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光伏汽車行業(yè)的靠性試驗(yàn)—自然暴露試驗(yàn)

日期：2024-12-16 00:03

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摘要：

? 光伏組件的質(zhì)量可靠性與耐久性問題一直困擾業(yè)主方和投資人，組件需要通過怎樣的耐久性試驗(yàn)才能夠保證其25年的壽命。作為與光伏組件同樣應(yīng)用于戶外的工業(yè)產(chǎn)品，汽車行業(yè)也有著保證整車產(chǎn)品15壽命要求，作為百年行業(yè)的汽車業(yè)可以為光伏行業(yè)的質(zhì)量可靠性測試提供什么樣的借鑒，本文闡述了汽車行業(yè)內(nèi)為保障汽車耐久性所應(yīng)用的黑箱試驗(yàn)、整車暴露試驗(yàn)等自然暴露試驗(yàn)，意在為光伏行業(yè)的耐久性測試提供技術(shù)參考。

? 現(xiàn)代的汽車作為廣泛使用交通工具，在其使用壽命期間，可能要?dú)v經(jīng)各種各樣的甚至是非常嚴(yán)酷的環(huán)境條件。為了檢驗(yàn)汽車的環(huán)境適應(yīng)性并控制汽車的生產(chǎn)制造質(zhì)量，國外有名的汽車生產(chǎn)制造商在其質(zhì)量控制體系中運(yùn)用了各種行之有效的環(huán)境試驗(yàn)方法，其中汽車及零部件材料的自然暴露試驗(yàn)方法對這些國外有名的汽車生產(chǎn)制造商是必不可少的。

? 不僅如此，由于汽車上各零部件所處的位置不一樣，其工作環(huán)境也有很大的差異。汽車車身是箱體結(jié)構(gòu)，安裝其上的零部件就有了在汽車車身箱體外部使用的零部件和在內(nèi)部使用的零部件之分，前者暴露部分或全部在自然環(huán)境中，直接接受太陽的光輻射作用，直接接受自然雨雪、冰雹、霜露等侵襲，直接接受風(fēng)沙塵埃、各種腐蝕介質(zhì)的危害。后者幾乎不會(huì)受到環(huán)境氣象因素的直接影響作用，由于相對封閉，汽車車身內(nèi)部**濕度變化不大，但相對濕度變化很大。太陽光輻射透過汽車玻璃發(fā)揮作用，波長較短紫外光的強(qiáng)度明顯減弱。由于汽車汽車車身是箱體結(jié)構(gòu)，在太陽光的輻射下箱體結(jié)構(gòu)有蓄熱效應(yīng)，其上的零部件材料將普遍地承受更高的熱負(fù)荷，具有更高的溫度。而且零部件的位置不同，各自的溫度會(huì)有明顯的差異。本文介紹汽車行業(yè)業(yè)內(nèi)使用的各種自然暴露試驗(yàn)，主要介紹國外汽車業(yè)內(nèi)常用的黑箱試驗(yàn)方法、太陽跟蹤聚光加速試驗(yàn)方法以及整車自然暴露試驗(yàn)方法。

一、黑箱試驗(yàn)

(一)黑箱試驗(yàn)簡介

? 由于汽車整體構(gòu)造為箱體結(jié)構(gòu),所以當(dāng)汽車停放在太陽陽光下時(shí),表現(xiàn)為箱體結(jié)構(gòu)蓄熱效應(yīng),此時(shí)汽車外表面的溫度比單純同樣顏色試樣表面的溫度會(huì)高一些。而當(dāng)在夜晚周圍的空氣將汽車溫度整體溫度冷卻下降后，汽車箱體結(jié)構(gòu)也會(huì)吸收較多的冷量，待到環(huán)境溫度升高時(shí)，緩慢地釋放，從而使汽車外表的溫度比同期單純的同樣顏色的試樣表面的溫度會(huì)低一些。

? 美國通用汽車首先設(shè)計(jì)了由黑色涂層金屬板構(gòu)成的黑箱，用于汽車外飾件自然暴露試驗(yàn)，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中ASTMG7,ASTMD4141以及SAEJ1976都涉及黑箱暴曬試驗(yàn)。

? (二)黑箱試驗(yàn)所用設(shè)備

? 1.黑箱試驗(yàn)中所用設(shè)備是一個(gè)涂有黑漆的頂部開口的金屬箱—稱謂黑箱，黑箱一般由抗腐蝕的金屬制成，外表面應(yīng)涂上黑色、耐高溫的油漆。同時(shí)確保樣品都能正確放置于曝曬區(qū)內(nèi)。

? 2.在黑箱內(nèi)可以添加一加熱系統(tǒng)，該加熱系統(tǒng)在需要的時(shí)候?qū)谙鋬?nèi)的空氣進(jìn)行加熱升溫，從而使黑箱上的試驗(yàn)樣品在試驗(yàn)時(shí)保持一較高的溫度。

(三)黑箱試驗(yàn)的使用

? 1.黑箱試驗(yàn)主要用于汽車外部涂層樣件及其它外部飾件的自然暴露試驗(yàn)。

? 2.黑箱自然暴露試驗(yàn)同直接暴露在大氣中的其它試驗(yàn)一樣，樣品試驗(yàn)時(shí)的老化快慢取決于季節(jié)、地理位置和涂層種類或外飾件的種類。通常情況下在春末、夏天和秋初時(shí)，試驗(yàn)樣品的老化速率較快，此時(shí)的太陽輻射強(qiáng)度高，環(huán)境溫度也高，造成試驗(yàn)樣品本身溫度也高。

? 3.對于具有加熱系統(tǒng)的黑箱的使用：通常用在溫度較低的季節(jié)里，如冬季。此外，若溫度對涂層的老化速率影響較大，為了加快試驗(yàn)速度，在其它季節(jié)里也可使用具有加熱系統(tǒng)的黑箱進(jìn)行試驗(yàn)。

? 4.黑箱試驗(yàn)用于汽車外部涂層樣件，其目的主要是在試驗(yàn)的時(shí)候增加樣件的溫度從而使樣件的試驗(yàn)環(huán)境條件與實(shí)際使用時(shí)，汽車車身近似水平表面的環(huán)境條件接近。此時(shí)黑箱試驗(yàn)可以被看作僅僅是對產(chǎn)品*終使用條件的一種較好模擬的試驗(yàn)。但是如果欲要通過改變樣件的溫度（經(jīng)由具有加熱系統(tǒng)的黑箱實(shí)現(xiàn)）達(dá)到加速樣件老化的目的，黑箱試驗(yàn)可以認(rèn)為是一種戶外加速試驗(yàn)方法。

(四)黑箱試驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備

? 1.試驗(yàn)樣品的基體材料應(yīng)與涂料使用在汽車上*終的基體材料大體相一致：金屬板或塑料板；

? 2.試驗(yàn)樣品的尺寸為100*300mm（4x12in）；也可根據(jù)客戶的要求采用其它樣品尺寸；

? 3.試驗(yàn)樣品要求平整，一般不得扭曲、彎曲，否則會(huì)影響黑箱的密封，進(jìn)而影響黑箱的試驗(yàn)效果。

? 4.對于小型樣品或非剛性樣品，可以采用任何有效的方法將這些樣品貼附在涂有黑色油漆的金屬板上（保證試驗(yàn)期間樣品沒有移動(dòng)），以便放置在黑箱上進(jìn)行試驗(yàn)。

(五)黑箱試驗(yàn)方法

? 1.將試驗(yàn)樣品放在黑箱上時(shí)，樣品之間應(yīng)不留空隙，必須放滿黑箱的表面，如果樣品的數(shù)量不足以覆蓋黑箱用于暴露試驗(yàn)的區(qū)域，必須以涂有黑色油漆的金屬板放滿剩余的位置。

? 2.黑箱應(yīng)放置在暴露支架上，黑箱的*低點(diǎn)距地面應(yīng)大于0.5m。

? 3.黑箱上放置樣品的水平表面試驗(yàn)時(shí)應(yīng)朝南與水平面呈5°。

? 4.用于測量黑板溫度的黑板一般應(yīng)與試樣尺寸一致，并用與樣品相同的方式放在同一試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)（有些標(biāo)準(zhǔn)還要求同時(shí)測量白板溫度）。

? 5.在曝曬過程中，樣品每月都要用水清洗，清洗時(shí)間應(yīng)選擇在清晨凝露結(jié)束以后。

二、太陽跟蹤聚光自然暴露試驗(yàn)

（一）太陽跟蹤聚光自然暴露試驗(yàn)簡介
? 太陽跟蹤聚光自然暴露試驗(yàn)是一種利用太陽跟蹤聚光裝置增加試驗(yàn)期間試驗(yàn)樣品暴露表面的太陽輻射量并提高試驗(yàn)樣品試驗(yàn)溫度的自然暴露試驗(yàn)方法。材料自然暴露試驗(yàn)光老化的主要影響因素為太陽輻射、溫度和水分。因此強(qiáng)化這三者中的任一因素，或它們的組合，都會(huì)加速材料受試樣品的老化。

? 太陽跟蹤聚光裝置強(qiáng)化了太陽輻射、溫度兩個(gè)因素。太陽跟蹤聚光裝置主要有兩個(gè)功能：1利用太陽跟蹤裝置對準(zhǔn)太陽；2利用平面鏡反射太陽光聚焦光輻射，達(dá)到增強(qiáng)光輻射能量目的。1960年前后，ATLAS材料測試技術(shù)公司首先研制了此種設(shè)備。如圖2所示，目前使用的太陽跟蹤聚光裝置均采用菲涅爾反射聚光系統(tǒng)，即把10塊矩形平面鏡反射的光線聚焦到聚光板上，而試驗(yàn)樣品就安裝在聚光板上。這樣的系統(tǒng)正常情況下可使試驗(yàn)樣品得到約8倍的太陽光輻射或5倍的太陽紫外光輻射。*重要的是在這種暴露試驗(yàn)中試驗(yàn)樣品所處的環(huán)境是自然環(huán)境，所接受到的光輻射是真實(shí)的太陽光輻射（反射）。

（二）太陽跟蹤聚光自然暴露試驗(yàn)所用設(shè)備
? 太陽跟蹤聚光裝置上除了裝有10面反射平面鏡的聚光裝置外，另裝有通風(fēng)冷卻系統(tǒng)、樣品加濕裝置、溫度控制裝置及太陽跟蹤系統(tǒng)等。太陽跟蹤聚光裝置上可以在樣品試驗(yàn)區(qū)安裝一黑板溫度計(jì)。該黑板溫度計(jì)用于監(jiān)控試驗(yàn)樣品的表面溫度。

(三)試驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備
3.1樣品的*大長度和寬度不能大于試驗(yàn)區(qū)的長度和寬度；

3.2試驗(yàn)時(shí)所采用的樣品冷卻方式限制了樣品的厚度應(yīng)不超過13mm。
（四)使用太陽跟蹤聚光自然暴露試驗(yàn)的汽車材料
? ①太陽跟蹤聚光自然暴露試驗(yàn)主要用于汽車外飾件，如汽車玻璃、車燈用材料、汽車外部涂料、密封材料等；
? ②太陽跟蹤聚光自然暴露試驗(yàn)也用于某些汽車內(nèi)飾件材料，不過此時(shí)加速試驗(yàn)應(yīng)按玻璃下暴露試驗(yàn)的要求進(jìn)行。

(五)根據(jù)以下任何一種情況，結(jié)束樣品試驗(yàn)：
　　5.1達(dá)到預(yù)定的對比樣品性能變化的百分比；
　　5.2達(dá)到預(yù)定的樣品性能的規(guī)定值。
　　5.3達(dá)到預(yù)定的樣品接受的太陽輻射總量或紫外輻射量：

? 太陽光譜中的紫外輻射導(dǎo)致多數(shù)材料的老化。在太陽跟蹤聚光暴露加速試驗(yàn)中樣品接受的太陽紫外輻射量比在直接暴露試驗(yàn)中增加了數(shù)倍，從而導(dǎo)致樣品老化加快。

? 經(jīng)驗(yàn)表明：在太陽跟蹤聚光裝置上的試驗(yàn)樣品，經(jīng)歷同樣的紫外輻射量，無論在一年當(dāng)中何時(shí)開始試驗(yàn)，老化效果具有可比性。美國ATLAS氣候試驗(yàn)服務(wù)集團(tuán)在太陽跟蹤聚光暴露加速試驗(yàn)中推薦使用太陽紫外輻射量作為試驗(yàn)期指標(biāo)。
（六)太陽跟蹤聚光暴露加速試驗(yàn)的循環(huán)方式
太陽跟蹤聚光暴露加速試驗(yàn)的循環(huán)方式取決于試驗(yàn)材料的*終用途。比如汽車外飾件試驗(yàn)時(shí)需要噴水加濕，汽車內(nèi)飾件則不需要。表1是常用的太陽跟蹤聚光暴露加速試驗(yàn)的循環(huán)方式。
(七)太陽跟蹤聚光自然暴露試驗(yàn)的新進(jìn)展

7.1試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)樣品的溫度控制
? 通過采用變速風(fēng)機(jī)，改變流過樣品表面的風(fēng)速，達(dá)到不同的冷卻效果；在試驗(yàn)區(qū)樣品的背部安裝加熱板，需要時(shí)可以增加試驗(yàn)樣品的溫度；加裝試驗(yàn)區(qū)溫度控制系統(tǒng)，需要時(shí)可以設(shè)定其溫度，并將溫度控制在允許范圍內(nèi)。

?在一年之中的不同季節(jié)開展太陽跟蹤聚光自然暴露試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度存在較大的差別；即使是在每天的早晚試驗(yàn)溫度也比正午時(shí)為低；由于偶爾的氣候的瞬間變化，試驗(yàn)溫度會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)。通過對試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)樣品的溫度有效控制，可以改善試驗(yàn)溫度的波動(dòng)及差異對樣品試驗(yàn)效果的影響，提高試驗(yàn)的可重復(fù)性。

7.2實(shí)現(xiàn)太陽跟蹤聚光裝置上試驗(yàn)區(qū)太陽輻射量的改變通過在太陽跟蹤聚光裝置上安裝數(shù)目不等的反射平面鏡，可以改變試驗(yàn)區(qū)太陽輻射量。反射平面鏡的安裝數(shù)量可以是2、4、6、8、10，取決于客戶的試驗(yàn)要求及材料類型。
　根據(jù)一年之中季節(jié)的變化相應(yīng)地改變反射平面鏡的安裝數(shù)量，如冬季使用較多的平面鏡，而夏季使用較少的平面鏡，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)可以使試驗(yàn)樣品在不同的季節(jié)獲得太陽輻射量趨于一致，試驗(yàn)效果更有可比性。對于客戶提供的對溫度敏感試驗(yàn)材料，如深色熱塑材料，通過與溫度控制系統(tǒng)配合使用，可以獲得更適宜的試驗(yàn)條件，使加速試驗(yàn)與*終使用環(huán)境條件具有更好的相關(guān)性。

三、汽車整車暴露試驗(yàn)
(一)汽車整車暴露試驗(yàn)簡介

? 汽車整車暴露試驗(yàn)就是在選定的暴露場地按要求擺放、操作、檢測的自然暴露試驗(yàn)方法。由于是完整的一部汽車進(jìn)行暴露試驗(yàn)，所以汽車整車暴露試驗(yàn)條件模擬該部汽車*終使用環(huán)境條件。確切地說汽車整車暴露試驗(yàn)主要是對該部汽車*終用戶停放環(huán)境暴露過程的模擬。汽車整車暴露試驗(yàn)有如下特點(diǎn)：

1.汽車整車暴露試驗(yàn)條件模擬該部汽車*終使用環(huán)境條件，所以試驗(yàn)過程中暴露出的問題、試驗(yàn)檢測的結(jié)果真實(shí)可靠；

2.由于是完整的一部汽車進(jìn)行暴露試驗(yàn)，在暴露試驗(yàn)過程中，該車上的所有材料、零部件除了接受環(huán)境應(yīng)力的作用外，它們還會(huì)相互影響；

3.與材料零部件的暴露試驗(yàn)相比，汽車進(jìn)行暴露試驗(yàn)的加速效果*小。

4.性能檢測除外觀性能外，還有使用性能；
5.為了更好地了解影響整車試驗(yàn)環(huán)境因素，可在選定的零件部位上安放傳感器，如溫度、濕度傳感器，太陽輻射傳感器等。（圖5-1整車自然暴露試驗(yàn)）
? 無論是國外廠商還是國內(nèi)廠商均很少制訂專門整車自然暴露試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。美國通用汽車公司、福特汽車公司等沒有整車暴露試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。目前只有德國大眾有一份汽車零部件標(biāo)準(zhǔn)VW50185含有較多的整車自然暴露試驗(yàn)的內(nèi)容。另外國內(nèi)有一份汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T728-2005。國外作整車自然暴露試驗(yàn)或按VW50185標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行或按整車生產(chǎn)廠家提出的要求進(jìn)行。
(三)整車暴露試驗(yàn)試驗(yàn)方法（參照VW50185標(biāo)準(zhǔn)）
1.場地要求：一般為濕熱氣候，如美國佛羅里達(dá)邁阿密暴露場，停車地為草地。或?yàn)楦蔁釟夂?，如亞利桑那鳳凰城暴露場，停車地為砂地。暴露場應(yīng)有排水設(shè)施，應(yīng)確保停車處遇到雨水天氣不會(huì)長時(shí)間地積水。

2．朝向：一般應(yīng)南北朝向自然放置于暴露場內(nèi)。在北半球，試驗(yàn)車的前風(fēng)擋玻璃朝正南方向。在南半球，試驗(yàn)車的前風(fēng)擋玻璃朝正北方向。

3.試驗(yàn)車狀態(tài)

①試驗(yàn)時(shí)，要求試驗(yàn)車的所有車門、車窗和通風(fēng)系統(tǒng)都要緊密關(guān)閉；

②遮陽板：駕駛員位置上的遮陽板在上位；副駕駛員位置上的遮陽板在下位；若有第3個(gè)遮陽板則在下位；

③頭枕：駕駛員側(cè)的頭枕在高位；副駕駛員側(cè)的頭枕在低位

④扶手：乘坐時(shí)放下位置；
⑤方向盤：調(diào)到*高位置；

⑥窗遮陽簾：置于卷起位置；每周放下再卷起操作一次。

⑦玻璃車頂內(nèi)蓋板：如果試驗(yàn)車帶玻璃車頂，玻璃車頂內(nèi)蓋板放在遮住玻璃一半的位置上；

⑧敞篷車車頂：如果試驗(yàn)車是敞篷車，則每7天為一操作周期，并按表5—1要求執(zhí)行狀態(tài)操作：

4．車輛清潔維護(hù)
①車輛外部：每周濕洗一次。用汽車高壓清洗機(jī)清洗，也可以用海綿擦洗。

②車輛內(nèi)部：每月清理一次。清理時(shí)用吸塵器對車輛內(nèi)部各處遍吸一次，用水和洗手皂濕洗車輛內(nèi)部各處，用異丙醇和水**析出物和其它殘留物。

5．檢測評估：
車輛檢測每兩個(gè)月進(jìn)行一次。車輛檢測一般應(yīng)安排在車輛清潔并充分晾干過后進(jìn)行。

①外觀檢測：一般應(yīng)在不受陽光直射，自然光線充足、明亮的地方，進(jìn)行各種老化現(xiàn)象的目測檢查。檢查時(shí)可采用5—10倍放大鏡，對試樣進(jìn)行觀察。

a、目測項(xiàng)目：顏色變化、起泡、裂紋、銹蝕、長霉、起霜、零部件變形、表面發(fā)黏等。

b、儀器檢測項(xiàng)目：色差、光澤等。
②性能檢測：在暴露試驗(yàn)中，整車每周啟動(dòng)一次并運(yùn)行一段時(shí)間（如40min），運(yùn)行前后分別對以下功能件進(jìn)行檢查。

a)檢查空調(diào)、音響及各車燈的工作情況是否正常。

b)檢查刮水器、風(fēng)窗洗滌器、除霜裝置、玻璃升降器、門鎖、內(nèi)鎖提鈕、行李箱門及發(fā)動(dòng)機(jī)蓋等性能是否正常。

c)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等工作情況是否正常及電池充電性能等。

7．整車暴露環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)收集：

汽車內(nèi)外主要零部件表面溫度、汽車內(nèi)部空氣溫度和相對濕度、汽車內(nèi)部太陽輻射量。

? 綜上所述，汽車行業(yè)所使用的戶外試驗(yàn)方法是在盡量模擬產(chǎn)品真實(shí)服役環(huán)境條件下，對其材料及整車進(jìn)行戶外加速試驗(yàn)，進(jìn)而對材料或整車的可靠性、耐久性進(jìn)行評估。對于光伏行業(yè)來說，背板、EVA等組件用封裝材料是否可借鑒文中所述的黑箱試驗(yàn)和太陽跟蹤自然加速試驗(yàn)，結(jié)合已有的IEC標(biāo)準(zhǔn)中提及的實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)對其耐久性進(jìn)行試驗(yàn)與評價(jià)；光伏組件與逆變器等設(shè)備是否可以借鑒整車暴露試驗(yàn)，對其真實(shí)服役環(huán)境條件下的可靠性進(jìn)行評測。
參考標(biāo)準(zhǔn)
1．ASTMD4141對涂層進(jìn)行戶外加速暴露試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法

2.ASTMG90利用自然陽光聚能進(jìn)行非金屬材料戶外加速耐候試驗(yàn)的規(guī)程
3ATLASWeatheringTestingGuidebook
4GM9538P汽車內(nèi)飾件的老化暴露試驗(yàn)

5GMW3417汽車內(nèi)飾件的老化暴露試驗(yàn)
6SAEJ1976外飾件的戶外老化試驗(yàn)

7SAEJ1961以菲涅耳反射聚集日光儀對汽車外飾件所進(jìn)行的加速暴曬測試

8SAEJ2230汽車裝飾材料的加速曝曬

9VW50185車輛零部件耐候性
　　

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