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纖維增強復合材料是由增強纖維材料，如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維以及其他纖維，比方有亞麻、棉或竹纖維等，與基體材料（樹脂基復合材料、金屬基復合材料和陶瓷基復合材料）等經(jīng)過纏繞，模壓或拉擠等形成的復合材料。光老化是評估復合材料在光照環(huán)境下耐老化性能的關鍵手段，通過模擬自然氣候中的光照、溫度、濕度等因素，加速復合材料老化的過程，預測其使用的壽命。目前紫外線老化測試、氙燈老化測試、碳弧燈老化測試是三種主流方法，其各自核心原理、適用場景以及標準都存在明顯差異，我們就從“紫外線UV老化測試”開始學。 

熒光紫外線老化箱

一、纖維增強復合材料紫外線老化概念

將纖維增強復合材料試樣暴露于紫外線輻射下（在實驗室加速設備中，紫外線波段280-400期間），經(jīng)過一定時間或能量后，對其外觀、物理特性、耐化學試劑和力學性能的變化進行量化評估的一系列實驗方法。其目的是了解材料的耐候性，預測其使用壽命，并為改進材料配方和工藝提供數(shù)據(jù)支持。

二、纖維增強復合材料紫外線老化測試方式

紫外線老化測試可以分為光照、冷凝和噴淋3種組合模式，來模擬自然環(huán)境中數(shù)年的老化效果。

2.1光照階段用于模擬自然環(huán)境中的白天，光照時可以控制光照強度，通常設置為0.35W/㎡~1.35W/㎡（夏季正午太陽光照強度約0.55W/㎡），溫度控制在50℃~85℃；

2.2冷凝階段用于模擬夜晚樣品表面結(jié)露的現(xiàn)象，冷凝階段關閉熒光紫外燈（黑暗狀態(tài)），只控制試驗溫度（40℃~60℃）和濕度（95%~*RH）；

2.3噴淋階段通過向樣品表面持續(xù)噴水模擬下雨的環(huán)境。

三、纖維增強復合材料紫外線老化測試光源類型

熒光紫外燈與普通用的照明燈比較類似，它主要是發(fā)出紫外光，使用熒光紫外燈再現(xiàn)太陽光的老化作用。常見的有UVA-340、UVA-351和UVB-313種燈管，所有類型的燈管都發(fā)出紫外光而不是紅外光或可見光。由于這些燈管發(fā)出的能量和光譜分布不同，因而具體使用燈管應視應用條件而定。

3.1長波紫外燈(UVA燈)

UVA燈在發(fā)射300nm以下的光能低于輸出光能的2%，在295nm的普通太陽光波長截止點以下幾乎沒有任何的紫外線輸出，它們通常不像短波紫外線破壞材料那么快，但它們比較接近真實的戶外老化。常見的有UVA-340、UVA-351兩種燈管。

波長/nm

（圖一）

UVA-340燈管的光譜分布和戶外太陽光的紫外波段相近（如圖一所示），一般用于常規(guī)戶外產(chǎn)品的光老化試驗。UVA-340燈管能發(fā)出從295～365nm之間的*接近太陽光的光譜，它的輻射峰值是在340nm。UVA-340燈對不同試驗方法的測試對照具有較大的參考作用。 UVA-351燈管（圖二）可以模擬透過玻璃窗戶的太陽光的紫外線部分，主要用于室內(nèi)產(chǎn)品的老化測試。

3.2短波紫外燈（UVB型燈管）

短波紫外線燈輻射波長低于295nm的非自然短波紫外線（如圖二所示），使材料腐蝕得較快，常見的有UVB-313燈管。 UVB-313燈管的條件*為嚴格，能產(chǎn)生較高強度的紫外線，它們能夠比UVA燈管更快地引起材料老化。UVB 燈管能夠利用紫外線的短波段達到*快加速老化的目的，對特別經(jīng)久耐用的材料的檢測非常有用。

波長/nm

圖二

3.3輻照度控制

大多數(shù)型號的紫外老化設備都裝備有日光眼光強控制器，利用日光眼的反饋循環(huán)系統(tǒng)，可以連續(xù)自動地控制且地保持輻照度。日光眼能依靠調(diào)整燈的功率來自動補償因燈管老化和其他因素造成的光強變化。由此可知，紫外老化設備的日光眼控制系統(tǒng)在保持光譜穩(wěn)定性方面起到了至關重要的作用。

3.4潮濕模擬

熒光紫外線老化箱的水槽可以用來加熱產(chǎn)生水蒸氣，在相對較高的溫度下，熱蒸汽使測試室內(nèi)保持較高的相對濕度。室內(nèi)相對較冷的空氣使得試驗樣品表面溫度比測試室內(nèi)熱蒸汽溫度低，這一溫度差造成冷凝效應，在樣品表面形成液態(tài)形式的水慢慢地凝結(jié)。使用熒光紫外線老化箱進行長時間的熱和冷凝循環(huán)過程來模擬戶外的潮濕現(xiàn)象，比使用濺水、浸水方法更有效。除了標準的冷凝效應外，熒光紫外線老化箱還可以用水噴淋來模擬雨水的影響，潮濕循環(huán)和紫外線照射同步地進行。

四、紫外線對纖維增強復合材料的影響

4.1光化學作用

紫外線輻射具有能量高，波長短的特點，能夠激發(fā)復合材料分子中的化學鍵，導致分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在紫外輻射下，復合材料中的光敏物質(zhì)會吸收紫外光能量，產(chǎn)生自由基，引發(fā)一系列光化學反應。

這些化學反應包括：

1）光氧化反應：紫外線輻射使復合材料中的不飽和鍵斷裂，產(chǎn)生自由基，自由基與氧分子反應，形成過氧化物。

2）光聚合反應：紫外線輻射使復合材料中的單體分子聚合，形成聚合物。

3）光降解反應：紫外線輻射使復合材料中的聚合物分解，產(chǎn)生小分子。

4.2光物理作用

紫外線輻射使復合材料分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導致材料性能下降。光物理作用主要包括以下幾種：

1）分子振動：紫外線輻射使復合材料分子振動增強，導致分子間相互作用力減弱。

2）分子轉(zhuǎn)動：紫外線輻射使復合材料分子轉(zhuǎn)動加劇，導致分子結(jié)構(gòu)扭曲。

3）分子遷移：紫外線輻射使復合材料發(fā)生遷移，導致材料性能發(fā)生變化。

五、纖維增強復合材料紫外線老化后各項性能測試

在紫外線老化試驗后，需要對復合材料的性能進行測試，比對，以評估其老化程度。

5.1外觀檢查

外觀檢查是通過觀察材料樣品的顏色、光澤、表面狀態(tài)等變化，來評估其老化程度。

5.2.物理性能變化

紫外線輻射后使復合材料物理性能發(fā)生變化，通過以下幾個方面來評估其老化程度：

1）力學性能：紫外線輻射導致復合材料力學性能下降，舉例：拉伸強度、彎曲強度等；

2）熱性能：紫外線輻射導致復合材料性能發(fā)生變化，舉例：熱膨脹系數(shù)、熱穩(wěn)定性等；

3）電性能：紫外線輻射導致復合材料電性能發(fā)生變化，比方絕緣電阻、介電常數(shù)等；

5.3化學性能變化

紫外線輻射導致復合材料化學性能發(fā)生變化，比方耐化學腐蝕性、耐溶劑性等來評估其老化程度。

六、纖維增強復合材料紫外線老化測試適用標準：

l 標準：

GB/T 16422.3-2022塑料 實驗室光源暴露試驗方法 第3部分：熒光紫外燈；

GB/T 16585-1996硫化橡膠人工氣候老化(熒光紫外燈)試驗方法；

GB/T 14522-2008機械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗方法 熒光紫外燈；

GB/T 23987-2009 色漆和清漆涂層的人工氣候老化暴露（熒光紫外燈和水），結(jié)合紫外燈和濕度測試；

l 美國標準：

ASTM G154-2016操作熒光紫外（UV）燈設備對非金屬材料進行曝露的標準實踐；

ASTM D4329-2021塑料熒光紫外曝露的標準實踐；

ASTM D4587-11(R2019)涂層及相關產(chǎn)品熒光紫外-冷凝曝露的標準實踐；

ASTM D1148-13橡膠變質(zhì)的標準試驗方法——淺色表面因紫外線（UV）或紫外/可見輻射和熱曝露而變色；

ASTM C1442-14使用人工氣候老化設備對密封劑進行測試的標準實踐；

ASTM D925-14橡膠性能的標準試驗方法—表面的污染（接觸、遷移和擴散）；

l 美國紡織化學家與染色家協(xié)會：

AATCC 186-2015e2紡織品耐氣候性:紫外光和濕態(tài)曝曬；

l 德國汽車行業(yè)標準：

VDA 232-201-2013 汽車內(nèi)飾中的材料測試；有色材料；光穩(wěn)定性測試；

l 日本標準：

JIS K 7350-3:塑料-實驗室光源暴露方法-第3部分：熒光紫外燈；

l 國際標準：

ISO 4892-3：塑料 - 實驗室光源暴露方法 - 第3部分：熒光紫外燈；

ISO 16474-3:2013色漆和清漆 — 實驗室光源暴露方法 — 第3部分：熒光紫外燈；

l 國際自動機工程師學會標準：

SAE J2020：使用熒光紫外和冷凝裝置加速暴露汽車外飾材料；

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深圳中翔檢測技術有限公司，實驗室位于特區(qū)深圳，專注于為客戶提供金屬材料制品，塑料橡膠制品，倉儲貨架，汽車零部件，軌道交通部件，緊固件，油漆涂料，

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