自然环境超高加速光老化试验系统研制

杨万均，崔兵兵，陈星昊，杨华明，罗丹，阿旺旦增

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.国防科技工业自然环境试验研究中心，重庆 400039；3.西藏拉萨大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，拉萨 850100；4. 重庆大学 光电工程学院，重庆 400044）

当太阳光照射到材料及制品表面时，光波会被反射或吸收，吸收的光能量传递给受照射的分子。根据降解原理，一个分子如果吸收到足够多的能量，将会发生分子结构的改变，即一个分子吸收的能量一旦超过其键能，便会产生降解，出现光老化。这也是高分子链的键合力在具有较高能量的短波长紫外光作用下会出现断链，化合物出现分解的原因之一[1-3]。在自然环境中，太阳辐射的热效应和光化学效应均会对产品性能造成一定的影响，如非金属材料结构强度和弹性发生变化，密封完整性破坏，黏合剂胶黏的表面层压材料（如雷达波吸收材料）起泡、脱落和分层，非金属材料的变色、粉化、开裂等一系列环境效应[4-8]。大量研究表明，高分子材料制品的光老化与太阳辐射累计量有着密切关系，在不改变老化机理的情况下，通过强化光辐射能量可以更快掌握其光老化效应[9-10]。

近年来，高耐候塑料及制品、耐候涂层、树脂基复合材料等高分子材料在军事和民用产品中应用越来越广泛，虽然这些材料及制品通过添加光稳定剂、抗氧化剂、消光剂、紫外线吸收剂、优化制备工艺等方法，大大提升了其耐候性和耐光性。但是，高分子材料的本身性质决定了其在使役环境下仍然会受到环境的影响，只不过这一老化过程会比通用高分子材料缓慢很多[10-11]。这些材料及制品的环境适应性考核中，现有的自然环境试验技术和方法、自然环境加速试验技术和方法很难在较短的时间内给出一个有效的环境适应性评估结果，而实验室加速试验方法尚不能全面模拟自然环境下的环境应力[12]，这就迫切需要具有更高加速倍率的自然环境加速试验技术和装置研发，以满足高耐候材料及制品的研制单位和使用单位开展其环境适应性评价要求[13]。

本文提供了一种新型环保的自然环境加速试验系统，利用多平面镜反射聚能、太阳轨迹双轴跟踪和太阳光谱选择性反射技术，对太阳辐射紫外光进行超高倍率强化，使试验样品既承受自然环境介质综合作用，又受到高强度的紫外辐射，能更加真实地模拟受试产品在此类环境下的环境效应，更快地反映出这类材料的光老化特性[14]。

1 自然环境超高加速光老化的基本原理

1.1 太阳轨迹跟踪[13-17]

自然环境超高加速光老化其核心便是在自然环境中，利用一定的物理原理对太阳辐射进行强化，照射材料及制品，实现光老化速率的提升。因此，加深对太阳的了解更有利于对太阳辐射的利用。太阳是位于太阳系中心的一个燃烧的恒星，地球围绕太阳在一个椭圆轨道上运行，太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上。在远日点，地球离太阳的距离为1.521×108km；在近日点，地球离太阳的距离为1.471×108km，地球轨道所在的平面就是黄道面，地球围绕太阳运行1 周是1 a，地球自转1 周是1 d，地球的运行轨迹如图1所示。

图1 地球围绕太阳的运动轨迹Fig.1 Trajectory of the Earth around the Sun

当太阳光照射到地面时，可以将光线看作是一束平行光。根据几何原理，平行光直射到物体表面时，光斑最小，即单位面积接受的辐照量最大，因此本文研制自然环境超高加速光老化系统用的第一个原理便是太阳轨迹跟踪强化。

以地球为参考面，太阳的运行轨迹可以用太阳高度角和方位角进行表示，即满足以下模型：

式中：h为太阳高度角；δ为太阳赤纬角；φ为当地的地理纬度；A为太阳方位角；τ为当时的太阳时角，其中，S为太阳时的小时，F为太阳时的分。

从式（1）可知，只要知道安装地点的经纬度和标准时间，便可计算获得太阳的实时位置，实现精确跟踪。

1.2 反射聚能强化[18-20]

在自然环境加速试验领域，反射聚能强化是国内外最常采用的一种太阳辐射强化方式，反射聚能强化便是利用菲尼尔（Fresnel）反射原理，在抛物线的切线方向安装多片平面反射镜。工作时，平面镜的位置使太阳光的入射角接近法线角度，每面平面镜反射的太阳光同时照射到样品安装靶板，实现反射聚能强化。反射聚能强化原理如图2 所示。

图2 太阳光反射聚能强化原理Fig.2 Principle of solar reflection and energy accumulation

1.3 太阳光谱选择性反射[21-22]

高分子材料的分子吸收光辐射能量的大小是否超过其键强度，决定了其化学键是否会断裂，分子结构是否会出现改变和永久损伤。世界气象组织（WMO）公布的太阳常数值为1 368 W/m2，由于大气臭氧层的阻挡，到达地球表面的太阳光谱中紫外光主要是290～400 nm。这一波段虽然只占太阳辐射能量的 7%，但单光子能量高，是造成高分子材料断链的主要光谱。同时，为了避免高倍率太阳辐射强化产生的极高温度对受试样品造成意外损伤，本系统主要利用太阳辐射的紫外光部分，采用高透镀膜玻璃平面镜，太阳光照射到该平面镜上，紫外部分被反射到样品靶板区域，而可见和红外大部分部分被透射，实现太阳光选择性反射，原理如图3所示。

图3 太阳光谱选择性反射Fig.3 Selective reflection of solar spectrum

2 系统布局与总体设计

由于自然环境加速试验装置是一种户外工作设备，需要户外长期可靠工作，在环境严酷下，必须兼顾较好维修性和较高的自动化水平。本文基于自然环境超高加速光老化的基本原理，通过机械结构设计、强度仿真，确定了系统的外形结构，整个系统的研制涉及总体结构、水平跟踪、俯仰跟踪、旋转驱动机械结构、鼓风降温、喷淋加湿、样品安装靶板及支架设计、镜床、太阳能供电分系统、防护工艺、安全等多个模块和部件[23]。

本文设计的自然环境超高加速光老化试验系统主要由3 部分构成，分别为试验主机、太阳能供电分系统和具有人机交互功能的控制分系统。试验主机主要用于开展超高加速光老化试验；太阳能供电分系统采用多块组网方式为户外主机和环境数据采集分系统提供清洁能源；控制软件包括安装于主机上的现场控制器和安装于实验室中的远程监控计算机，主要用于整个系统的人机交互控制、温度/太阳辐射等环境数据及试验数据的采集。自然环境超高加速光老化试验系统的总体结构布局如图4 所示。

图4 自然环境超高加速光老化试验系统总体结构布局Fig.4 Layout of for overall structure of ultra-accelerated UV aging test device under natural environment

3 试验系统主机设计

3.1 机械结构设计

试验系统主机是自然环境超高加速光老化试验系统的核心部分，根据太阳辐射的强化原理和技术要求，设计的试验主机长约4 m，宽约3.2 m，高约3.8 m，安装占地面积约13 m2。试验主机由转动支座、太阳光反射部装和样品试验组件构成。

转动支座通过俯仰和水平的二维旋转，实现主机的太阳高度角和方位角跟踪。转动支座由底板、承力框架、回转支承、大行程电动缸等零部件装配而成；反射镜和安装支架等构成太阳光反射部装，安装于转动支座上，由转动支座带动实现水平和俯仰旋转；样品试验组件与反射镜安装支架采用螺纹的刚性连接，样品安装靶板中心与反射镜安装支架中心在一条直线上，使得跟踪状态下，太阳光均能反射至样品靶板。设计的转动支座三维结构如图5 所示。

图5 主机转动支座三维结构Fig.5 Structure of host rotating support

转动支座既需要承受一定的轴向载荷、径向载荷，还需要承受较大的倾覆力矩，属于典型的承力结构，采用316L 不锈钢和6061 铝合金型材或板材加工而成。主机的水平旋转体选择了在工程机械、船舶设备中广泛应用的单排交叉滚柱式回转支承。该型回转支承由2 个座圈组成，直径为φ200 mm，结构紧凑，质量轻，制造精度高，装配间隙小。配合涡轮蜗杆箱，能自锁，转动精度为 0.001°～0.05°，承力大于20 kN，能自锁，满足水平转动的精度要求。俯仰转动驱动采用推力为10 kN、行程为1.5 m 的大推力、大行程电动缸，配合伺服电机，俯仰转动速度在0～60 (°)/min 可根据转动角度调速。太阳光反射部装的反射镜安装支架（镜床）与样品试验组件为了便于运输和安装，结构主体均采用6061 铝合金型材焊接成小型构件，然后采用螺接的方式现场组装，其三维结构如图6 所示。

图6 反射部装与样品试验组件三维结构Fig.6 3D structures of reflector and sample test assembly

平面反射镜作为本试验系统的核心零件，90 组平面反射镜采用万向支座固定于安装支架上，选择耐高温和耐腐蚀的基体材料超硼化硅玻璃，将基体材料进行相应的研磨与抛光等镀膜预处理，使其达到相应的技术要求。设计最优化的耐腐蚀结构，利用真空镀膜技术将镀膜材料（TiO2和SiO2等）分32 层镀在基体材料上，制作成环境适应性优良的低（频）透高（频）反紫外反射镜，厚度小于0.05 mm。最后，在真空炉中镀一层氟化物防水防污膜，厚度为0.001～0.01 mm。研制完成的反射镜反射光谱曲线如图7 所示，300～400 nm 紫外区平均反射率大于90%，而400 nm 以上波段反射率小于13.8%[16]。

图7 反射镜反射光谱曲线Fig.7 Reflected spectrum curve of reflector

3.2 强度与变形仿真分析

自然环境超高加速光老化试验系统属于户外使用的自然加速试验设备，抗风能力是一个重要参数，设计试验主机最大迎风面可达到12.8 m2，防止8 级大风下出现结构损坏。采用ANSYS Workbench 软件对自然环境超高加速光老化试验系统主机结构强度进行了有限元分析（FEA），将反射镜安装支架调整至竖直90°，以最大迎风面工况检验该装置在8 级横风（取20 m/s）下的抗风能力。此仿真计算不考虑镜片及其连接结构，将镜面上的风压直接施加于镜架上，分析装置主体架构的强度与刚度。

将20 m/s 风速与受风面积换算成作用应力，约为6 000 N，直接作用于镜架主体结构，最大等效应力出现在电动推杆插销处，约为102 MPa，仍远低于设计的屈服强度280 MPa，其余各部分皆处于良好的低应力状态，可见其强度满足抗风要求。

由于样品靶板支臂较长，约为3.4 m，为了防止变形造成反射光斑偏移，仿真分析了镜床在90°垂直状态下X和Y方向（如图8 所示）上的变形量，试样架按25 kg 的重物计。结果显示，顶端样品靶板处Y向最大变形量达到19.1 mm 以上。通过更换槽铝选型和增设加强筋，有效地减小了顶端样品靶板处的变形量。在风力作用下，横向位移较小，X和Y方向上的变形量控制在10 mm 以下。

图8 顶端Y 向变形仿真结果Fig.8 Simulation results of Y-direction deformation of device top

4 太阳能供电分系统设计

太阳能供电系统包含有太阳能电池阵列、蓄电池组、直流控制器、直流-交流逆变器等。太阳能电池阵列将太阳能转换为电能，通过控制器存储到蓄电池组中。太阳能供电分系统控制器以脉冲方式开关光伏组件的输入，利用最大功率点跟踪（MPPT）技术控制光伏电池以最大功率输出运行。当蓄电池趋于充满时，随着端电压的逐渐升高，脉冲的频率或占空比发生变化，使导通时间缩短，充电电流逐渐趋于0。当蓄电池电压由充满点开始下降时，充电电流又会逐渐增大，通过这种充电过程可以形成完整的充电状态，有效地防止过充。同时，本次设计中利用PMW 控制器来实现MPPT 功能，控制器为双向的DC/DC 变换器，既可以工作于放电状态，也可工作于充电状态。

太阳能电池阵列由16 块太阳能电池板组成，每块电池板尺寸为1 010 mm×990 mm。太阳能电池板采用单晶硅太阳能电池组件。单晶硅太阳能电池组件具有使用寿命长、衰减小、可靠性高的特点。背板采用原产EVA、TPT 等材料封装，抗老化能力强，面板采用高透低铁钢化玻璃封装，机械强度高，透光率大于91%。单块太阳能电池板的功率为160 W，电压为36 V，共计16 块，因此电池板总功率可达2 560 W，满足试验装置最大功率的要求。

5 控制分系统及软件设计

控制分系统是由现场控制器、远程监控计算机及光纤通信网络等硬件和数据采集与存储、计算与控制及人机交互等软件构成。现场控制器采用具有以太网模块的PLC 和触摸屏搭建，如图9 所示。PLC 读取温度（含黑板或黑标温度）、太阳辐射（含紫外、红外和总辐射）、卫星授时、水平/俯仰编码器等数据，根据式（1）计算太阳实时的方位角和高度角。根据偏差驱动水平和俯仰跟踪，并按照相应的试验要求或试验程序进行鼓风降温或喷淋加湿。触摸屏用于现场人机交互和试验参数设置，远程计算机采用光纤与PLC 通信，实时监控并读取装置状态。

图9 控制器组成Fig.9 Diagram of controller composition

采用梯形图编制PLC 控制程序，采用C++高级语言，编写出了计算机远程监控软件和人机交互界面，将计算机与现场PLC 逻辑控制程序进行了无缝链接，实现了现场和远程的复合监控，为试验开展和装置状态监控提供了便利。数据管理使用的 SQL Server 数据库实现，数据库连接时，调用AfxOleInit函数进行相关函数模块的初始化。初始化函数完成后，使用_ConnectionPtr 类中的CreateInstance 方法设置ADO 的连接方式，使用_ConnectionPtr 类中的ConnectionTimeout 方法设置响应超时的时间阈值。按照固定格式设置字符串，该字符串中包含待连接的数据库信息、连接数据库的用户与密码。调用_ConnectionPtr 类中的Open 方法即可与目标数据库建立连接， 无论连接成功或失败都会使用AfxMessageBox 函数弹出对话框，以此提示数据库连接的结果。本系统的数据库中有用户管理、日报、月报、温湿度、辐射量分钟累计、辐射量小时累计和辐射量日累计以及系统状态等数据报表。

6 太阳紫外辐射强化倍率计算

本文研制的自然环境超高加速光老化试验系统，采用式（2）计算太阳紫外辐射强化倍率。

式中：A为靶板处太阳紫外辐射强化倍率；N为系统采用的平面反射镜数量，本系统N=90；ρ为平面反射镜紫外反射率，%；βi为第i片平面反射镜与镜床平面的侧向倾角，(°)；θi为第i片平面反射镜与镜床平面的高低倾角，(°)。

从反射部装的三维结构可以看出，反射镜被分割成4 个互相对称的区域，每个区域3 列6 排共18 块镜片，2 条对称中心轴线共18 块，合计90 块反射镜。安装完成后，测得一个区域6 排的反射镜高低倾角分别为46.8°、41.6°、35.4°、28.1°、19.6°、10.1°，3 列的侧向倾角为37.9°、28.1°、16.1°。由此可知，一个区域内，反射镜的角度分别为(46.8°, 37.9°)、(41.6°,37.9°)、…、(19.6, 16.1)、(10.1, 16.1)，中心排侧倾角为0°，中心列的高低倾角为0°。考虑到实际使用过程中反射镜的反射率的衰减，反射镜反射率ρ取80%～90%。代入式（2），可得太阳紫外辐射强化倍率为48.6～54.6 倍。

7 结语

自然环境超高加速光老化试验系统的研制，切合了长寿命产品的研制需求和环试技术的发展方向，着力为武器装备和长寿命产品的环境效应评价和寿命评估提供一种既环保、又快速、试验结果还接近真实的试验评价手段。自然环境超高加速光老化试验系统在户外装备设计选材，高分子材料、太阳能电池板等产品环境适应性评价、耐久性评估、防护工艺改进等方面具有很好的应用前景[24-26]。