張曉東，王釗桐，王 劍,3，揭敢新，高澤海，曾文波，王 俊

（1.中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663；2.威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510700； 3.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州510006）

前言

汽車整車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料種類繁多，在使用過程中會(huì)面臨各種嚴(yán)酷氣候環(huán)境的考驗(yàn)，不可避免會(huì)出現(xiàn)老化、腐蝕等不良現(xiàn)象，從而影響汽車的外觀、功能，甚至產(chǎn)生安全隱患[1]。為確保汽車具有良好的耐受氣候環(huán)境破壞的能力（簡(jiǎn)稱：耐候性），汽車整車制造企業(yè)在零部件選材時(shí)，會(huì)根據(jù)整車的耐候性要求設(shè)計(jì)一系列的環(huán)境試驗(yàn)對(duì)材料的老化腐蝕性能進(jìn)行評(píng)估[2-10]，濕熱老化試驗(yàn)是其中最普遍應(yīng)用的環(huán)境試驗(yàn)之一。

汽車整車的耐候性主要采用典型自然環(huán)境大氣暴露試驗(yàn)進(jìn)行[11,12]，試驗(yàn)周期一般要求為1年，這是平衡了汽車開發(fā)周期要求及環(huán)境條件重復(fù)性后得到的結(jié)果。“加速試驗(yàn)多長(zhǎng)時(shí)間等效自然環(huán)境大氣暴露試驗(yàn)1年”是各汽車企業(yè)尤其是技術(shù)積累較少的自主品牌汽車關(guān)心的主要話題之一。本文在眾多材料濕熱老化壽命預(yù)測(cè)的相關(guān)研究成果中[13-16]，選取Hallberg-Peck模型來對(duì)汽車材料濕熱老化試驗(yàn)周期進(jìn)行估算，結(jié)果與國外著名企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求吻合度非常好，說明該模型的計(jì)算結(jié)果具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要設(shè)備及儀器

數(shù)據(jù)采集記錄儀：CR1000，美國Campbell公司；

空氣濕度傳感器：HMP155A，芬蘭Vaisala公司；

表面溫度傳感器：T型熱電偶。

1.2 整車濕熱大氣環(huán)境暴露試驗(yàn)

依據(jù)參考文獻(xiàn)12的相關(guān)規(guī)定在海南瓊海濕熱大氣環(huán)境試驗(yàn)站開展整車濕熱大氣環(huán)境暴露試驗(yàn)（圖1）。重點(diǎn)關(guān)注部位安裝表面溫度或濕度傳感器（圖2），用以連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車微環(huán)境條件并按一定的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 汽車微環(huán)境條件統(tǒng)計(jì)分析

大氣環(huán)境暴露試驗(yàn)中的汽車零部件表面溫度及車內(nèi)空氣濕度隨大氣環(huán)境時(shí)刻變化，但大多數(shù)情況下也不會(huì)發(fā)生突變，考慮到數(shù)據(jù)容量問題，一般設(shè)定數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)記錄頻率為5或10 min 1次，來代表某一時(shí)刻汽車微環(huán)境條件。表1展示了某一時(shí)段試驗(yàn)車儀表板上表面溫度及駕駛室空氣相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，表格中每一行的平均值、最大值、最小值分別表示了5 min內(nèi)連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值、最大值和最小值。

2.2 濕熱老化試驗(yàn)周期模型推導(dǎo)

當(dāng)材料老化影響因素為溫度和濕度時(shí)，一般采用Hallberg-Peck模型來描述在溫濕度條件下的老化測(cè)試。其表達(dá)式如式1所示：

式中：

AF — 加速因子；

Ea — 老化活化能，J/mol；

R — 氣體常數(shù)，8.314；

Tu、 Tt — 實(shí)際使用、加速測(cè)試條件下的溫度，K；

RHu、RHt — 實(shí)際使用、加速測(cè)試條件下的相對(duì)濕度，%；

?τu、?τt— 實(shí)際使用、加速測(cè)試條件下的時(shí)間，s。

式1經(jīng)整理后，可得到式2及式3。

圖1 汽車整車濕熱大氣環(huán)境暴露試驗(yàn)

圖2 汽車微環(huán)境條件監(jiān)測(cè)傳感器

表1 試驗(yàn)車微環(huán)境條件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)示例

表2 通用汽車內(nèi)飾件材料濕熱老化試驗(yàn)參數(shù)

式中：

?τti、?τ、AF— i時(shí)刻的相應(yīng)參數(shù)。

uii

2.3 濕熱老化試驗(yàn)周期的計(jì)算

以通用汽車GMW14444-2012標(biāo)準(zhǔn)的要求為例計(jì)算汽車儀表板材料實(shí)驗(yàn)室濕熱老化試驗(yàn)周期，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定濕熱試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。儀表板材料一般為PP，取其濕熱老化活化能為48 kJ/mol，整車大氣暴露試驗(yàn)中各時(shí)刻的溫、濕度數(shù)據(jù)均取平均值。將各參數(shù)代入式3，計(jì)算每5 min大氣暴露試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的濕熱老化時(shí)間如表3所示。相應(yīng)可獲得整車大氣暴露試驗(yàn)1年，汽車儀表板材料相對(duì)應(yīng)的濕熱老化試驗(yàn)時(shí)間約為400.34 h（表4），與GMW14444-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)間周期吻合度非常好。

3 結(jié)論

合適的選材是汽車整車耐候性的基礎(chǔ)，為了加快材料篩選工作進(jìn)度，一般是通過實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)進(jìn)行的。利用Hallberg-Peck模型可以較為精準(zhǔn)的計(jì)算對(duì)應(yīng)于整車大氣暴露試驗(yàn)時(shí)間的汽車零部件材料濕熱老化試驗(yàn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料濕熱老化性能的合理控制。

表3 每5分鐘大氣暴露試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的濕熱老化時(shí)間

表4 試驗(yàn)車各個(gè)試驗(yàn)月份的加速試驗(yàn)換算時(shí)間

[1] 馬堅(jiān), 揭敢新, 劉強(qiáng)等. 汽車氣候老化應(yīng)用技術(shù)[M]. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2013: 1-2.

[2] GMW14650-2010, Performance Requirements for Exterior Plastic Parts[S].

[3] GMW14444-2012, Material Related Interior Part Performance[S].

[4] VW 2.8.1-2014, Elastomers-Material Requirements and Testing[S].

[5] TL 522 31-2016, ABS and PC Polymer Blends-Material Requirements[S].

[6] TL 523 88-2005, Polypropylene for Passenger Compartments-Material Requirements[S].

[7] DBL 5571-2008, Supply Specification-Sealing section/Model parts manufactured from elastomers, mainly in body area suitable for long-term thermal loads of 70℃ to short-term thermal loads of 100℃[S].

[8] DBL 5416-2011, Supply Specification-Parts Manufactured from Thermoplastics for Paneling, Housings and Functional Parts for External Applications[S].

[9] TSM0502G, General Test Method for Plastic Parts[S].

[10] TP 303.5, Alternating climate test for trim parts[S].

[11] SAE J1976-2002, Outdoor Weathering of Exterior Materials[S].

[12] QC/T 728-2005, 汽車整車大氣暴露試驗(yàn)方法[S].

[13] 高立花, 葉林. 尼龍6濕熱老化壽命預(yù)測(cè)[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2015,31(5): 111-114.

[14] 張濤,周漪,劉靜.汽車整車在典型環(huán)境下大氣暴露試驗(yàn)結(jié)果分析[J].裝備環(huán)境工程,2013,10(6).

[15] 張彥紅, 楊勇新, 姚勇,等. 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在濕熱環(huán)境下的耐久性試驗(yàn)及性能衰減模型[J]. 工業(yè)建筑, 2014, 44(10): 46-50.

[16] 辛長(zhǎng)宇, 宋國強(qiáng), 許瑞沁,等. Arrhenius模型在整車零部件加速壽命試驗(yàn)的應(yīng)用[J]. 汽車電器, 2013, (04): 61-62.

[17] 萬立, 冀運(yùn)東, 王繼輝. 濕熱環(huán)境下復(fù)合材料的使用壽命預(yù)測(cè)[J].玻璃鋼/復(fù)合材料增刊, 2012, 43-45.