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汽车饰件在吐鲁番双重极端环境中的耐候性表现及分析
2022-01-13 19:02:32· 来源：AUTO内饰行家
文章对近4年以来在新疆吐鲁番盆地开展自然气候环境老化试验的32辆试验车的老化问题进行了统计分析，并结合皮尔逊相关系数法，考察变形、松动、异响、变色、渗析
文章对近4年以来在新疆吐鲁番盆地开展自然气候环境老化试验的32辆试验车的老化问题进行了统计分析，并结合皮尔逊相关系数法，考察变形、松动、异响、变色、渗析物、脱胶和操作力异常等常见劣化现象出现频次随季节的变化。结果表明，变形、松动及异响等力学性能变化现象在全年持续出现; 变色、脱胶和渗析物等劣化现象主要集中出现在夏季中后段; 冬季低温环境容易产生操作力异常等阶段性或永久性的劣化现象。
关键词：汽车饰件 大气暴晒试验 极端环境 耐候性 皮尔逊相关系数
作者：罗国海 郁晓斐 李君明
单位：上汽大众( 吐鲁番) 试验中心有限公司
引言
汽车饰件包括内饰件和外饰件，指的是具有一定的装饰性、功能性、安全性或工程属性的零部件。高分子材料因其密度小、工艺性好、成本低廉、适应性强等特点在汽车饰件中得到广泛应用。汽车作为全天候使用的户外产品，在不同的自然环境使用过程中，车用高分子材料会不可避免地发生老化现象，表现为外观或性能劣化，如: 塑料热变形;塑料、橡胶和织物褪色; 塑料和橡胶脱胶、龟裂及助剂析出等。汽车自然气候老化试验，是为了预见并解决这些问题，从而不断提升产品质量。在汽车领域，自然气候老化试验通常被称为“大气暴露试验”，部分汽车公司称之为“大气暴晒 试验”。
“大气暴露试验”强调的是让整车置于典型室外大气自然环境条件下，使其经受阳光、温度、湿度、雨水、氧、臭氧及其他环境因素的综合作用。“大气暴晒试验”更多地是强调高温和强辐射对材料老化的影响。一般认为，温度、辐射和湿度是影响材料老化的三大主要因素。长期研究表明，对于大气暴晒试验而言，沿海的湿热气候和荒漠的干热气候最为严酷，具有较为广泛的代表性。西南技术工程研究所在研究中发现，漠河等寒冷低温环境会使高分子材料产生特有的老化现象，如橡胶件和皮革制品的硬化和开裂等。
新疆吐鲁番盆地艾丁湖区域地表多为盐碱地，植被稀疏，常年干旱，气温比吐鲁番市区更为极端。根据现场气象监测数据与吐鲁番市气象站公布的气象数据对比，该区域夏季日最高气温比吐鲁番市区约高3－4 ℃，极端可达50 ℃以上;冬季最低气温比市区约低8℃，可达－20℃ 以下。该区域兼具夏季干热和冬季严寒属性。本文以近 4年以来在该区域开展大气暴晒试验的32辆试验车为考察对象，阐述汽车饰件在吐鲁番双重极端环境中的耐候性表现。
试验开展
试验气候条件
上汽大众新疆试车场(以下简称“试车场”)地处艾丁湖区域，位于北纬42°43'，夏、冬季辐射强度差别大。试车场现场监测气象数据显示: 吐鲁番盆地艾丁湖区域夏季最高气温一般出现在7月，当月白天气温通常在40℃以上; 冬季最低气温一般出现在1月，当月白天气温通常在－5℃以下，夜间最低气温在－20℃左右;夏季室外相对湿度一般在 20% 以下。以2018－2020年气象监测数据为例，试车场月平均气温和水平辐射总能量如图1所示。
试验标准
试验按照大众汽车集团企业标准VW50185－2016执行，场地条件符合GB/T40512－2021《汽车整车大气暴露试验方法》。试验车辆水平正朝南静置于沥青地面所有门窗与通风口紧闭，天窗遮阳帘(如有)开启一半(GB/T40512－2021为开启1/4) ; 布置左右对称的零部件，左右零部件分别处于不同极限状态，如左遮阳板收合、右遮阳板完全展开且状态每周交替，左侧座椅头枕置于上极限位置、右侧置于下极限位置，左安全带高度置于最低位置、右侧置于最高位置。为降低灰尘等异物对辐射的影响，采用纯净自来水，每周清洁车辆外部一次，每月清洁车辆内饰一次。对于冬季室外气温在冰点以下的情况，每两周吹扫车辆表面浮尘。每周至少启动发动机一次，检查并操作车辆电器设备。每两个月对车辆内外饰件和电器功能进行全面的主观评价( 即车辆检查)，记录车辆零部件劣化现象。车辆检查由两名( 或以上)环境老化试验工程师参与。
试验车辆
高配车型通常配备更为丰富的内、外饰件，使用更高档的材料，在耐候性方面值得重点考察。因此，大气暴晒试验车辆一般选取车型的顶级配置。为达到最大的温度载荷，车身和内饰均选取全系最深的颜色。本文以32辆试验车为分析样本，试验开始时间在2018年5月至2020年7月期 间，最后一次车辆检查时间为2021年8月。
为了观测汽车主要区域在暴晒条件下的主要温度变化，在其中1辆试验车上布置了热电偶温度传感器，持续1年监测测点附近的温度变化。温度采集频次为1次/min。
结果与讨论
温度监测结果显示(见图2) ，车内空气温度(驾驶员头部区域)和车顶外部表面夏季最高温度在80℃左右，远高于室外环境温度；汽车仪表板靠近挡风玻璃区域夏季最高气温在 110℃左右，远高于车内空气温度。这主要是由于白天阳光透过前挡玻璃引起的附加温升，造成汽车内部密闭空间温度较高，而仪表板直接承受辐射载荷较大。因此，在进行仪表板材料设计选型时应充分考虑这一因素。所有测点冬季最低温度均在－20℃以下，与环境温度接近。
汽车饰件的材料和结构各异，试验车呈现出数十种形态的劣化现象。在这些劣化现象中，总结了10种出现频次较高且较为典型的劣化问题，这些问题的总数量为509次，如图 3所示。
耐候性表现及分析
为了充分利用夏季高温强辐射的气候环境，车辆试验通常开始于夏季初，结束于次年夏季末，因此在夏季进行的车辆检查次数明显多于冬季。为了客观反映劣化现象在不同月份出现(新增)的概率，以车辆检查发现新增问题的频次( 在不同年份、不同车辆新增问题数量除以该月份车辆检查 车次)作为评判要素。
变形、松动和异响问题主要由结构热变形导致且相互影响，因此，对这3种形态的劣化现象进行合并分析。
现象一: 变形、松动和异响的劣化现象在全年持续出现，未出现明显波峰
如图4所示，全年频次数值始终维持在2.5附近。由此表明夏季高温强辐射并不是导致汽车内外饰件结构性能变化的唯一因素。冬季严寒、春秋季昼夜温差冲击，都会引起饰件产生结构性能变化。试验中还发现:经历冬季低温环境暴露之后，汽车硬质内饰板(如后盖内饰板、门内饰 板)之间匹配易出现松动现象;夏季高温条件下，不同零部件的装配接触面( 如车门内扶手与门板 之间) 易出现挤压异响的问题，随着车体温度的恢 复，部分异响问题有所缓解。
现象二: 变色、助剂析出和脱胶的劣化现象集中出现在夏季
如图5，变色、助剂析出和脱胶的老化现象主要出现在夏季，其他季节极少新增此类劣化问题。变色部位主要是受阳光直射的表面，如门柱外饰盖板、进气格栅、车门下护板，多呈现为材料局部表面褪色或发白，说明太阳辐射产生的光效应和热效应是造成塑料材料老化的主要因素。
助剂析出现象主要出现在汽车内饰板和橡胶表面，呈现为白色污浊或者霜状。在车用复合材料改性过程中，会添加一些小分子量助剂，如增白剂、爽滑剂、阻燃剂、塑化剂、稳定剂、抗冲击剂，但这类助剂与基体材料相容性较差。车用复合材料的助剂析出，是指这类小分子量添加助剂随着时间的推移，从基体内慢慢迁移至材料表面。当温度升高，无定形链段热运动将会变快，这时相容性较差的阻燃剂会克服内在的阻力，逐渐地迁移到表面形成析出现象。故在材料设计选型时，需考虑应用中的温度载荷。
脱胶主要存在于车门橡胶密封条与车门钣金之间的双面胶粘带连接。试验研究表明，橡胶密封条在高温环境下受热伸长明显，而车门钣金受热伸长有限，它们之间显著的伸长差异使双面胶粘带承受较大的剪切应力，这是导致橡胶密封条脱胶的重要因素。有文章指出，在车门橡胶密封条与胶粘带粘合的部位增置玻璃纤维绳可以有效减少橡胶密封条脱胶现象。
现象三: 在冬季低温状态下易出现操作力异常的现象
如图6所示，操作力异常(如出风口拨片和滑轨式座椅头枕调节力度高于正常值)的劣化现象主要集中在冬季。这些劣化现象通常由材料的硬化、机械强度降低和不同程度的收缩变形、低温环境润滑脂性能降低等多种因素综合导致。需要指出的是，操作力异常现象多半会随着环境温度的升高而恢复正常。
现象四: 电镀装饰表面裂纹主要在夏季高温条件 下发生，冬季塑料件出现开裂
中高级汽车常在外饰塑料件(如车顶行李架、车窗外压条、进气格栅等)和内饰塑料件(如内开扳手、嵌饰条等)表面增加电镀层(通常为镀铬或镀锌)，从而提高美观度。试验中发现，外饰电镀涂层在夏季高温强辐射条件下可能出现不规则裂纹，且部分裂纹只有在特定阳光照射角度下才会呈现，如图7所示。
试验中还发现，经历冬季严寒的气候环境，少数试验车遮阳板转侧向翻转阻力几乎降为零。阻力的消失可能导致车辆在转弯行驶过程中遮阳板突然拍打前排人员头部，引起用户抱怨。对问题件进行拆解分析，发现遮阳板支撑脚导套开裂，进而导致阻力大大降低或消失，如图8所示。这是 由于在冬季低温环境下导套材料力学性能下降， 同时由于热胀冷缩导致应力过大，从而引起导套开裂。
由于上述问题出现频次较低，不具备统计意义，不绘制相应的时间－频次曲线。
相关性分析
皮尔逊相关系数法是一种度量两个变量之间的关系密切程度的统计学的方法，对于两个变量x和y，通过试验可以得到N组数据，其皮尔逊相关系数的表达式为
皮尔逊相关系数值介于－1和1之间，绝对值越接近1，表明相关性越强。一般认为，皮尔逊相关系数在0. 8－1之间，表明相关性极强;在0. 6－0. 8之间，表明强相关;在0. 4－0. 6之间，表明中等程度相关;低于0. 4，表明两者弱相关或不相关;系数为正，表明正相关;为负，表明负相关。
温度与辐射本身呈现极强的相关性。由于相关性具有传递性，因此，难以从数学角度区分劣化现象与这两种因素的相关性，这里只分析劣化现象与温度的关系。以月平均气温作为x变量，计算得到不同y变量与气温的皮尔逊相关系数，从而验证不同老化现象与月平均气温的关系。计算结果见表1。从表1可看出:
( 1) 变色、析出物和脱胶现象与气温呈现出明显的正相关性，更容易在夏季高温/强辐射环境下出现;
( 2) 操作力异常现象与气温呈现出较强的负相关性，倾向于在冬季低温条件下出现;
( 3) 结构热变形所产生的“变形+松动+异响”现象总体与气温相关性较弱，在季节上没有明显的偏向性。
由于电镀层裂纹和塑料件开裂案例较少，在此不进行相关性计算分析。
结语
在吐鲁番盆地艾丁湖区域进行的整车大气暴晒试验结果显示，高温和强辐射是汽车内外饰件材料老化的最主要因素，尤其变色、助剂析出和脱胶等劣化现象主要发生在夏季。结构热变形所引起的非金属饰件变形、松动和异响等劣化现象，除了夏季高温以外，冬季的严寒和较大的昼夜温差也是其影响因素。除了个别零部件材料在冬季出现开裂等极端情况以外，大多数在冬季所特有的劣化现象对于大部分用户而言尚可接受，冬季严寒环境对全年大气暴晒试验影响相对较小。
近年来，我国整车自然环境试验正在不断完善。早在 2005 年颁布实施了汽车行业标准QC/T 728－2005《汽车整车大气暴露试验方法》，长期以来对国内汽车行业的老化试验有着重大指导意义。2021年8月，国家标准委员会公布了GB/T 40512－2021《汽车整车大气暴露试验方法》并 将于2022年3月实施，进一步优化了整车自然环境试验方法。正是因为汽车企业对于自然环境老化试验的重视和试验方法的不断完善，出现在试验车上的老化问题有逐年改善的趋势。大面积褪色、电镀层氧化斑点或脱落、塑料件开裂、结构件严重变形等以往较为典型且恶劣的老化现象在整车上已不复存在或者极少出现。
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