汽车气候老化主要环境影响因素分析

郝志诚

广州广电计量检测股份有限公司长春分公司 吉林长春 130000

伴随汽车电动化的日新月异，整车企业和汽车热管理系统组件商都面临着复杂的市场竞争和越发苛刻的技术要求，汽车热管理系统的材料选型也随之迎来变革。汽车电动化正在混动汽车和纯电汽车两条技术路线上飞速发展，它们分别从耐受温度和耐受时间两个维度给汽车热管理系统工程塑料提出诸多挑战。

1 试验方法研究和应用

1.1 试验参数

环境因素对汽车的影响和作用是导致汽车气候老化的主要原因，影响汽车气候老化的环境因素有很多，包括太阳光辐射、温度、湿度、生物、人为、自然灾害等因素。但长期研究表明，影响汽车气候老化的因素主要为太阳光辐射、温度和湿度。

太阳光辐射对汽车性能的影响更多体现在非金属材料的降解和涂层的光化学反应上。其影响大小主要取决于样品所接收的太阳辐射光谱的组成、辐射强度和辐射量[1]。

温度对汽车材料的老化影响多方面。温度会加速光对汽车老化的作用，在较高的温度下，分子的活性较大；温度的周期性变化会导致汽车零部件产生机械应力，特别对于由不同热膨胀系数材料组成的汽车零部件，如汽车仪表板等，在极端的高低温循环下产生较严重的物理性破坏；水的各种形态也与温度变化相关，降温引起水分在材料表面形成凝露，升温时材料表面水分蒸发，在水分凝露和蒸发的周期过程中，会产生应力，从而对汽车部件产生损坏。

湿度是影响汽车气候老化的又一重要因素，水的吸收和脱附状态交替出现会导致零部件产生应力破碎，水的结冰和解冻循环会导致涂层剥离脱落、零部件开裂断裂。在试验方法研制过程中，为了确定人工模拟辐射强度、试验温度和湿度，需进行长时间的测量和观察。本文将选取2017-2018年在美国亚利桑那曝晒场的测量数据作为依据，进行研究说明。

1.2 性能测试

在电老化试验过程中，将1mm厚的薄片置于试验平台的电老化箱中，通过箱底的固定夹使树脂薄片稳定固定在高压电场两端。同时打开试验平台上的4个电压按钮，使同一片树脂材料同时在4个电场下进行电老化试验，记录树脂材料相应的电老化试验点，关注该试验点附近是否出现微量放电现象，若试验点附近出现瞬间电火花，即表明该测试点发生了明显的放电，材料被电压击穿，已失效，记录此时电老化进行时间[2]。此外，在试验过程中定期取出测试样件进行玻璃化温度以及电气绝缘强度性能测试，记录不同老化程度下树脂的关键性能测试结果，直至所得测试结果与初始状态下的测试结果相比下降了70%时，即认为树脂材料已经老化至失效状态，不可继续使用，此时停止老化试验，根据测试结果进行老化过程分析。

1.3 试验车辆

为了使更多的零件参与试验，并达到最苛刻的条件，一般选择高配车型，深色车身和深色内饰，因为深色可吸收更多太阳辐射热。理论上对于阳光模拟试验最好的颜色是黑色，但实际应用中很多车型并没有黑色车身、黑色内饰的配置，所以有必要对不同颜色在太阳光下的表现进行测量比对。．颜色对于太阳辐射的温度表现，从高到低依次为：黑＞紫＞棕＞蓝＞红＞灰＞橙＞金（黄）＞白。同样颜色时，普通漆的温度高于珠光漆的温度。在试验正式开始前，车辆需进行必要检查，并关闭各出风口、关闭所有车窗、打开遮阳帘，根据零件设计要求配置负载（如手套箱放置配重物），遮阳板、座椅、头枕、中央扶手、转向盘等位置可调整的零件根据试验规范调整至要求位置。

2 结果与讨论

电老化是指在长时间的电场作用下，绝缘材料内部或者表面发生的物理性能和化学性能的变化，进而导致的绝缘老化过程。高聚物的绝缘老化现象往往发生在其内部微小缺陷处，由于电场分布集中在缺陷上，使得缺陷成为绝缘薄弱处继而发生击穿引起局部放电。在持续放电一段时间后，放电区域受到腐蚀并产生微小树枝放电通道，随着腐蚀程度加重，其绝缘性能不断劣化，最终发生损坏。

全光谱阳光模拟试验对于加速老化的效果分析，可用一个简单的公式来近似换算其与大气曝晒之间的当量关系。根据研究表明，聚乙烯材料每升高1℃，光氧化反应速率提升约8%。相当于温度每升高10℃，光氧化反应速率提升至原来的2倍[3]。所以，通过比对阳光模拟和大气曝晒相同零件同一个位置在同一个温度下的等效曝晒时长，比如等效至100℃，可对2种试验之间的当量关系做一个简单分析。当然，用以上方法预测试验室老化与大气曝晒老化之间的关系仍存在较大误差。以上方法只针对辐射条件下的温度进行了等效，而没有考虑辐射强度对于老化速率的加速影响。全光谱阳光模拟试验在白昼模拟阶段的平均辐射强度约950W/m2，而大气曝晒白昼平均辐射强度仅500W/m2左右。再加上试验室短期高低温剧烈变化、以及强化的湿度变化对零件造成的老化影响，整车阳光模拟试验对零件的老化影响要比本文计算值更贴近大气曝晒结果。根据欧洲研究结果，一轮根据DIN75220进行的600h阳光模拟循环试验相当于大气曝晒1年的影响。

3 结语

整车全光谱阳光模拟试验是汽车研发过程中重要的试验手段。与自然条件下的大气曝晒相比，它有试验周期短、试验条件可控、结果一致性好等特点，十分适用于零件开发和认可。但是，由于汽车零部件自然老化的因素有很多，单独的阳光模拟试验并不能全面反应零件可能存在的问题，因此需要其它试验进行补充，比如温度交变试验、温度存放试验、盐雾试验等。