美國阿特拉斯戶外紫外加速試驗系統跟蹤研究

朱玉琴，楊華明，楊曉然，張燕

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.重慶市環境腐蝕與防護工程技術研究中心，重慶 400039）

美國阿特拉斯戶外紫外加速試驗系統跟蹤研究

朱玉琴1，2，楊華明1，2，楊曉然1，2，張燕1

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.重慶市環境腐蝕與防護工程技術研究中心，重慶 400039）

詳細剖析了美國阿特拉斯研發的紫外加速試驗系統（UAWS）的結構構成和功能，同時通過該系統樣品暴露1年接受的紫外輻射量與佛羅里達州南45°、使用SAE J2527氙弧暴露、ASTM G90標準方法之間的量值比較，對該系統的加速性和相關性進行了闡述。

UAWS；加速性；相關性

近年美國阿特拉斯耐候試驗集團開發了一種新型戶外加速試驗設備——紫外加速氣候系統，該系統利用菲涅爾反射鏡可聚焦自然光中的紫外部分，聚焦后的強度是自然光的50～100倍。試驗表明，利用該裝置1年接受的紫外輻照量相當于南部佛羅里達 63年 45°紫外輻射總量。該系統與以往反射聚能試驗裝置相比，可顯著提高單位時間內的紫外輻射，且對自然光中的紫外光譜部分能量有較高保真度，同時可減弱其中的可見光和紅外光部分，能維持樣品可接受的暴露溫度。

1 結構

該系統采用29塊反射元件，構成一臺大約5 m焦距的聚焦光學系統。樣品安裝在面向聚焦點，距離聚焦點約2.5 m處，以此達到100∶1直接法向聚光系數。該系統主要由反射元件、集光器、目標區及目標區均勻性檢測裝置等四大部分構成[1]，如圖1所示。

1.1 反射元件

每個反射元件規格為370 mm×370 mm，每個面經過磨削和拋光，并沿四周磨成斜面，用于安裝和校正的三個附著點設在反射元件的背面，反射元件結構如圖2所示。反射元件表面均采用了基于傳統電子束蒸發工藝的96層選擇性反射涂層，涂層采用幾個1/4波長的具有高、低折射率的材料交替組成干涉反射包系統。從這一過程中得到的絕對反射率光譜如圖3所示。針對反射元件的失效機制、失效模式及性能演變規律，NREL實驗室的Wesley Jones等人已做了深入的研究[2—7]。

圖1 紫外加速氣候系統Fig.1 UV accelerated weathering system

圖2 反射元件結構Fig.2 Reflective element structure

圖3 反射鏡的反射光譜Fig.3 Reflectance spectrum of mirror face

反射元件表面的聚合物鏡薄膜具有94%的太陽-加權半球反射率，在25mrad（1.4°）波長為660 nm的全部接受角處有 94%的鏡面反射率。聚合物鏡薄膜由多層銀反射層組成，防止受UV（紫外線）而退化。該薄膜有一層可剝離的表面來保護鏡面，直到反射元件最終安裝成功。邊緣帶用來保護鏡膜的邊緣，避免長期受到風吹、潮濕環境和機械的損傷[8]。

相對于太陽光譜，反射元件薄膜的反射率如圖4所示，薄膜在大多數太陽能可用的波長區域具有很高的反射率。拋物線槽鏡面反射如圖5所示，當疊層在鋁基板上時，聚合物膜反射鏡具有很高的鏡面反射率。

圖4 反射薄膜和太陽光譜的光譜反射率Fig.4 Spectral reflectance of Reflectance Film and Solar Irradiance

圖5 拋物線槽鏡面反射Fig.5 Specula Reflectance for Parabolic Trough

1.2 集光器

集光器是聚集太陽光、反射并聚集光能到目標區域面的組裝塊件。集光器的設計是把集光小塊控制在一個接近10 m的凹球面位置，鏡面支撐構架在水平和垂直方向形成圓弧的集光塊。29個反射小塊使用三點固定的五金附件，安裝在支撐構架上。為了避免支撐結構曲率與小塊的干涉，小塊的四周做了稍微修整。集光器結構如圖6所示，在目標平面上的聚焦光束如圖7所示。

圖6 集光器支撐結構Fig.6 Collector support structure

圖7 反射面、集光結構及樣品區域的聚光束Fig.7 Reflective facets, collector structure, and Focused beam in target area

1.3 目標區域

為了達到100∶1直射法向聚光系數，樣品面向集光器安裝，距離聚焦點約2.5 m處。為了適應這一位置，目標區域的支撐臂結構應能附隨集光器結構，使整個系統可以對準并跟蹤太陽。上述結構使得在一個150 mm×150 mm的目標區域具有大約100∶1直射光強度。

在面向聚焦點、距離反射鏡2.5 m處，目標區域的支撐臂有堅硬的附件，以適應各種試樣的安裝設備。這種靈活的連接平臺，可以適合各種樣品夾具，從而為各種材料、安裝配置以及研究項目的要求提供一個可定制的測試平臺。到目前為止，這些配置包括：安裝特定的輻射儀器、安裝有背襯和無背襯樣品、前置樣品夾具、空氣冷卻標版、背面水冷安裝面、多目標區域夾具和具有特殊結構的環境室等。沿目標區域的支撐臂通過配送維修線已經成功地把發電設施、溫度測量熱電偶絲、冷卻水和一個真空源傳送到了目標區域。軸向風機和光束衰減器也已成功安裝到目標區域的支撐臂上。這種靈活性對于廣范圍材料類型進行各種加速測試程序非常重要。

集光器與目標區域的支撐臂安裝在高精度的商用太陽能跟蹤系統中，它能在整個白天對準太陽圓盤集光器的切線方向（系統在多云條件不能操作）。第一臺裝置已安裝完畢，目前正在 Atlasˊ DSET實驗室運行。

1.4 目標區均勻性檢測裝置

在ATLAS試驗場亞利桑那州生成了一系列流量圖來描述該系統的目標和流量分布。用一塊355 mm×460 mm的火焰噴涂氧化鋁板進行目標區域試樣均勻性測試。流量繪圖系統包括一臺攝像機、一個鏡頭、一個框架接收器板以及 Coherent的BeamView軟件。系統提供的目標區域均勻性評估如圖8所示。

圖8 一致性流量測試圖像Fig.8 Images from flux uniformity measurements

圖8a為目標輪廓圖，圖像亮度與流量強度相關。圖像中的白色正方形是150 mm×150 mm的樣品目標區域。圖8b為三維圖像，所有集光小塊均未遮蓋，表示100倍的紫外光譜。使用BeamView軟件，計算得出在這個盒子內的光強度均勻性標準偏差是平均值的±4.6%。

2 功能

2.1 輻射量測定

材料的性能退化通常以退化曲線來表征，其中y軸代表性能退化，x軸代表紫外輻射量。目標區域的輻射量=正常的紫外線輻射量×反射鏡的紫外反射率×反射鏡的個數×每個反射鏡的光集中系數；瞬時輻射量×暴露持續時間=樣品暴露在 295～385 nm光譜區的暴露輻射量，以MJ/m2表示。

通過使用UAWS系統可計算出預期的暴露輻射量，同時對使用UAWS的暴露輻射、自然暴露及普通加速方法三者之間進行比較。例如，從歷史統計數據看，亞利桑那州試驗場紫外線正常暴露輻射量每年平均約162 MJ/m2。按照以上的計算方法，使用29個集光小塊，0.95的紫外線反射率和4倍的光集中系數，樣品在目標區域每年可能有平均約17 852 MJ/m2的紫外線輻照量。

相比之下，佛羅里達歷史觀測數據表明，在朝南45°方向，1年大約有275 MJ/m2的紫外線輻照量。由此可知，UAWS的紫外強化倍率約為63倍。類似的比較結果表明，使用SAE J2527氙弧暴露需要大約13～17年[9]，使用現行ASTM G90標準方法大約需要 13～14年，才能達到在超高加速裝置 1年的輻射量[10]。

2.2 暴露溫度

經受紫外加速耐候性試驗的樣品，其溫度為材料特性和暴露條件的復合函數。因此，特定樣品在紫外加速暴露時達到的實際溫度，取決于材料和暴露條件。

某些面板在有底襯的情況下直接正對太陽安裝（安裝在膠合板上），而另一些被修整到約 75 mm×55 mm，安裝在UAWS目標區，后面安裝有使用冷卻水的冷卻盤，冷卻水循環到冷卻盤使黑板背面冷卻。冷卻水設置到系統的最低溫度，以提供系統最低溫度性能，以此可與黑板自然暴露溫度進行比較。面板分別在UAWS與自然光照射下測得的溫度情況如圖9所示，數據表明，黑板溫度在紫外加速暴露條件下，接近環境空氣溫度，并且遠低于有底襯黑板的直射暴露溫度。

圖9 紫外加速和直射黑板溫度Fig.9 UV-accelerated and direct black panel temperatures

3 加速性和相關性

對于該系統最基本的相關性和加速性研究，使用由EMPA（瑞士材料實驗所）制定的歐洲標準參考材料ORWET。ORWET是一種粘附在鋁基板上的彩色薄膜，它是一種 Ciba顏色的三聚氰胺甲醛樹脂涂料，因其在紫外線輻射暴露后具有很強的顏色變化特征，是專門作為耐候性測試方法的參考材料。

利用 ORWET進行不同類型暴露的簡單對比表明，相關性是輻照量的函數，加速性是暴露時間的函數。一種特定材料的退化函數高度依賴于材料的特性，所以一種標準參考材料的模型退化函數，不可能代表具有不同特性的其他材料。

按照ASTM G7-05，于2008年夏季，在阿特拉斯測試服務試驗場的佛羅里達州和亞利桑那州，戶外朝南5°角，將ORWET樣品暴露在無底襯試驗架上。按照ASTM G90-05，在亞利桑那州相同時間進行戶外暴露試驗。紫外線輻射量按照ASTM G90和ASTM G7標準進行測量。與此同時，在2008秋季使用安裝在阿特拉斯的亞利桑那州現場的 UAWS裝置對同等狀態樣品開展紫外加速暴露試驗。

紫外加速暴露樣品安裝在背面帶有相同冷卻盤的底襯上，用于獲得黑板溫度。用文中前面描述的方法測量紫外線輻射暴露。在整個暴露過程中，斷斷續續取出樣品，測量色差（ΔE）。不同暴露類型的對比如圖10和圖11所示。

圖10 不同方式下試驗樣品色差隨輻射量變化Fig.10 Variation of color difference of the test samples with exposure amount in different modes

由圖10可以看出，四種暴露類型下色差值隨輻照量的變化趨勢大致相同。在暴露初期，隨輻射量值的增大，色差值呈近似線性增長；從紫外輻射量值為50 MJ/m2開始，色差值的增長趨勢呈冪函數增長。整個過程表明，四種暴露類型的腐蝕動力學規律基本相似，利用圖表法可初步判定 UAWS系統與其他三種暴露類型均具有較好的相關性。

圖11 不同方式下試驗樣品色差隨輻照時間變化Fig.11 Variation of color difference of the test samples with exposure time in different modes

由圖11可以看出，利用達到相同色差值所用時間為基準計算加速倍率，相對于EMMA系統，UAWS系統的加速倍率為8倍左右，相對于南佛羅里達州、亞利桑那州的自然暴露試驗，其加速倍率為25倍和28倍左右。

UAWS已經安裝并成功應用，初始數據表明，對某些材料而言，紫外加速與實時戶外暴露下材料的性能退化速率之間存在潛在的相關性。同時需要在考慮濕度和其他耐候性變量的情況下利用不同材料及系統修訂，使其相關性得到證實，并計劃在不久的將來實施。

4 結論

紫外加速試驗系統在概念上與阿特拉斯加速EMMAQUA試驗設備具有相似之處，紫外加速試驗系統跟蹤太陽使得安裝在目標區域的試驗樣品聚集反射太陽光。不同點在于，在紫外加速試驗系統上使用了具有新專利的鏡面，它對自然光中的紫外光和可見光光譜具有高反射性，對紅外光具有高透過性和低反射性。這一設計很好地解決了聚光造成的樣品過熱問題，使加速系數可以進一步提高而保持老化機理不變。該技術的應用將滿足特定材料要求，并達到快速暴露材料缺陷的目的。

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[8] MICHAEL D, GARY J. Reflectech Mirror Film: Design Flexibility and Durabity in Reflecting Solar Applications[J]. American Solar Energy Society, 2010.

[9] SAE J2527, Accelerated Exposure of Automotive Exterior Materials Using a Controlled Irradiance Water Cooled Xenon-Arc Apparatus[S].

[10] ASTM G90-05, Practice for Performing Accelerated Outdoor Weathering of Non-Metallic Materials Using Concentrated Natural Sunlight[S].

Tracking Studying on ATLAS’s UV-Accelerated Weathering System

ZHU Yu-qin1,2,YANG Hua-ming1,2,YANG Xiao-ran1,2,ZHANG Yan1

(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Engineering Research Center for Environmental Corrosion and Protection, Chongqing 400039, China)

The structure composition and function of Atlas’s UV-accelerated weathering system were analyzed in detail in this paper. At the same time, by comparing the UV radiant exposure of the sample on the ultra-accelerated device in a single year exposure with that in a SAE J2527 xenon arc exposure in 45° South Florida measured using the ASTM G90 standard method, the acceleration and correlation of the system were described.

UAWS; acceleration; correlation

10.7643/ issn.1672-9242.2016.03.018

TJ05

A

1672-9242(2016)03-0111-05

2016-01-29；

2016-03-04

Received：2016-01-29；Revised：2016-03-04

朱玉琴（1983—），女，青海西寧人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為環境試驗與評價，環境試驗情報跟蹤等。

Biography：ZHU Yu-qin (1983—), Female, from Xining, Qinghai, Master graduate student, Engineer, Research focus: environment test and environment adaption evaluation, environment test information tracking.