美國(guó)阿特拉斯戶外紫外加速試驗(yàn)系統(tǒng)跟蹤研究

朱玉琴，楊華明，楊曉然，張燕

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.重慶市環(huán)境腐蝕與防護(hù)工程技術(shù)研究中心，重慶 400039）

美國(guó)阿特拉斯戶外紫外加速試驗(yàn)系統(tǒng)跟蹤研究

朱玉琴1，2，楊華明1，2，楊曉然1，2，張燕1

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.重慶市環(huán)境腐蝕與防護(hù)工程技術(shù)研究中心，重慶 400039）

詳細(xì)剖析了美國(guó)阿特拉斯研發(fā)的紫外加速試驗(yàn)系統(tǒng)（UAWS）的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和功能，同時(shí)通過(guò)該系統(tǒng)樣品暴露1年接受的紫外輻射量與佛羅里達(dá)州南45°、使用SAE J2527氙弧暴露、ASTM G90標(biāo)準(zhǔn)方法之間的量值比較，對(duì)該系統(tǒng)的加速性和相關(guān)性進(jìn)行了闡述。

UAWS；加速性；相關(guān)性

近年美國(guó)阿特拉斯耐候試驗(yàn)集團(tuán)開發(fā)了一種新型戶外加速試驗(yàn)設(shè)備——紫外加速氣候系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用菲涅爾反射鏡可聚焦自然光中的紫外部分，聚焦后的強(qiáng)度是自然光的50～100倍。試驗(yàn)表明，利用該裝置1年接受的紫外輻照量相當(dāng)于南部佛羅里達(dá) 63年 45°紫外輻射總量。該系統(tǒng)與以往反射聚能試驗(yàn)裝置相比，可顯著提高單位時(shí)間內(nèi)的紫外輻射，且對(duì)自然光中的紫外光譜部分能量有較高保真度，同時(shí)可減弱其中的可見光和紅外光部分，能維持樣品可接受的暴露溫度。

1 結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用29塊反射元件，構(gòu)成一臺(tái)大約5 m焦距的聚焦光學(xué)系統(tǒng)。樣品安裝在面向聚焦點(diǎn)，距離聚焦點(diǎn)約2.5 m處，以此達(dá)到100∶1直接法向聚光系數(shù)。該系統(tǒng)主要由反射元件、集光器、目標(biāo)區(qū)及目標(biāo)區(qū)均勻性檢測(cè)裝置等四大部分構(gòu)成[1]，如圖1所示。

1.1 反射元件

每個(gè)反射元件規(guī)格為370 mm×370 mm，每個(gè)面經(jīng)過(guò)磨削和拋光，并沿四周磨成斜面，用于安裝和校正的三個(gè)附著點(diǎn)設(shè)在反射元件的背面，反射元件結(jié)構(gòu)如圖2所示。反射元件表面均采用了基于傳統(tǒng)電子束蒸發(fā)工藝的96層選擇性反射涂層，涂層采用幾個(gè)1/4波長(zhǎng)的具有高、低折射率的材料交替組成干涉反射包系統(tǒng)。從這一過(guò)程中得到的絕對(duì)反射率光譜如圖3所示。針對(duì)反射元件的失效機(jī)制、失效模式及性能演變規(guī)律，NREL實(shí)驗(yàn)室的Wesley Jones等人已做了深入的研究[2—7]。

圖1 紫外加速氣候系統(tǒng)Fig.1 UV accelerated weathering system

圖2 反射元件結(jié)構(gòu)Fig.2 Reflective element structure

圖3 反射鏡的反射光譜Fig.3 Reflectance spectrum of mirror face

反射元件表面的聚合物鏡薄膜具有94%的太陽(yáng)-加權(quán)半球反射率，在25mrad（1.4°）波長(zhǎng)為660 nm的全部接受角處有 94%的鏡面反射率。聚合物鏡薄膜由多層銀反射層組成，防止受UV（紫外線）而退化。該薄膜有一層可剝離的表面來(lái)保護(hù)鏡面，直到反射元件最終安裝成功。邊緣帶用來(lái)保護(hù)鏡膜的邊緣，避免長(zhǎng)期受到風(fēng)吹、潮濕環(huán)境和機(jī)械的損傷[8]。

相對(duì)于太陽(yáng)光譜，反射元件薄膜的反射率如圖4所示，薄膜在大多數(shù)太陽(yáng)能可用的波長(zhǎng)區(qū)域具有很高的反射率。拋物線槽鏡面反射如圖5所示，當(dāng)疊層在鋁基板上時(shí)，聚合物膜反射鏡具有很高的鏡面反射率。

圖4 反射薄膜和太陽(yáng)光譜的光譜反射率Fig.4 Spectral reflectance of Reflectance Film and Solar Irradiance

圖5 拋物線槽鏡面反射Fig.5 Specula Reflectance for Parabolic Trough

1.2 集光器

集光器是聚集太陽(yáng)光、反射并聚集光能到目標(biāo)區(qū)域面的組裝塊件。集光器的設(shè)計(jì)是把集光小塊控制在一個(gè)接近10 m的凹球面位置，鏡面支撐構(gòu)架在水平和垂直方向形成圓弧的集光塊。29個(gè)反射小塊使用三點(diǎn)固定的五金附件，安裝在支撐構(gòu)架上。為了避免支撐結(jié)構(gòu)曲率與小塊的干涉，小塊的四周做了稍微修整。集光器結(jié)構(gòu)如圖6所示，在目標(biāo)平面上的聚焦光束如圖7所示。

圖6 集光器支撐結(jié)構(gòu)Fig.6 Collector support structure

圖7 反射面、集光結(jié)構(gòu)及樣品區(qū)域的聚光束Fig.7 Reflective facets, collector structure, and Focused beam in target area

1.3 目標(biāo)區(qū)域

為了達(dá)到100∶1直射法向聚光系數(shù)，樣品面向集光器安裝，距離聚焦點(diǎn)約2.5 m處。為了適應(yīng)這一位置，目標(biāo)區(qū)域的支撐臂結(jié)構(gòu)應(yīng)能附隨集光器結(jié)構(gòu)，使整個(gè)系統(tǒng)可以對(duì)準(zhǔn)并跟蹤太陽(yáng)。上述結(jié)構(gòu)使得在一個(gè)150 mm×150 mm的目標(biāo)區(qū)域具有大約100∶1直射光強(qiáng)度。

在面向聚焦點(diǎn)、距離反射鏡2.5 m處，目標(biāo)區(qū)域的支撐臂有堅(jiān)硬的附件，以適應(yīng)各種試樣的安裝設(shè)備。這種靈活的連接平臺(tái)，可以適合各種樣品夾具，從而為各種材料、安裝配置以及研究項(xiàng)目的要求提供一個(gè)可定制的測(cè)試平臺(tái)。到目前為止，這些配置包括：安裝特定的輻射儀器、安裝有背襯和無(wú)背襯樣品、前置樣品夾具、空氣冷卻標(biāo)版、背面水冷安裝面、多目標(biāo)區(qū)域夾具和具有特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)境室等。沿目標(biāo)區(qū)域的支撐臂通過(guò)配送維修線已經(jīng)成功地把發(fā)電設(shè)施、溫度測(cè)量熱電偶絲、冷卻水和一個(gè)真空源傳送到了目標(biāo)區(qū)域。軸向風(fēng)機(jī)和光束衰減器也已成功安裝到目標(biāo)區(qū)域的支撐臂上。這種靈活性對(duì)于廣范圍材料類型進(jìn)行各種加速測(cè)試程序非常重要。

集光器與目標(biāo)區(qū)域的支撐臂安裝在高精度的商用太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)中，它能在整個(gè)白天對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)圓盤集光器的切線方向（系統(tǒng)在多云條件不能操作）。第一臺(tái)裝置已安裝完畢，目前正在 Atlasˊ DSET實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行。

1.4 目標(biāo)區(qū)均勻性檢測(cè)裝置

在ATLAS試驗(yàn)場(chǎng)亞利桑那州生成了一系列流量圖來(lái)描述該系統(tǒng)的目標(biāo)和流量分布。用一塊355 mm×460 mm的火焰噴涂氧化鋁板進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域試樣均勻性測(cè)試。流量繪圖系統(tǒng)包括一臺(tái)攝像機(jī)、一個(gè)鏡頭、一個(gè)框架接收器板以及 Coherent的BeamView軟件。系統(tǒng)提供的目標(biāo)區(qū)域均勻性評(píng)估如圖8所示。

圖8 一致性流量測(cè)試圖像Fig.8 Images from flux uniformity measurements

圖8a為目標(biāo)輪廓圖，圖像亮度與流量強(qiáng)度相關(guān)。圖像中的白色正方形是150 mm×150 mm的樣品目標(biāo)區(qū)域。圖8b為三維圖像，所有集光小塊均未遮蓋，表示100倍的紫外光譜。使用BeamView軟件，計(jì)算得出在這個(gè)盒子內(nèi)的光強(qiáng)度均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差是平均值的±4.6%。

2 功能

2.1 輻射量測(cè)定

材料的性能退化通常以退化曲線來(lái)表征，其中y軸代表性能退化，x軸代表紫外輻射量。目標(biāo)區(qū)域的輻射量=正常的紫外線輻射量×反射鏡的紫外反射率×反射鏡的個(gè)數(shù)×每個(gè)反射鏡的光集中系數(shù)；瞬時(shí)輻射量×暴露持續(xù)時(shí)間=樣品暴露在 295～385 nm光譜區(qū)的暴露輻射量，以MJ/m2表示。

通過(guò)使用UAWS系統(tǒng)可計(jì)算出預(yù)期的暴露輻射量，同時(shí)對(duì)使用UAWS的暴露輻射、自然暴露及普通加速方法三者之間進(jìn)行比較。例如，從歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，亞利桑那州試驗(yàn)場(chǎng)紫外線正常暴露輻射量每年平均約162 MJ/m2。按照以上的計(jì)算方法，使用29個(gè)集光小塊，0.95的紫外線反射率和4倍的光集中系數(shù)，樣品在目標(biāo)區(qū)域每年可能有平均約17 852 MJ/m2的紫外線輻照量。

相比之下，佛羅里達(dá)歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，在朝南45°方向，1年大約有275 MJ/m2的紫外線輻照量。由此可知，UAWS的紫外強(qiáng)化倍率約為63倍。類似的比較結(jié)果表明，使用SAE J2527氙弧暴露需要大約13～17年[9]，使用現(xiàn)行ASTM G90標(biāo)準(zhǔn)方法大約需要 13～14年，才能達(dá)到在超高加速裝置 1年的輻射量[10]。

2.2 暴露溫度

經(jīng)受紫外加速耐候性試驗(yàn)的樣品，其溫度為材料特性和暴露條件的復(fù)合函數(shù)。因此，特定樣品在紫外加速暴露時(shí)達(dá)到的實(shí)際溫度，取決于材料和暴露條件。

某些面板在有底襯的情況下直接正對(duì)太陽(yáng)安裝（安裝在膠合板上），而另一些被修整到約 75 mm×55 mm，安裝在UAWS目標(biāo)區(qū)，后面安裝有使用冷卻水的冷卻盤，冷卻水循環(huán)到冷卻盤使黑板背面冷卻。冷卻水設(shè)置到系統(tǒng)的最低溫度，以提供系統(tǒng)最低溫度性能，以此可與黑板自然暴露溫度進(jìn)行比較。面板分別在UAWS與自然光照射下測(cè)得的溫度情況如圖9所示，數(shù)據(jù)表明，黑板溫度在紫外加速暴露條件下，接近環(huán)境空氣溫度，并且遠(yuǎn)低于有底襯黑板的直射暴露溫度。

圖9 紫外加速和直射黑板溫度Fig.9 UV-accelerated and direct black panel temperatures

3 加速性和相關(guān)性

對(duì)于該系統(tǒng)最基本的相關(guān)性和加速性研究，使用由EMPA（瑞士材料實(shí)驗(yàn)所）制定的歐洲標(biāo)準(zhǔn)參考材料ORWET。ORWET是一種粘附在鋁基板上的彩色薄膜，它是一種 Ciba顏色的三聚氰胺甲醛樹脂涂料，因其在紫外線輻射暴露后具有很強(qiáng)的顏色變化特征，是專門作為耐候性測(cè)試方法的參考材料。

利用 ORWET進(jìn)行不同類型暴露的簡(jiǎn)單對(duì)比表明，相關(guān)性是輻照量的函數(shù)，加速性是暴露時(shí)間的函數(shù)。一種特定材料的退化函數(shù)高度依賴于材料的特性，所以一種標(biāo)準(zhǔn)參考材料的模型退化函數(shù)，不可能代表具有不同特性的其他材料。

按照ASTM G7-05，于2008年夏季，在阿特拉斯測(cè)試服務(wù)試驗(yàn)場(chǎng)的佛羅里達(dá)州和亞利桑那州，戶外朝南5°角，將ORWET樣品暴露在無(wú)底襯試驗(yàn)架上。按照ASTM G90-05，在亞利桑那州相同時(shí)間進(jìn)行戶外暴露試驗(yàn)。紫外線輻射量按照ASTM G90和ASTM G7標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。與此同時(shí)，在2008秋季使用安裝在阿特拉斯的亞利桑那州現(xiàn)場(chǎng)的 UAWS裝置對(duì)同等狀態(tài)樣品開展紫外加速暴露試驗(yàn)。

紫外加速暴露樣品安裝在背面帶有相同冷卻盤的底襯上，用于獲得黑板溫度。用文中前面描述的方法測(cè)量紫外線輻射暴露。在整個(gè)暴露過(guò)程中，斷斷續(xù)續(xù)取出樣品，測(cè)量色差（ΔE）。不同暴露類型的對(duì)比如圖10和圖11所示。

圖10 不同方式下試驗(yàn)樣品色差隨輻射量變化Fig.10 Variation of color difference of the test samples with exposure amount in different modes

由圖10可以看出，四種暴露類型下色差值隨輻照量的變化趨勢(shì)大致相同。在暴露初期，隨輻射量值的增大，色差值呈近似線性增長(zhǎng)；從紫外輻射量值為50 MJ/m2開始，色差值的增長(zhǎng)趨勢(shì)呈冪函數(shù)增長(zhǎng)。整個(gè)過(guò)程表明，四種暴露類型的腐蝕動(dòng)力學(xué)規(guī)律基本相似，利用圖表法可初步判定 UAWS系統(tǒng)與其他三種暴露類型均具有較好的相關(guān)性。

圖11 不同方式下試驗(yàn)樣品色差隨輻照時(shí)間變化Fig.11 Variation of color difference of the test samples with exposure time in different modes

由圖11可以看出，利用達(dá)到相同色差值所用時(shí)間為基準(zhǔn)計(jì)算加速倍率，相對(duì)于EMMA系統(tǒng)，UAWS系統(tǒng)的加速倍率為8倍左右，相對(duì)于南佛羅里達(dá)州、亞利桑那州的自然暴露試驗(yàn)，其加速倍率為25倍和28倍左右。

UAWS已經(jīng)安裝并成功應(yīng)用，初始數(shù)據(jù)表明，對(duì)某些材料而言，紫外加速與實(shí)時(shí)戶外暴露下材料的性能退化速率之間存在潛在的相關(guān)性。同時(shí)需要在考慮濕度和其他耐候性變量的情況下利用不同材料及系統(tǒng)修訂，使其相關(guān)性得到證實(shí)，并計(jì)劃在不久的將來(lái)實(shí)施。

4 結(jié)論

紫外加速試驗(yàn)系統(tǒng)在概念上與阿特拉斯加速EMMAQUA試驗(yàn)設(shè)備具有相似之處，紫外加速試驗(yàn)系統(tǒng)跟蹤太陽(yáng)使得安裝在目標(biāo)區(qū)域的試驗(yàn)樣品聚集反射太陽(yáng)光。不同點(diǎn)在于，在紫外加速試驗(yàn)系統(tǒng)上使用了具有新專利的鏡面，它對(duì)自然光中的紫外光和可見光光譜具有高反射性，對(duì)紅外光具有高透過(guò)性和低反射性。這一設(shè)計(jì)很好地解決了聚光造成的樣品過(guò)熱問(wèn)題，使加速系數(shù)可以進(jìn)一步提高而保持老化機(jī)理不變。該技術(shù)的應(yīng)用將滿足特定材料要求，并達(dá)到快速暴露材料缺陷的目的。

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Tracking Studying on ATLAS’s UV-Accelerated Weathering System

ZHU Yu-qin1,2,YANG Hua-ming1,2,YANG Xiao-ran1,2,ZHANG Yan1

(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Engineering Research Center for Environmental Corrosion and Protection, Chongqing 400039, China)

The structure composition and function of Atlas’s UV-accelerated weathering system were analyzed in detail in this paper. At the same time, by comparing the UV radiant exposure of the sample on the ultra-accelerated device in a single year exposure with that in a SAE J2527 xenon arc exposure in 45° South Florida measured using the ASTM G90 standard method, the acceleration and correlation of the system were described.

UAWS; acceleration; correlation

10.7643/ issn.1672-9242.2016.03.018

TJ05

A

1672-9242(2016)03-0111-05

2016-01-29；

2016-03-04

Received：2016-01-29；Revised：2016-03-04

朱玉琴（1983—），女，青海西寧人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，環(huán)境試驗(yàn)情報(bào)跟蹤等。

Biography：ZHU Yu-qin (1983—), Female, from Xining, Qinghai, Master graduate student, Engineer, Research focus: environment test and environment adaption evaluation, environment test information tracking.