人工加速老化的相關性與材料使用壽命預測

毫無疑問，在所有關于氣候老化的討論中被問及*多的問題是“人造老化儀器運行多長時間相當于自然環境中的一年？”如果有人說：“該問題的準確答案是1 200 h”。你可能會問他們更多的技術問題及一些常識問題，來解我們所在環境中的所有能使其變化的因素。相反，如果有人回答：“我不知道。”你可能首先想到他花費金錢和時間做人工老化試驗是很愚蠢的。如果這個問題使在氣候方面知識淵博、經驗豐富的研究人員們也感到為難，他們也許會說：“那得看在何種情況下。”也許，這才是正確的答案。

相關性與加速老化的定義

在材料耐久性方面，加速老化是指與傳統的室外老化相比，使用自然加快或實驗室人工方法快速地完成試驗。這通常被表述為在同樣使材料特性發生特定改變的情況下，自然環境曝曬所用的時間與在加速條件下使用的時間之比。相關性可以被定義為使用某種人工環境方法得出的結果與實際環境或使用環境效果趨同的能力。這種結果當然是指在曝曬中材料產生的變化。這些變化可能是機械的或外觀的改變，例如失去光澤、變色，拉伸性能的改變等，也可以是化學變化，這些變化可以用紅外分光光度測定法，電子自旋共振，或化學熒光法測出。相關性可用逆向分析法、Pearson 或Spearman相關系數、或Pair Error 分析法量化導出。

一個加速老化相關性的舉例

也許能夠形象地描述在進行過度加速氣候老化試驗時會發生什么的*好方法是講那個雞和蛋的故事。但不是傳統的“先有雞還是先有蛋？”的問題。比如，一個雞蛋，我們知道雞蛋在35℃的環境中約21 d 就會孵化出

小雞。這與在自然環境中測試材料的耐久性很相似。當然不少材料工程師都強調“我不能等那么長時間出結果！！”但是如果我們試圖加速小雞的孵化而把雞蛋放置在180℃的環境中約中5 min，我們得到的是一個煎蛋而不是一只小雞！現在我們知道在雞與蛋的故事中加速孵化的結果，但是我們有時會忘記在我們做加速氣候老化試驗時也可能發生同樣的事。以下是幾個降低相關性的因素：

著手進行一次氣候老化試驗概述了解構成氣候的重要參數，自然氣候老化方法，實驗室氣候老化儀器和這些方法中現有的優缺點是設計一個氣候老化的重要一步。但是，將試樣交給獨立的測試機構，或不加思索、毫無計劃地將試樣放入人工氣候老化儀器中將導致數據不足，不正確的暴露試樣評估，特別是作為分析結果的錯誤決策。目前有許多關于試驗設計的刊物和課程，但是這些信息缺乏與實際的氣候老化試驗的聯系。ASTM E 632 用于預測建筑構件及材料使用壽命的加速試驗標準設計方法，是一個正確設計氣候老化的有益工具。盡管增加了一些

其他信息，這部分的內容仍然主要是基于ASTM E 632。

設計一個試驗首先要確定試驗目的。你的試驗是符合某個標準還是測試所銷售產品的性能？這可能是一個比較簡單的目的，因為試驗經常是按照客戶的規定和要求進行。很多時候，這些標準甚至要規定儀器的型號，試驗周期或實驗方法，同時提供有關試驗時間的確切的信息。在汽車工業中這種要求是普遍的，業內的汽車制造商已經參照一個共同的汽車測試規范規定試驗及儀器，時間長度或輻照量，要進行的評估和可接收的受測材料的*小性能改變。

有時試驗的目的是要將目前的產品與舊配方進行比較，或比較一個新的生產過程，或是比較某個競爭者的產品。這類試驗目的要求你考慮的更多，因為試驗的參數可能是不確定的。可能需要分析許多與材料、過程、氣候強度相關的可變因素，或者這些因素共同作用產生的影響。例如，測試材料配方時可能包括分析某種穩定劑的用量，添加多少穩定劑才是*經濟的，或者哪個供應商會提供更好的適合你的應用或材料的穩定劑。與生產過程有關的問題是增加擠出速度將會產生的影響，重新規定的涂層厚度，或驗證不同的表面處理方法。與復雜的研究開發有關的問題將包括所有有關配方和生產過程的相關信息，并確定何種氣候強度會導致老化。這樣才能進行真正的材料使用壽命預測測試。

問題的確定    對于這些試驗，首要的任務是確定對產品在有效期內的性能要求和標準。首先要確定極限性能和特性。外觀特性如顏色、光澤、粗糙度或微生物污染等是否重要？物理特性如拉伸強度、破裂、脆性、沖擊強度或耐磨強度等是否重要？是否還有其它諸如耐洗性、電氣特性、尺寸穩定性、或附著力等特性？一旦建立了適當的性能標準，就必須清楚有效的評估方法，并且知道如何建立這些評估結果與客戶要求之間的聯系。

這一表征過程的下一步是了解對那些可能影響已確定為主要特性改變的氣候老化因素的類型及范圍。我們已經討論了*普遍的老化因素，例如輻射、溫度、濕度和腐蝕。了解其中哪些因素更重要，可能還會使你發現其它老化因素，例如化學排斥、風力負荷、安裝過程、或典型的使用中的磨損和破壞。在設計試驗的*后幾個階段時，了解材料在*終使用環境中這些因素極限水平也很重要。

這一過程的*后一步是確定引起材料特性改變的老化機理，從而將執行的標準與這些老化因素相結合。如果知道材料的化學成分，就有可能確定特定的化學反應，例如水解作用和光氧化作用。盡管不能了解所有的相關內容，但是，盡量確定所有可能的作用機理，將減少在*終預測產品使用壽命過程中出現差錯的機會。完成這一步的工作就為初步設計加速老化試驗并*終使用這些加速試驗方法獲得更好的相關性打下基礎。

預試驗    預試驗是改善產品耐久性過程的第二步。這些試驗揭示因暴露在的老化環境中材料能夠產生的特性改變。這些改變證實（或排除）在確定問題階段確定的一些因素。從預試驗中獲得的信息可能包括可能用做老化指標的特性改變，這些因素的要性順序，各種特性變化的機理和促使材料特性快速改變的老化因素的強度。當然，這些因素的強度不應超過受測材料在實際被使用環境中的極限值，這些極限值是在問題確定階段中被確定的。

試驗    這一階段的目的是：（l）設計和進行新的或改進的加速耐久性預測試驗。（2）設計和進行作為比較的基礎的實際使用試驗。（3）測量在實際使用過程中材料特性變化的速度。（4）比較在實際使用試驗和加速試驗中測到的變化。

長期的實際使用試驗應側重于對材料起重要作用的老化因素。這可能包括整套系統的實際使用試驗或在戶外標準氣候試驗場進行遴選材料的曝曬。設計試驗并考慮所有重要因素是*基本的。各老化因素的強度和幅度應在試驗中測量。

加速老化試驗的目的是提供相對快速的測量材料在長期使用試驗中發生的特性改變程度的方法。這些試驗是普遍基于在預試驗階段獲得的數據設計的。某些在實際環境中不重要的影響卻能導致相似老化的因素的強度會比預試驗時低。在進行長期試驗時，各種老化因素應能被測量，并且應該對在問題確定階段被認為重要的材料特性用標準的，定性的方法進行評估。

如果初步的加速方法不能產生實際使用中發生的老化作用，或在長期試驗中沒有發現應出現的機理，加速試驗就應該在重新鑒定在問題確定和預試驗分析階段取得的數據后加以改進。以上分步過程如下面的框圖所示。

遺憾的是，改變加速試驗中各老化因素的水平不一定會預期地直接影響材料特性的變化。即使在問題確定階段做出了正確的分析，改變某個特定的老化因素水平也不一定會影響到材料特性的變化。在設計加速老化試驗時應始終具有協同作用的概念。協同作用使對不同試驗結果的分析更加困難，特別是在將長期試驗結果和加速試驗結果進行比較時。

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