汽車零部件陽光模擬試驗方法淺析

葉崗，孫福才，王釗桐，傅童，陳建彬，李成森

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

引言

實驗室陽光模擬目前主要采用四種光源分別是碳弧燈、熒光紫外燈、氙燈、金屬鹵素燈。金屬鹵素燈作為一款新式陽光模擬光源，其光譜曲線更貼近太陽光，試驗效果更為符合現實使用情況。儀器設備對零件的形狀尺寸寬容度高，能夠模擬出不同零件的安裝角度，試驗條件更為豐富，因此越來越受到汽車廠商重視。本文重點在于介紹基于金屬鹵素燈的陽光模擬試驗原理、測試方法、試驗適用范圍等方面，以便于相關技術人員從中選擇合適的條件和方法進行測試。

1 金屬鹵素燈介紹

1.1 發光原理

金屬鹵素燈具充滿了汞、鹵化物和稀土元素的混合物，這些元素在點火過程中會蒸發，產生等離子體。幾分鐘后，等離子體達到熱平衡，并釋放出類似于太陽全球輻照的準連續光譜（經過適當濾光）（圖1）。

圖1 金屬鹵素燈外形

1.2 光譜分布

目前，盡管經過光學過濾的氙燈在紫外光譜和可見光波段與自然太陽輻照光譜匹配度較高，但金屬鹵素燈與氙燈相比擁有兩個優勢。首先，金屬鹵素燈是高效光源，提供更高的輸出，更適合大面積照明。其次，與氙燈相比，金屬鹵素燈發射的紅外線含量更低，這使得對熱的管理更加容易。光學濾鏡可微調光譜輻照度，以提供戶外或玻璃過濾后的戶內日光輻射（圖2）。

圖2 金屬鹵素燈光譜分布

1.3 太陽模擬試驗參數

太陽模擬試驗主要的影響因素為光（輻照度）、熱（溫度）、水（濕度）老化三要素。

太陽光輻射試驗過程中會加速非金屬材料的降解和涂層光化學反應，主要影響因素在光譜的組成、輻照強度和輻照量。金屬鹵素燈光源輻照光譜分布見（表1）[1]。

表1 紫外線、可見光、紅外線三部分所占比例

溫度對汽車材料的老化影響多方面。溫度會加速光對材料老化的作用，在較高的溫度下，分子的活性較大；溫度的周期性變化會導致非金屬材料產生機械應力，特別對于由不同熱膨脹系數材料組成的汽車零部件，如汽車儀表板等，在極端的高低溫循環下產生較嚴重的物理性破壞；水的各種形態也與溫度變化相關，降溫引起水分在材料表面形成凝露，升溫時材料表面水分蒸發，在水分凝露和蒸發的周期過程中，會產生應力，從而對材料產生損壞。

度是影響汽車氣候老化的又一重要因素，水的吸收和脫附狀態交替出現會導致零部件產生應力破碎，水的結冰和解凍循環會導致涂層剝離脫落、零部件開裂斷裂。

2 主流測試條件簡析

2.1 GB/T 2423.24 與IEC 60068-2-5

此標準主要通過模擬是地面上觀測所得的太陽輻射照度和接收的能量強度并結合溫濕度組合而成測試方法。

程序Sa1-周期為24 h，8 h照射，16 h黑暗。

每周期的總輻射量為8.72（kW·h）/m2，接近于最嚴酷的自然條件，當主要關注熱效應時可采用Sa1（圖3）。

圖3 試驗程序Sa1

程序Sa2-周期為24 h，20 h照射，4 h黑暗。

每周期的總輻射量為21.8（kW·h）/m2，當主要關注降解效應時可采用Sa2（圖4）。

圖4 試驗程序Sa2

程序Sa3-連續光照。

程序Sa3 是一個簡化的試驗，適用于循環熱應力不重要只評價光化學效應的情況，該程序還適用于熱容量小的試驗樣品的熱效應（圖5）[2]。

圖5 試驗程序Sa3

2.2 GJB 150.7A 與MIL-STD-810G METHOD 505.5

程序I 著重于太陽輻射產生的熱效應，樣件暴露于模擬世界試劑最大量級的太陽輻射中，24 h 為一個循環，當太陽輻射導致的加熱量級或加熱機理不清楚時，最好采用此方法進行測試（圖6）。

圖6 程序I——循環試驗

程序II 著重于加速太陽輻射產地的光化學效應，他是將樣品暴露于強化的太輻射載荷種（約正常量級的2.5倍），也是24 h 一個循環，每個循環包含4 h 無輻射期，以加速現實正常太陽輻射載荷下需要較長時間才能累積起來的光化學效應（圖7）[3]。

圖7 程序II——穩態試驗

2.3 DIN 75220

此標準為汽車零部件常用的測試，標準中包含了循環測試及耐久測試。通常作為零件量產驗證時會采用循環測試，若是考察材料及產品的耐久性能時常采用耐久測試。

此標準中介紹了一種對設備測試條件驗證的方法，即采用6 號藍羊毛進行48 h 的D-IN1-T，藍羊毛色差▲E=4.3±0.4。若未達到此要求，就需對設備進行調整。

循環測試條件見表2、3。

表2 DIN 75220 干燥氣候循環測試條件

表3 DIN 75220 潮濕氣候循環測試條件

耐久測試條件見表4。

表4 耐久測試條件

室內高低溫條件選擇：

高溫條件：安裝位置受光照強度較強的區域（如：儀表板、內后視鏡、衣帽架等）。

低溫條件：安裝位置受光照強度較低的區域（如：車門內飾板、地毯、座椅等）[4]。

3 太陽輻射試驗技術特點

3.1 測試光譜更貼近陽光光譜，并能夠模擬日落日升工況

太陽模擬試驗設備光源為金屬鹵素燈，相較于碳弧燈、紫外碳弧、氙燈其發光光譜與太陽光更貼合太陽光光譜，試驗結果更具有代表性。尤其是紅外段的熱效應比其他光源更為突出。另外金屬鹵素燈輻照度條件范圍較為寬泛可以模擬出日出、正午、日落等實際使用場景，GJB 150.7A 程序1 就采用了該特點編制的測試方法。

3.2 對樣品限制較少并且能夠模擬不同安裝方式

太陽模擬試驗設備結構有別于傳統的光照試驗設備(熒光紫外設備、氙燈老化試驗設備)，樣品放置方式更為自由，可以通過夾具模擬零部件安裝狀態，也可以通過特殊夾具模擬出不同角度的光照對樣品的試驗效果。并且大型的陽光模擬設備可以進行整車試驗，相較于其他光照測試，其測試工況模擬更為真實。

3.3 進行低溫測試、溫濕度循環等多種特殊工況測試

太陽模擬試驗設備由于其實結構原理更類似于溫濕度試驗箱，可以根據試驗條件設置高低溫+濕度條件，對比碳弧、氙燈、熒光紫外燈等其他光照設備，試驗條件范圍更大，用途更廣。

4 結束語

本文重點在于介紹陽光模擬試驗原理、測試方法、試驗適用范圍等方面，以便于相關技術人員從中根據實車使用條件選擇合適的條件和方法進行測試，以獲得更為有效的測試數據從而指導相關零部件的工藝改進，產品升級。