汽車通風(fēng)蓋板發(fā)白現(xiàn)象的大數(shù)據(jù)分析

張曉東，王偉健，陶友季，張志勇，陳心欣，李淮，祁黎， 曾文波，曾博，趙雪茹

（1.中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 a. 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b. 廣東省高分子材料環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)與檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663； 2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

隨著我國對汽車消費(fèi)需求的增加，汽車的使用變得十分普遍，加之我國地緣寬廣、氣候復(fù)雜多樣，汽車部件老化及腐蝕的不良現(xiàn)象也隨之增多，這對汽車主機(jī)廠商提出了不小的挑戰(zhàn)。汽車部件的腐蝕、老化等現(xiàn)象不僅影響用戶的用車體驗(yàn)，也會(huì)對汽車的行車安全產(chǎn)生威脅[1-2]。因此，尋找影響汽車部件發(fā)生老化的因素、以及汽車部件材料老化的變化規(guī)律[3]具有十分重要的意義。

通風(fēng)蓋板是連接在前風(fēng)擋玻璃與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙蓋之間的覆蓋件，起到協(xié)助通風(fēng)、為雨刮轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)提供防護(hù)以及覆蓋裝飾等功能。通風(fēng)蓋板的發(fā)白會(huì)嚴(yán)重影響車輛外觀，降低用戶使用評價(jià)。

文中研究了通風(fēng)蓋板發(fā)白的微觀機(jī)理，并基于大數(shù)據(jù)互信息理論方法，以某車在海南瓊海和新疆吐魯番暴曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[1,4-5]，確定自然暴露試驗(yàn)中導(dǎo)致通風(fēng)蓋板發(fā)白的主要環(huán)境因素，通過兩地的自然環(huán)境數(shù)據(jù)，求取了該款通風(fēng)蓋板發(fā)白時(shí)的等效輻照量值。該研究對于通過汽車外飾塑料件在典型地區(qū)的自然暴露試驗(yàn)結(jié)果預(yù)估其他地區(qū)的使用壽命具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)

根據(jù)QC/T 728—2005[6]的要求，在海南瓊海和新疆吐魯番兩地對汽車整車進(jìn)行自然暴露試驗(yàn)，同時(shí)放置監(jiān)測設(shè)備不間斷地對大氣環(huán)境及汽車部件表面溫度變化等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測[7]，5 min記錄1次，定期（2個(gè)月）對汽車外觀及相關(guān)特定部件進(jìn)行老化檢查，并記錄每次檢查時(shí)部件老化情況的相關(guān)信息[8]。采用Hitachi S-3400N II型掃描電鏡觀察試件的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 通風(fēng)蓋板樣件自然暴露試驗(yàn)表面發(fā)白現(xiàn)象

在海南瓊海和新疆吐魯番兩地，對汽車整車及零部件均開展了自然暴露試驗(yàn)，其中通風(fēng)蓋板樣件在一定時(shí)間試驗(yàn)后出現(xiàn)了明顯的變白，具體變化情況如圖1所示。由圖1可以看出，試驗(yàn)前，通風(fēng)蓋板整體顏色均勻；試驗(yàn)一段時(shí)間后，通風(fēng)蓋板出現(xiàn)明顯的發(fā)白現(xiàn)象，部分材料顏色變白，與拼接的另一材料對比明顯。

圖1 通風(fēng)蓋板試驗(yàn)前后外觀變化 Fig.1 Appearance changes of ventilation cover before and after tests: a) Qionghai; b) Turpan

2.2 表面形貌分析

利用掃描電鏡分別對保留的通風(fēng)蓋板原始樣件以及試驗(yàn)后發(fā)白的樣件表面形貌（如圖2所示）進(jìn)行觀察。可以看出，原始樣件表面比較平整光滑，說明基材對填料包覆較好；而試驗(yàn)后發(fā)白的樣件表面基材老化，填料鑲嵌在基材中，形成明顯的“孤島”結(jié)構(gòu)。因此，試驗(yàn)后通風(fēng)蓋板發(fā)白是自然暴露過程中表面基材老化后白色填料外露以及填料暴露后加劇表面光線漫反射導(dǎo)致的。

圖2 通風(fēng)蓋板表面形貌分析 Fig.2 Analysis of surface morphology of ventilation cover: a) original sample; b) after exposure

2.3 失效影響因素分析

汽車外飾材料自然暴露試驗(yàn)過程中，導(dǎo)致汽車部件老化失效的因素比較多，如部件材料、生產(chǎn)加工工藝、大氣環(huán)境條件等[8-10]。由于保密方面的要求，不對部件的材料及生產(chǎn)工藝等信息進(jìn)行披露，而以部件名稱、生產(chǎn)廠家等信息代替，從而建立汽車外飾材料老化數(shù)據(jù)記錄表，見表1。根據(jù)檢測設(shè)備記錄的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)和汽車微環(huán)境數(shù)據(jù)形成記錄表2和表3，數(shù)據(jù)格式為5 min一組。綜合所有記錄數(shù)據(jù)，形成29 個(gè)與材料老化相關(guān)的數(shù)據(jù)要素。每年針對某具體部件的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄約有150萬個(gè)。

表1 汽車外飾材料老化數(shù)據(jù)記錄 Tab.1 Aging data records of automobile exterior materials

表2 大氣環(huán)境條件數(shù)據(jù)記錄 Fab.2 Data records of atmospheric environmental conditions

表3 零部件微環(huán)境條件數(shù)據(jù)記錄 Tab.3 Data records of micro environmental conditions of automobile parts

本項(xiàng)目采用信息理論[11-12]對大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[13-15]。將汽車通風(fēng)蓋板的老化外化表征（即材料是否變色）X作為決策屬性[16-18]，其他數(shù)據(jù)信息（如空氣濕度、太陽輻照、風(fēng)速、降雨量、降雨時(shí)數(shù)、日照時(shí)數(shù)和地域）構(gòu)成條件屬性集[19-20]，則汽車通風(fēng)蓋板的老化與條件屬性之間的關(guān)聯(lián)度I可以用公式（1）計(jì)算得出[21]。計(jì)算結(jié)果（見圖3）表明，太陽輻照和部件表面溫度與通風(fēng)蓋板發(fā)白的相關(guān)性較高，其他因素（如部件表面潤濕時(shí)間等）的相關(guān)性則較弱。

圖3 試驗(yàn)車通風(fēng)蓋板發(fā)白條件屬性互信息值 Fig.3 Conditional mutual information value of ventilation cover whitening

2.4 等效輻照量的計(jì)算

一般情況下，對于除溫度以外還包含其他應(yīng)力S的普通情況，材料老化壽命可以用式（2）廣義Eyring模型[21]進(jìn)行描述：

式中：η為特征壽命；A、n為待定常數(shù)；Ea為反應(yīng)活化能；T為絕對溫度，K；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.380 648 52×10?23J/K；S為溫度以外的其他應(yīng)力。

因此，針對汽車通風(fēng)蓋板老化現(xiàn)象，其老化壽命模型可以表示為式（3）[21]。

式中：R為樣品表面輻照量，J/m2。

取n值為1，并分別用下標(biāo)u和t表示戶外大氣暴露試驗(yàn)和對比試驗(yàn)，則得到式（4）和（5）。

當(dāng)材料在不同地區(qū)受到同等程度的破壞時(shí)，特征壽命η應(yīng)該相等，故令ηu=ηt，得到式（6），進(jìn)一步整理得到式（7）。

在整車自然暴曬過程中，汽車部件表面溫度是隨太陽輻照和周邊空氣溫度的變化而變化的。在瓊海和新疆兩地，通風(fēng)蓋板表面溫度變化的三維圖形見圖4。從圖4可知，通風(fēng)蓋板的表面溫度基本呈現(xiàn)周期性變化。把試驗(yàn)時(shí)記錄的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)帶入式（8）進(jìn)行累加計(jì)算，最終得出等效環(huán)境的對比試驗(yàn)輻照量。

圖4 通風(fēng)蓋板表面溫度變化 Fig.4 Surface temperature of ventilation cover: a) after 6 months exposure at Qionghai, Hainan; b) after 6 months exposure at Turpan, Xinjiang

采用每5 min記錄一次蓋板表面的紫外輻照量和溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算海南瓊海和新疆吐魯番兩地試驗(yàn)過程中部件所受到的等效輻照值（如圖5所示）。結(jié)果表明，等效輻照值大于1882.8 J/cm2時(shí)，該種配方工藝通風(fēng)蓋板就會(huì)產(chǎn)生發(fā)白現(xiàn)象。根據(jù)該數(shù)值可以預(yù)測該通風(fēng)蓋板發(fā)白的時(shí)間。

圖5 不同試驗(yàn)場通風(fēng)蓋板發(fā)白時(shí)表面等效輻照值 Fig.5 Temperature equivalent radiation value of ventilation cover in different test sites

3 結(jié)論

1）通過通風(fēng)蓋板表面形貌分析，確定其自然暴露試驗(yàn)發(fā)白的原因在于表面基材老化導(dǎo)致填料暴露。

2）根據(jù)大氣環(huán)境和汽車微環(huán)境大數(shù)據(jù)，采用互信息理論的相關(guān)性分析方法，分析了部件老化與各因素之間的強(qiáng)弱關(guān)系。通風(fēng)蓋板發(fā)白與太陽輻照、部件表面溫度的相關(guān)性較大。

3）根據(jù)整車在兩地的自然暴露試驗(yàn)結(jié)果，確定當(dāng)光熱等效輻照值大于1882.8 J/cm2時(shí)，該通風(fēng)蓋板就會(huì)出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象。