耐候材料户外曝晒试验方法研究及试验场设计

曹宏玮 张 鹏，2 孙 力 马 成 梅淑文 于程福

（1. 河钢集团钢研总院，河北 石家庄 050023；2. 中国钢研科技集团有限公司先进金属材料涂镀国家工程实验室，北京 100081；3. 河钢集团唐钢公司，河北 唐山 063000）

0 引言

据不完全统计，我国每年因为腐蚀造成的经济损失占国民经济产值的5%，其中由于大气环境下的腐蚀行为所造成的损失占一半以上[1,2]，约为地震、飓风、洪水、水灾等自然灾害所造成的经济损失之和的6倍。许多设备和基础设施在大气环境中服役，由于材料的腐蚀会降低这些设备和设施的可靠性和安全性，甚至威胁到公共安全和环境安全。材料的耐候性是决定材料服役寿命和确保其可靠性的关键因素，通过大气曝晒腐蚀试验，可以得到某一环境的气象数据和材料在该环境下的耐候性能数据。大气曝晒腐蚀试验可以检验材料在大气环境中的适用性，所得到的试验数据是实际生产活动所需要的重要信息。

大气环境按照特征，主要可以分为4类[3,4]：（1）大气相对湿度小于60%或者在60%～75%之间，属于乡村大气、城市大气或者工业大气环境，是弱腐蚀类大气环境；（2）大气相对湿度可能在60%～75%之间或者大于75%，属于乡村大气、工业大气以及城市大气环境，是中腐蚀类大气环境；（3）大气相对湿度大于75%，属于典型工业大气环境，是强腐蚀类大气环境；（4）大气相对湿度加大，属于海洋大气环境，是强腐蚀类大气环境。

1 曝晒试验方法的分类

材料的曝晒试验主要考虑服役地区的气候条件，选择特定气候条件，也就是选择特定的曝晒地点。考虑到接收太阳光辐射的方式，一般可分为直接曝晒试验法和玻璃下的间接试验法[5,6]，具体试验方法如表1所示。

表1 曝晒试验方法

2 曝晒试验的原理及影响因素

曝晒试验是将被测试的样品置于大气环境中暴露，在阳光、雨雪、气温、气体污染物等自然环境因素作用下，通过定期的表观检测和理化性能分析，测定材料耐候性[7,8]。相比于人工模拟环境，曝晒试验的试验结果可靠性更高，能够真实反映材料的耐候性能。按不同环境因素对试验结果的影响，可以将影响因素分为一级影响因素和二级影响因素，具体如表2所示。

表2 影响因素

3 曝晒试验场设计

3.1 国内外曝晒试验场现状

美国佛罗里达曝晒试验场是目前世界最大曝晒测试中心，占地24公顷[9]，是国际公认的基准户外曝晒试验场，阳光辐照强度大、紫外线强，一年的阳光辐照量是其他地方的好几倍，曝晒产品的老化速度也是其他地方的好几倍。

铫子暴露试验场位于日本千叶县铫子市，试验场始建于1970年，占地11万平米，可承接各种材料的气候试验、加速试验和天然暴露试验，并对样品进行测试和评价[10]。铫子暴露试验场中大气暴露试验与人工加速气候试验同场进行，因而具备有两种试验手段，可获得两组试验结果数据。

吐鲁番曝晒试验场位于吐鲁番盆地的吐鲁番市，始建于2005年，占地133公顷，如图2所示，是我国目前占地面积和规模最大的极端环境暴露试验基地[11]。曝晒试验场位于距离吐鲁番市15公里的火焰山下，是典型的大陆性荒漠干旱气候，日照充足。

3.2 试验场建设用途

为评估涂层板、镀层板及耐候钢等耐候材料在各类大气环境中耐蚀性能，计划逐步在在国内工业城市和沿海城市，以及海外南非、澳大利亚、塞尔维亚、马其顿、美国等地建立曝晒试验场，形成全球大气环境腐蚀实验平台网，对产品曝晒试验数据进行系统研究。通过建设曝晒试验场，可为研究材料在大气环境下的腐蚀行为提供技术支撑，同时为下游用户提供更优质的选材服务。

3.3 试验场设备

建设包括自动气象数据采集设备、大气采样器及配套污染物检测设备、雨水采集与检测设备和试样耐蚀性检测设备在内的模块化曝晒试验场。其中自动气象采集设备根据国标GB/T 24516.1-2009《金属和合金的腐蚀 大气腐蚀 地面气象因素观测方法》和GB/T 24516.2-2009《金属和合金的腐蚀 大气腐蚀 跟踪太阳暴露试验方法》可以采集气压、气温、相对湿度、风向、风速、降水量、日照情况，并可以自动计算出温度、湿度、气压的日平均值和极值，降水量和日照的日累计值。空气污染物检测设备可以根据国标GB/T 15262、15435、14668进行环境空气二氧化硫、二氧化氮和氨的浓度测量，雨水检测设备可以根据GB/T 13580进行pH值和硫酸盐、氯化物的测定。试样架由铁质的底座、铝合金质样品架与尼龙样品固定装置构成。

3.4 试验场建设必要性

曝晒试验是研究材料耐候性最为可靠且有效的手段之一，对于长期服役在室外条件下的材料而言，由于曝晒而造成的腐蚀破坏已成为制约其服役寿命、安全可靠性和经济性的重要因素。曝晒试验场建成后，可对全寿命周期的涂层板、镀层板及耐候产品进行曝晒试验，通过对各类大气环境参数收集及样片腐蚀情况跟踪，获得产品可靠性评估数据。

4 结语

曝晒试验能够比较真实准确的获得自然环境下材料的腐蚀特征和数据，可以为产品生产和设计提供可靠参数。基于户外曝晒试验数据，为加速腐蚀试验提供验证与优化，将会是研发新材料的重要可靠手段。为了获得产品可靠性评估数据，建立质量评估体系，建造曝晒试验场十分有必要。