人工加速老化试验的加速效果不理想。

对于大多数样板，自然曝晒变色等级大于人工加速试验，但样板F-1是一个例外，它的自然曝晒变色等级小于人工加速试验，这说明本研究中所采取的人工加速老化试验条件对该样板引起的老化机理已经偏离实际使用情况，导致结果失真。

3 结语

（1） 自然加速试验与汽车使用情况相吻合，可确切评价材料的耐候性能，它是人工加速试验的基础，本次自然曝晒试验的结果也作为选材的唯一依据。

（2） 虽然人工加速老化试验的试验条件可控，但因为引起材料老化的因素很多，环境与材料之间的相互作用非常复杂，本次人工加速试验仅模拟了自然环境中太阳光辐射、温度、湿度和雨水，所以得出的试验结果也比较片面，而且试验方法并不适用于所有种类的材料。在实际工作中，应根据材料老化机理的不同调整人工加速老化的试验条件，从而得到科学有效的加速试验结果。

［1］宣卫芳，胥泽奇，肖敏，等.装备与自然环境试验［M］.北京：航空工业出版社，2009.

［2］德洪，苏艳，杨万钧.汽车整车及零部件大气曝露试验方法探讨［J］.装备环境工程，2007，12（6）：7-12.

［3］庄奕玲.汽车耐大气老化性曝露试验方法［J］.汽车技术，2002（5）：24-26.

［4］QC/T 728—2005 汽车整车大气暴露试验方法［S］.北京：中国计划出版，2005.

［5］王玲.人工加速老化试验方法评述［J］.涂料工业，2005，35（4）：51-63.

［6］胡建雄.关于氙灯老化和户外大气自然曝晒的综述［S］.合成材料老化与应用，2014（4）：70-82.

［7］GB/T 16422.2—2014 塑料 实验室光源暴露试验方法 第2部分：氙弧灯［S］.北京：中国标准出版社，2014.