試驗(yàn)箱氣流組織簡(jiǎn)析：為什么同箱內(nèi)樣品老化程度不一致

同一臺(tái)老化試驗(yàn)箱，同批次擺放多只樣品，試驗(yàn)結(jié)束后出現(xiàn)樣品褪色、粉化、開(kāi)裂程度差異明顯，很多時(shí)候并非樣品材質(zhì)本身離散，而是箱體內(nèi)部氣流組織不均勻帶來(lái)的結(jié)果。氣流組織決定箱內(nèi)溫度場(chǎng)、風(fēng)速場(chǎng)、輻射場(chǎng)、濕度場(chǎng)分布，是容易被忽略，但直接影響試驗(yàn)重現(xiàn)性的關(guān)鍵因素。

一、什么是試驗(yàn)箱氣流組織

氣流組織指箱內(nèi)空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、出風(fēng)口、回風(fēng)口，在腔體內(nèi)部形成完整循環(huán)流動(dòng)的形態(tài)，包含風(fēng)速大小、氣流方向、渦流區(qū)域、死區(qū)、氣流短路等狀態(tài)。

理想氣流組織：箱內(nèi)各位置空氣充分交換，溫度、濕度、空氣流速均勻，樣品表面換熱條件一致；

不良?xì)饬鹘M織：部分區(qū)域風(fēng)速高、部分位置幾乎無(wú)空氣流動(dòng)，形成氣流死區(qū)、渦流區(qū)、氣流旁路，腔體不同點(diǎn)位環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)梯度差。

對(duì)于氙燈老化、紫外冷凝老化、恒溫恒濕、冷熱沖擊等設(shè)備，氣流組織的影響維度各不相同；老化試驗(yàn)中，氣流不勻不只是溫度偏差，還會(huì)改變樣品表面的表面溫度、水汽交換、揮發(fā)物聚集，最終表現(xiàn)為老化結(jié)果不一致。

二、氣流不均造成樣品老化差異的幾類底層機(jī)理

1、樣品表面實(shí)際溫度不一致（最主要因素）

老化的本質(zhì)是熱+光協(xié)同化學(xué)反應(yīng)，樣品表面真實(shí)溫度，不等于箱內(nèi)傳感器顯示溫度。

- 風(fēng)速高位置：空氣對(duì)流換熱強(qiáng)，樣品表面熱量可以快速被帶走，樣品表面溫度偏低；

- 氣流死區(qū)：空氣不流動(dòng)，熱量堆積，樣品表面溫度顯著高于箱體設(shè)定溫度。

光老化試驗(yàn)中，同樣輻照強(qiáng)度下，樣品表面溫度每升高數(shù)攝氏度，材料光氧化降解速率會(huì)明顯加快。同箱不同位置樣品，即便輻照一樣，表面溫度有差異，老化速度就拉開(kāi)差距。

補(bǔ)充：氙燈設(shè)備中，燈管輻射加熱是熱源，氣流的作用就是把樣品表面積蓄的輻射熱帶走；風(fēng)道設(shè)計(jì)缺陷，直接造成不同樣品表面散熱條件不一樣。

2、濕度與水汽交換不均勻（冷凝老化尤為突出）

紫外冷凝老化依靠樣品板面形成冷凝水實(shí)現(xiàn)濕老化，冷凝的形成，取決于樣品表面溫度和腔體空氣水汽流動(dòng)。

- 風(fēng)速過(guò)大位置：空氣持續(xù)吹過(guò)樣品表面，板面難以凝結(jié)水珠，實(shí)際濕老化效果弱；

- 氣流停滯死區(qū)：水汽聚集，樣品長(zhǎng)期被厚冷凝水覆蓋，水解反應(yīng)加劇；

箱體傳感器只采集回風(fēng)口濕度，不能代表每一塊樣品表面微環(huán)境。氣流分布差，就會(huì)出現(xiàn)有的樣品結(jié)滿水珠，有的樣品表面干燥，同批次水解老化程度不一樣。恒溫恒濕老化箱也存在同樣現(xiàn)象。

3、揮發(fā)物、降解產(chǎn)物局部堆積

高分子材料老化過(guò)程，會(huì)釋放小分子降解揮發(fā)物。

良好氣流循環(huán)可以及時(shí)把揮發(fā)物帶走，經(jīng)由回風(fēng)口排出腔體；

氣流死區(qū)渦流位置，降解氣體無(wú)法被帶走，在樣品周圍富集，部分揮發(fā)物會(huì)催化加速材料氧化，造成局部樣品老化更快。

4、輻照疊加氣流耦合偏差（氙燈箱有）

很多人把老化不一致全部歸罪于燈管輻照不均，但輻照均勻區(qū)是幾何光學(xué)問(wèn)題，氣流是流體問(wèn)題，兩者會(huì)耦合疊加。

即使燈管輻照校準(zhǔn)合格，如果該點(diǎn)位氣流散熱差，樣品表面溫度上升，光熱協(xié)同老化速率進(jìn)一步放大，最終樣品差異遠(yuǎn)大于單純輻照偏差帶來(lái)的誤差。

三、造成氣流組織惡化的常見(jiàn)現(xiàn)實(shí)原因

1. 風(fēng)道結(jié)構(gòu)先天設(shè)計(jì)不足

出風(fēng)口排布、導(dǎo)流板角度、回風(fēng)口位置不合理，風(fēng)機(jī)風(fēng)量選型偏小，腔體大而循環(huán)能力不足，腔體邊角、箱體上下、箱體左右形成氣流死角。

2. 樣品擺放違規(guī)，阻擋風(fēng)道氣流

這是現(xiàn)場(chǎng)最頻繁出現(xiàn)的人為因素。樣品堆疊過(guò)密、樣品超出樣品架邊界、樣品擋住出風(fēng)口/回風(fēng)口，氣流被阻擋，被迫繞道，造成局部短路、局部死區(qū)。很多客戶設(shè)備本身性能達(dá)標(biāo)，但是裝樣滿箱堆放，直接破壞原有氣流組織。

3. 風(fēng)機(jī)部件老化

風(fēng)機(jī)葉輪積灰、皮帶松弛、電機(jī)轉(zhuǎn)速衰減，循環(huán)風(fēng)量下降，箱體原本設(shè)計(jì)的氣流場(chǎng)發(fā)生畸變。設(shè)備顯示溫度沒(méi)問(wèn)題，但腔體內(nèi)部對(duì)流強(qiáng)度已經(jīng)不足。

4. 導(dǎo)流配件缺失或者移位

箱體內(nèi)導(dǎo)流板、擋風(fēng)隔板脫落、移位，改變氣流走向，造成腔體局部風(fēng)速紊亂。

5. 負(fù)載過(guò)大

樣品總熱負(fù)載超過(guò)設(shè)備循環(huán)換熱設(shè)計(jì)余量，大數(shù)量樣品吸熱放熱，循環(huán)氣流不足以抹平腔體梯度。

四、如何判斷：是氣流組織問(wèn)題，還是輻照/樣品本身問(wèn)題

1. 交換樣品位置試驗(yàn)：把老化快和老化慢樣品互換位置，繼續(xù)做一輪試驗(yàn)。

- 如果樣品跟著位置走：原來(lái)老化快的樣品換到另外位置之后變慢，基本判定是箱內(nèi)空間微環(huán)境差異（氣流、溫度場(chǎng)）；

- 如果樣品無(wú)論擺哪里，老化速度不變，則屬于樣品本身材質(zhì)離散；

2. 多點(diǎn)布溫度傳感器，在樣品擺放平面多個(gè)點(diǎn)位記錄樣品表面溫度，而不是只看箱體控制面板讀數(shù)。箱內(nèi)顯示溫度一致，不等于各個(gè)樣品表面溫度一致。

3. 觀察樣品表面狀態(tài)：冷凝老化觀察不同樣品板面凝水多少；氙燈觀察樣品表面有無(wú)局部過(guò)熱變色。

五、改善同箱樣品一致性實(shí)操要點(diǎn)

1. 裝樣遵循氣流通道原則：樣品之間預(yù)留間隙，不要堵塞出風(fēng)口與回風(fēng)口；樣品不要超出樣品架限定擺放區(qū)域；避免大面積板材緊貼風(fēng)道。

2. 定期維護(hù)循環(huán)風(fēng)機(jī)，清理葉輪灰塵，檢查導(dǎo)流板、擋風(fēng)板是否到位。

3. 大負(fù)載測(cè)試前評(píng)估設(shè)備換熱余量，不要盲目滿倉(cāng)堆放樣品。

4. 對(duì)于重要比對(duì)試驗(yàn)，盡量把對(duì)比樣品放在腔體氣流均勻的中心區(qū)域，避開(kāi)箱體邊角、出風(fēng)口直吹點(diǎn)位。

5. 條件允許下，做腔體溫度場(chǎng)均勻性驗(yàn)證，多點(diǎn)采集樣品平面溫度，確認(rèn)腔體性能，不只校準(zhǔn)傳感器單點(diǎn)。

6. 氙燈老化設(shè)備，兼顧輻照均勻性校準(zhǔn)，輻照校準(zhǔn)和氣流溫度場(chǎng)校驗(yàn)兩者缺一不可。

六、小結(jié)

樣品老化不一致，大家第一反應(yīng)通常懷疑燈管、懷疑樣品批次，但氣流組織是隱藏在背后的關(guān)鍵變量。

試驗(yàn)箱儀表顯示溫度濕度合格，只代表傳感器采樣點(diǎn)環(huán)境，每一塊樣品表面的微環(huán)境，是輻照、對(duì)流風(fēng)速、表面換熱、水汽條件耦合的結(jié)果。氣流分布失衡，會(huì)放大溫度梯度，改變凝水條件，富集降解揮發(fā)物，最終體現(xiàn)為同箱樣品老化程度參差不齊。設(shè)備硬件風(fēng)道設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)工況、樣品裝載方式，三者共同決定箱內(nèi)氣流組織效果。