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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，熱蒸汽使測試室內保持較高的相對濕度。室內相對較冷的空氣使得試驗樣品表面溫度比測試室內熱蒸汽溫度低，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。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，導致分子結構發(fā)生變化。在紫外輻射下，復合材料中的光敏物質會吸收紫外光能量，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構發(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）分子轉動：紫外線輻射使復合材料分子轉動加劇，導致分子結構扭曲。

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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