碳弧灯老化测试详解 —— 原理、类型、标准与工程应用

标题：碳弧灯老化测试详解 —— 原理、类型、标准与工程应用

一、什么是碳弧灯老化测试？

碳弧灯老化测试（Carbon Arc Weathering Test）是一种人工加速气候老化试验方法，通过模拟太阳光中的紫外线、可见光及热效应，评估材料（如塑料、涂料、纺织品、汽车部件）在户外长期暴露下的耐候性（如褪色、粉化、开裂、强度下降）。

尽管现代更多采用氙灯（Xenon Arc）或紫外荧光灯（UV Fluorescent），但碳弧灯因其历史地位和特定行业要求（如日本 JIS 标准、部分美标），仍在某些领域被强制使用。

二、工作原理：如何模拟“阳光”？

碳弧灯的核心是利用两根碳棒电极之间产生的电弧放电，产生连续光谱辐射，其原理如下：

1. 光源产生

• 两根高纯度碳棒（阳极+阴极）通电后，在间隙（约5–10 mm）处形成 3000–4000°C 高温电弧；

• 电弧激发碳蒸气与空气中的氧/氮，发出连续光谱，覆盖 250–800 nm 波长范围。

2. 光谱特性

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⚠️ 关键缺陷：
碳弧灯光谱缺乏 295–340 nm 的关键 UV-B 波段（太阳光中导致高分子链断裂的主因），因此不能真实反映户外老化行为。

三、碳弧灯的两种主要类型

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📌 现状：

• SAE J1960（汽车外饰）已于 2000 年代被 SAE J2527（氙灯）取代；

• JIS 标准（日本工业标准）仍保留碳弧灯要求，尤其用于涂料、建材。

四、典型测试标准与条件

1. ASTM G151 / D1499（美标）

• 光源：开放式碳弧灯；

• 循环：102 min 光照 + 18 min 喷淋（模拟雨）；

• 温度：黑板温度 ≈ 63–71°C；

• 用途：塑料、涂层初步筛选。

2. JIS D 0205（日本汽车）

• 光源：封闭式碳弧灯；

• 总辐照量：通常 250–1000 kJ/m²（@300–400 nm）；

• 判定：色差 ΔE ≤ 3.0，无起泡/剥落。

3. ISO 2810 / GB/T 1865（等效）

• 虽允许碳弧灯，但推荐优先使用氙灯。

五、碳弧灯 vs. 氙灯 vs. UV 老化测试对比

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✅ 结论：
除非客户明确要求（如日本车企），否则应优先选择氙灯老化测试。

六、工程应用建议

1. 确认客户标准：

• 若 specification 写明 “Carbon Arc per JIS D 0205”，则必须用碳弧灯；

• 若写 “Weathering test per ISO 4892”，可选用氙灯（更优）。

2. 避免数据误导：

• 碳弧灯测试“通过” ≠ 户外实际耐久；

• 建议同步做户外曝晒场比对试验（如佛罗里达、亚利桑那）。

3. 维护要点：

• 定期清洁反射镜（碳沉积降低辐照）；

• 监控碳棒消耗（电弧稳定性影响重复性）。

七、为什么碳弧灯仍未完全淘汰？

• 历史惯性：日本、部分老厂沿用旧标准；

• 成本考虑：设备投入低于氙灯；

• 特定材料响应：某些颜料在碳弧灯下褪色模式与日光巧合一致。

🔮 趋势：全球正加速向氙灯+可控湿度+喷淋的综合老化测试过渡。

结语

碳弧灯老化测试是材料耐候性评估史上的重要一环，但其光谱缺陷决定了它已非最佳选择。在“可靠性即竞争力”的今天，工程师应以科学相关性而非“标准字面”为导向——当客户未强制要求时，果断采用氙灯测试，才能真正模拟阳光，守护产品寿命。而对于必须执行碳弧灯的项目，则需清醒认知其局限，辅以其他验证手段，避免“实验室过关，市场失效”的困局。