CN102279149A

CN102279149A - 精确预测使用寿命的方法和设备

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Publication number: CN102279149A
Application number: CN2011101055741A
Authority: CN
Inventors: H·K·哈德卡斯尔; R·舒尔茨
Original assignee: Atlas Material Testing Technology LLC
Current assignee: Atlas Material Testing Technology LLC
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: EP2365314A3; JP2011185940A; US8670938B2; US20110224905A1; CN102279149B; EP2365314B1; CA2733479C; CA2733479A1; EP2365314A2

Abstract

通过将试样暴露于加速老化测试设备内的多变量微环境循环的工作参数来精确预测使用寿命的方法和设备，该设备包括与辐照源、温度调节源和湿度调节源相连接的控制器，用于：将试样暴露于测试腔室内再现的多变量微环境循环的工作参数；监测试样于多变量微环境循环中的暴露以产生运行时变量；以及调整运行时变量与工作参数一致。

Description

精确预测使用寿命的方法和设备

技术领域

本公开涉及精确预测使用寿命的方法和设备，更具体地涉及通过将试样暴露(expose)于现场记录的多变量微环境循环的工作参数而进行精确的使用寿命预测的方法和设备，该工作参数在包括光源(而不是太阳辐照)的加速老化测试设备中记录。

背景技术

很长的一段时间，材料科学领域的科学家研究、设计并且测试各种设备，声称这些设备采用加速的方法提供精确的使用寿命的预测(“SLP”)。在最终应用环境中对制造、生产和随后的配售进行投资之前，材料设计者或制造者期望使用短期实验室测试的方法和设备预测具体的材料配方在最终应用环境中将如何表现。短期实验室测试需要做的很精确从而预测具体配方的使用寿命。通过这种测试，材料科学家能够放弃表现差的材料配方而将研究和设计资产(时间，金钱等)仅仅集中于表现好的候选的材料配方。另外，材料科学家能够遏制昂贵的“过度设计的”材料配方特殊的最终应用。因此，精确的加速SLP方法和设备可以允许材料科学家展望未来，并且在使材料在最终应用环境中真实地遭受一年又一年的户外老化前，看到在长期的老化退化处理作用下材料如何表现。

目前，尽管之前已经进行了很多科学尝试，材料科学工业对发展能准确地预测材料在可选择的或可期望的微环境循环中的表现的精确的SLP方法和设备仍然有长期的未满足的需求。例如，主导材料制造者研究和发展委员会的成果、欧洲和亚洲SLP座谈会的成果等的国家标准技术研究院(“NIST”)SLP期刊和SLP联盟，以及有关这一主题的大量的通用技术文献证明这种需求。也存在试图进行SLP的材料测试工业，该材料测试工业通常指代“老化测试”(weathering testing)，其生产用于标准委员会，例如ASTM、NIST、机动车工程师学会(“SAE”)等建立的基于暴露环境的加速实验室或人造老化方法的工具。更具体的，美国试验材料学会(“ASTM”)的SLP标准显然证明了加速人造老化SLP技术的当前状态。虽然该技术的当前状态提供了SLP的一些方法，但是由于这些方法不能再现材料在所选择的或所期望的最终应用环境中的真实经历，这些方法被发现显著且重要地缺乏精确性和适用性。通常，这些方法仅仅提供定性的或相对的评估(预测的“好”与“坏”的表现的对比)或相对的等级(在相同的最终应用环境下配方“A”比配方“B”表现的好)。另外，这些方法通常应用于有限的一些材料而不能应用于其它材料。例如，一种SLP方法也许通常能够相对精确的预测在户外变黄(至本文描述的程度)的聚碳酸酯材料，但是不能精确的预测尼龙由于最终应用环境导致的力学性质的改变程度或者精确预测其它材料或性质。

这些方法仅仅提供了SLP的微量改进并且最终仍然不能精确预测几乎所有材料在真实最终应用环境中的使用寿命。因此，精确的SLP解决办法仍然不明显。

传统的人造或实验室老化设备采用大量的方法试图提供有意义的信息并且试图解决SLP的问题。例如，作为传统知识，太阳紫外线(“UV”)能量的退化导致大量的最终应用环境中的材料的退化，所以材料研究人员已经将材料暴露于增加的紫外线辐照度水平下。但是，其它的最终应用环境条件也影响着材料的退化，例如温度和湿度。因此，研究人员也发展在老化测试设备中同时提高紫外线辐照度、温度和湿度的测试方法。用于SLP的传统技术状态的老化方法的例子列于下表中。

表1

此处的传统方法已经证明仅仅提供SLP的微量改进最终仍然不能精确预测大多数材料在真实最终应用环境的使用寿命。因此，精确的SLP解决办法仍然不明显。

从上表观察可知，传统的人造或实验室老化设备具有简单的监测并且维持温度、辐照度或湿度在一定的时间内处于单独的设定点值的控制算法。具体变量的持续时间和变量的绝时设定值通常是由上面提到的标准委员会决定的和本领域技术人员公知的。氙弧和荧光老化设备的ASTM标准展示了不同材料测试的非常简单的循环。例如，ASTM G 154-06在表X2.1中记载了荧光老化设备的大量不同循环，这些循环均简单的规定了在单一的辐照度和温度条件下的若干的暴露小时以及在单一的温度条件下若干的浓缩(condensation)小时。SAEJ1960记载了建议的循环，例如在0.55W/m²、70℃的黑体标准温度下辐照40分钟；接着在0.55W/m²、70℃下辐照20分钟，向样品喷水；随后在相同的光和温度下再辐照60分钟；随后在38℃下处于黑暗条件60分钟。ASTM G 26记载了采用具体持续时间中的具体静态设置点的相同的暴露循环方式。作为另一个例子，图1是ASTM G 155，循环8辐照度暴露循环的阶梯函数的图形；图2是ASTM G 155，循环8温度暴露循环的阶梯函数的图形。这些循环在委员会协商一致的标准下做出并且与它们试图模仿的最终应用环境循环相似度较小。

这些传统的没有考虑到自然的最终应用环境与通过传统的人造或实验室老化设备制造的环境相比，具有显著的不同循环。自然的最终应用环境所观测到的循环是模拟自然界(通常像正弦曲线)而不是用于传统的方法和设备的阶梯函数。由于这种不同，对于许多类型的材料和产品，很难或者不可能获得这两种暴露结果(例如，人造和自然的最终应用环境)之间的好的相关性。原因在于在实验室老化设备中的采用人造光源的传统的暴露模拟不佳地模拟最终应用环境可变的暴露循环，结果不佳地模拟这些材料和产品在最终应用环境中所观测到的退化效果。因此，用其循环是由标准委员会设定的传统的人造老化设备进行的材料暴露测试不能获得暴露于最终应用环境循环的材料的精确的使用寿命预测。

传统的人造老化方法也没有考虑材料退化中的互换性效果(reciprocityeffect)。如在本文通过援引并入的美国公开号2005/0120811A1中更详细描述的，即使暴露导致相同的辐照能量，当在低辐照度下暴露与在较高水平的辐照度下暴露产生不同效果的时候，在材料中常发生互换性的偏离。传统的人造老化方法和设备使用根据紫外辐照能量(紫外辐照度和时间的乘积)定时的暴露，辐照度设定为用J/m²紫外测量的一个单独的水平或阶。类似的，最终应用暴露也用紫外辐照能量定时和测量。然而，这对SLP是一个错误的方法，因为即使这两种暴露都被执行相同总量的紫外辐照能量暴露，变化的紫外强度下的自然最终应用环境循环带来的累积退化效果与在人造老化设备中观测到的单一的紫外强度下的人造循环带来的积累退化效果相比，是不同的。不管是人造暴露还是自然暴露，采用相同的总紫外辐照暴露来暴露相同的材料都难以获得相同的退化结果，这是传统方法的主要缺点。

光强度、材料温度和湿度的联合变量(co-variables)在传统的人造老化方法和所观测的最终应用环境循环中也是显著不同的。材料暴露温度是材料特性(例如太阳光吸收率，发射度和材料的热传导性)和环境变量特性(例如环境温度，风速，太阳光强度，天空温度和材料方向特性)的复值函数(complexfunction)。由于最终应用环境变量特性总在变化，与保持在固定的阶梯函数设置点上暴露的人造老化方法和设备的观测结果相比，不断改变的环境变量的动态性导致在最终应用环境下观测到非常不同的材料退化。例如，改变反应中的材料的温度能改变化学反应速率是已知的。因此，能够预料与保特单一的温度阶梯函数的传统的人造实验室老化方法或设备相比，动态的最终应用温度环境产生不同的累积材料退化。

暴露温度与光强度是联合变量；相应地，存在在互换性改果和受温度影响的化学反应速率之间的元级相互作用的机会。温度和湿度变量也相互作用，假定扩散率受温度控制。因此，在自然暴露下进入材料的水分是环境湿度(雨，凝结，湿气等)的复值函数，反过来，材料温度是太阳光辐照度与环境温度以及其它环境变量相互作用的复值函数。这种发生在每天和每季度的自然最终应用环境循环中的材料退化的高低顺序可变效果的集合和相互作用不能被设定在传统的人造老化设备或操作方法中的简单的、单一的阶梯函数设置所模拟。

因此，需要新的并且是非显而易见的方法和设备来精确地预测材料的使用寿命，该方法和设备不需要如下的暴露循环：与它们要模拟的自然最终应用环境循环具有很少的相似之处；采用相同的材料难以获得相同的退化结果；对于一些材料在有限意义上有用，而对其它材料根本没用；具有从自然最终应用使用环境循环观测到的累积的退化效果非常不同的累积退化效果；不能考虑发生在每天和每季度的自然最终应用环境循环的材料退化的高低顺序可变效果的集合和相互作用；未充分发展的操作方法，例如，与自然最终应用环境循环不相关的固定阶梯函数。

本公开涉及新的、非显而易见的并且是改进的方法和设备，其克服了此处认识到的所有的问题和缺点以及其它问题，提供了精确SLP方法和设备的最佳手段，其如实地预测所选择的或所期望的微观环境循环中的材料表现，并且如实地再现所选择的或所期望的微观环境循环的特性。

附图说明

当阅读所提供的详细说明的时候，结合随附的附图、附图说明、摘要、背景技术、技术领域和相关标题，可以参考具体实施方式最好地将以下披露的内容作为一个整体理解。在不同图上出现的相同的附图标记标识了相同的部件或者功能性相当的部件。摘要中列举的部件没有附图标记，但是这些部件与具体实施方式和相关披露中的部件相关联。

图1显示了传统辐照暴露循环。

图2显示了传统温度暴露循环。

图3是按照本公开一个具体实施方式的方法的透视图。

图4是按照本公开一个具体实施方式的方法和设备的加速老化测试设备的透视图。

图5是按照本公开一个具体实施方式的方法和设备的加速老化测试设备的透视图。

图6是按照本公开一个具体实施方式的方法和设备的加速老化测试设备的详细图。

图7显示了多变量的微环境循环的一个工作或功能参数。

图8显示了多变量的微环境循环的一个工作或功能参数。

图9显示了多变量的微环境循环的一个工作或功能参数、这种工作或功能参数的现有技术模拟的图形表示以及本公开中试样暴露的运行时变量的图形表示。

具体实施方式

本公开不局限于所描述的设备的特殊细节，其它的修改和运用也是可以预期的。装置、设备或方法可以做更多的改变而不偏离这里所提到的本公开的真正精神范围。因此本公开中的主题应当解释成例示性的意义，而不是局限性的意义。

根据本公开的一方面，精确的使用寿命预测方法可以包括控制加速老化测试设备，加速老化测试设备可以具有：测试腔室，在测试腔室中用来安置试样的支架，在测试腔室中的辐照源，在加速老化测试设备中的温度调节源，在加速老化测试设备中的湿度调节源。控制器可以与辐照源、温度调节源和湿度调节源相连接，并且可以包括处理器和存储编程指令的存储器，当由处理器执行该指令时，引起控制器运行工作。该方法可以包括：记录多变量微环境循环的工作参数；将试样暴露于根据工作参数的测试腔室中的多变量微环境循环；监测试样于测试腔室中的多变量微环境循环的暴露以产生运行时变量；以及调节编程指令以使运行时变量和工作参数一致。

根据本公开的另一方面，通过使样品暴露于现场记录的多变量微环境循环的工作参数从而精确预测使用寿命的加速老化测试设备可以包括：测试腔室；支撑试样的支架；测试腔室中的辐照源；加速老化测试设备中的温度调节源；和加速老化测试设备中的湿度调节源。控制器可以与辐照源、温度调节源和湿度调节源相连接，并且该控制器可以包括编程指令和处理器，该处理器执行编程指令引起控制器进行如下功能：将试样暴露于相据工作参数的测试腔室中的多变量的微环境循环；监测试样于测试腔室中的多变量微环境循环的暴露以产生运行时变量；以及调节编程指令以使运行时变量和工作参数一致。

根据本公开的另一方面，精确的使用寿命预测的方法可以包括控制加速老化测试设备，加速老化测试设备具有：测试腔室，在测试腔室中用来安置试样的支架，在测试腔室中的辐照源，在加速老化测试设备中的温度调节源，在加速老化测试设备中的湿度调节源。控制器可以与辐照源、温度调节源和湿度调节源相连接，并且可以包括处理器和存储编程指令的存储器，当由处理器执行该指令时，引起控制器运行工作。该方法可以包括：通过处理器产生模拟多变量微观环境循环的功能参数；将试样暴露于根据工作参数的测试腔室中多变量微环境循环；监测试样于测试腔室的多变量微环境循环的暴露以产生运行时变量；以及调节编程指令以使运行时变量和工作参数一致。

根据本公开的另一方面，通过使样品暴露于现场记录的多变量微环境循环从而精确预测使用寿命的加速老化测试设备可以包括：测试腔室；支撑试样的支架；测试腔室中的辐照源；加速老化测试设备中的温度调节源；和加速老化测试设备中的湿度调节源。控制器可以与辐照源、温度调节源和湿度调节源相连接，并且该控制器可以包括编程指令和处理器，该处理器执行编程指令引起控制器进行如下功能：由处理器产生模拟(model)现场多变量微观环境循环的功能参数；将试样暴露于根据功能参数的测试腔室中的多变量微环境循环；监测试样于测试腔室中的多变量微环境循环的暴露以产生运行时变量；以及调节编程指令以使运行时变量和功能参数一致。

根据本公开的另一方面，上述的方法和设备可以包括从由包括温度、紫外辐照度和湿度构成的组中选择的至少两种工作参数。

根据本公开的另一方面，上述的方法和设备可以包括在记录工作参数后修订(edit)这些工作参数。例如，修订工作参数可以包括：从多变量微环境循环中去除工作参数的非关键时间段，调整与包括频率、持续时间和次序的组中的至少一个相关的工作参数，对多个微环境循环进行平均或产生经统计的可能的最坏情况。

根据本公开的另一方面，上述的方法和设备可以包括用微环境检测器记录工作参数，在测试腔室中放置暴露检测器和/或将微环境检测器和控制器连接在一起。例如，微环境检测器和暴露检测器可以采用共同的操作规范来校准，或者可以是同一设备或者相同的设备。

根据本公开的另一方面，上述方法和设备可以包括作为户外微环境，室内微环境或者实验室生成的微环境作为多变量微环境循环。

根据本公开的另一方面，上述方法和设备可以包括具有通常平滑连续变化率的工作参数和/或功能参数，也可以包括具有断续非连续变化率的工作参数和/或功能参数。

本公开阐述了新的，非显而易见的并且是改进的方法和设备，其克服了本文描述的问题和缺陷并且提供能够忠实地再现所选择的或所期望的微环境循环或这种循环的特点的精确的SLP方法和设备。本公开优选的方法和设备基于且来源于对两套区别的特性的基本理解、应用、结合和考虑：(a)所有材料的两个特性，和(b)所有最终应用环境的两个特性。

第一个材料特性是材料的互换性行为(或者与严格的互换性相偏离)，如在前面描述并且由美国专利号2005/0120811A1结合于此的。本公开的上述方法和设备考虑了材料退化中的互换性效果。在本公开的设备和方法中，通过精确的模仿频率、持续时间和暴露次序(例如，在低辐照度水平和高辐照度水平下)，或者任何其它的工作或功能参数来考虑从互换性的偏离。本公开的主要优点是获得相同的材料或试样的相同的退化结果，而不管是在人造或实验室加速暴露循环中暴露还是在通过精确模拟自然多变量微环境循环的人造加速老化设备中产生暴露的自然最终应用多变量微环境暴露循环中暴露(即，在加速老化测试设备中的自然多变量微环境循环的相同工作或功能参数下暴露试样)。这些优点的一个原因是两种暴露匹配等同的紫外辐照暴露量(KJ/m²紫外)(即，自然终端微环境暴露的功能或工作参数部分地包括，整个循环中从低到高的多种紫外强度，而人造加速老化测试设备暴露也包括相同部分的具有相同频率、持续时间和次序的多种紫外强度)。由于互换性效果，发现许多材料具有特别明显的从互换性的偏离，来自于变化的紫外强度的自然最终应用多变量微环境循环的累积的退化作用可以被非常接近地模拟以产生在使用本公开的方法和设备的人造或实验室加速老化测试设备中观测到的精确累积的退化作用或SLP。传统的老化方法和设备不能恰当地理解、运用、结合或者考虑该第一个材料特性。

第二个材料特性是不同老化变量相互作用而以不明显并且非直观的方式高度地影响材料退化率。影响材料退化率的相互作用的变量的特性是如此复杂的，需要精细的统计设计实验产生特性的经验数据。由于本公开的方法和设备提供了如此精确的最终应用多变量微环境循环的模拟，因此在本公开的人造老化测试设备暴露循环中也能很精确地模拟光强度、材料温度和湿度的联合变量。本公开的人造加速老化测试设备暴露循环中的运行时变量(例如，温度，紫外辐照度，湿度等)总是和所期望的或所选择的多变量微环境循环的工作参数或功能参数(例如，频率，持续时间，次序等)采用相同的方式改变并且具有相同的总体平滑连续变化率。因此，千变万化的运行时变量的动态性质导致与在终端多变量微环境循环的工作或功能参数下观测到的相似的材料退化。例如，多变量微环境的化学反应率的复杂的最终应用变化可以在使用本公开的设备和方法的人造实验室加速老化测试设备中再现，例如，通过将试样再现或暴露于所期望的或所选择的多变量微环境循环的已经有记录的工作参数或已经产生的功能参数，监测这种暴露以产生运行时变量(即，通过暴露检测器观测加速老化测试设备中的暴露)并且调整这种再现与工作或功能参数一致，多变量微环境的化学反应率的复杂的最终应用变化被期望产生与动态自然的最终应用多变量微环境循环相同的累积的材料退化。

通过再现已有记录的户外最终应用环境中(或被产生以模拟户外最终应用环境)的复杂的联合变量工作或功能参数，温度和湿度这两个工作参数复杂的相互作用也能由本公开的方法和设备进行精确模拟，以及，由此产生的Fick(参见Crank，J.Park，GS，“Measurement Methods”in Crank，J.Park，GS(eds.))Diffusion in Polymers，pp.1-2，Academic Press，New York，1968)和Einstein(参见Ghez，R.“A Primer of Diffusion Problems”pp.86-87，John Wiley & Sons，NewYork，1988)描述的温度控制的扩散率的精确的模拟。实施本公开的设备和方法的人造加速老化测试设备也可以模拟高低顺序的变量的累积和相互影响对自然最终应用多变量微环境循环的材料退化的作用。传统的老化方法和设备不能恰当的理解、运用、结合或者考虑这第二种材料特性。

第一个普通环境特性是最终应用多变量微环境循环(例如，紫外，温度，湿度)的工作或功能参数(例如，正旋性质，一阶导数，三角等)的总体平滑连续变化率。也就是说，在最终应用微环境老化暴露的一部分时间点上，任何的工作或功能参数可以处于一个低的水平；而在最终应用微环境老化暴露的其它时间点上，任何的工作或功能参数可以处于一个高的水平。一日或一季度温度循环或一年的辐照循环证明了这个特性。传统的老化方法和设备不能恰当的理解、运用、结合或者考虑这第一种环境特性。

第二个普通环境特性是工作或功能参数的断续的非连续的变化率或无序特性。例如，当云挡住紫外太阳光使其不能到达材料表面，冷锋进入局部区域降低材料暴露温度，湿空气主体移开，风改变材料的暴露温度等。传统的老化方法和设备不能恰当的理解、运用、结合或者考虑这第二种环境特性。

上面描述了四个复杂的特性：(a)反映不同水平工作或功能参数的材料互换性；(b)影响材料退化率的不同工作或功能参数的相互作用；(c)导致不同工作或功能参数在不同时间点的不同水平的工作或功能参数的循环特性；以及(d)工作或功能参数水平的无序性，这些所有的特性相互影响导致依赖于材料(例如，试样)和多变量微环境特性的独特的材料退化率。目前的SLP方法和设备不能模拟人造加速老化测试设备和方法中整个试样暴露时间的这种多变量微环境循环的复杂水平，因此，不能获得各种材料的精确的SLP。例如，传统的方法可能规定当前的测试方法的一段在移动到该方法的下一段前以0.65W/m²的紫外辐照度并保持材料温度在60℃下运行8小时。这种辐照度和温度水平是传统的平均最终应用环境测量法的典型代表。但是，最终应用环境的非显而易见的事实是事实上很少(如果有的话)获得0.65W/m²和60℃的稳定态达到甚至短时间间隔，更不用说数小时了。每日循环单独促使辐照度和温度的水平的不断改变。大气中像云和微风一样的无序影响也改变着短时间框架中的工作或功能参数的水平。那些变化以及这种工作或功能参数的相关变化率是不能通过目前的SLP方法或设备模拟的。但是，那些工作或功能参数变化的作用(以及这种变化的相关变化率)对长期处于最终应用暴露中的材料退化率有着深远的影响。

另一个例子，暴露于早上的最终应用环境中的低紫外辐照度下的材料与中午靠近太阳高辐照度暴露下材料相比，具有不同的表观量子效率(即，互换性不同)，这导致对材料长期退化的累积不同的贡献，而这是目前的SLP方法和设备中所没有考虑的。另一个例子，在冬天一个非常低温度(例如，0℃)的时间段进行非常高辐照度(例如，0.65W/m²)的暴露与可能发生在第二天的最终应用暴露中的在高温下(例如，10℃)的低辐照度(例如，0.35W/m²)的暴露相比，会导致辐照度和温度非常不同的相互作用，这种相互作用导致对材料长期退化的累积不同的贡献，而这是采用目前的SLP方法和设备所没有考虑的。

另一个例子，云穿过太阳和在最终应用暴露中的材料之间会导致从高辐照和高温度暴露到低辐照低温度暴露的反常的变化(以及相关变化率)，这是采用传统的人造老化SLP方法和设备不能模拟的，然而，经过长期的最终应用暴露，这些类型变化的累积作用(以及相关变化率)显著地影响着材料使用寿命。

经过长期的传统的人造老化暴露方法，这些模拟误差累积并且导致所预测的使用寿命显著不同于在最终应用环境中观测的相同材料的使用寿命。因为传统的方法和设备不能模拟最终应用多变量微环境循环中的变化(以及相关变化率)，并且反而焦距于暴露的明显固定的阶梯函数水平，这种阶梯函数仅仅反映最终应用暴露的粗略平均值，因此，传统的SLP方法和设备不能满足研究者的需要。用一阶微积分导数(即，这种变化的速率)描述的多个工作或功能参数的同时变化是表征材料退化在最终应用微环境循环中的特性的关键-但是这些是通过传统的SLP方法和设备不能恰当的理解、运用、结合或者考虑的。

作为示例而非限制性的方式，本公开的方法和设备的一个实施方式涉及通过微环境检测器或数据记录仪记录多变量微环境循环中的工作参数，包括，但不限于，太阳紫外辐照度、温度和湿度这些暴露条件，然后使用人造加速老化测试设备再现这些记录的工作参数，所述测试设备包括：辐照源(不是太阳光)、温度调节源和湿度调节源；作为反馈设备的位于测试腔室中的暴露检测器或数据记录仪以及控制器，所述控制器保证非常精确地模拟人造加速老化测试设备中的最终应用多变量微环境循环，从而能精确地模拟暴露于人造加速老化测试设备中的试样的退化。

作为示例而非限制性的方式，本公开的方法和设备的另一个实施方式涉及产生模拟现场的多变量微环境循环的功能参数，包括，但不限于，紫外辐照度、温度和湿度这些暴露条件，然后使用人造加速老化测试设备再现这些产生的功能参数，所述测试设备包括：辐照源(不是太阳光)、温度调节源和湿度调节源；作为反馈设备的位于测试腔室中的暴露检测器以及控制器，所述控制器保证非常精确地模拟人造加速老化测试设备中的最终应用多变量微环境循环，从而能精确地模拟暴露于人造加速老化测试设备中的试样的退化。

传统的SLP方法和设备不进行如下处理：记录复杂多变量微环境循环的工作参数(或者产生模拟现场多变量微环境循环的功能参数)并且在人造加速老化测试设备中再现这种循环；使用微环境检测器并且随后用人造加速老化测试设备中的暴露检测器测量人造加速老化测试设备中的运行时变量以控制运行时变量，由此保证人造加速老化测试设备中的工作或功能参数的精确模拟，其中，微环境检测器和暴露检测器是“同一个”，在加速老化测试设备中再现这些循环前修订这些工作或功能参数以在获得加速测试的同时仍然保持最终应用的精确模拟的材料退化的基本微环境循环特性。

因此，这些实施方式与局限于过分简单化的固定的阶梯函数设置的传统方法和设备相比，更精确地模拟最终应用微环境中的材料的退化；并且获取或表征与具体最终应用材料的退化或最终应用环境观测到的失效相关联的独一无二的微环境循环条件，从而随后可以使用这种独一无二的微环境循环暴露条件的再现来模拟导致这种退化或失效的实验室(例如，人造加速老化测试设备)中的精确的暴露条件。因此，随后可以在可应用的最终应用微环境循环的精确模拟中生产并测试新材料配方，从而确定该新材料是否能耐受在之前最终应用环境暴露过的材料中引起这种退化或者失效的具体的最终应用微环境循环。

另外，这些实施方式更接近于模拟最终应用微环境循环的模拟性质(例如，正旋，一阶导数，三角等)而不是传统的方法和设备简单化的固定的阶梯函数，例如(仅作为示例)：更近似的模拟在最终应用环境中观测到的每日、每季度或每年的辐照度、温度和湿度变量的正旋性质；在最终应用环境中观测到的无序反常态经常导致最终应用材料的失效。结果，本公开的设备和方法提供了更好的对材料最终应用退化作用的模拟，这归因于更好的多变量微环境循环的模拟。因此，相对于传统的方法和设备，材料使用寿命的精确预测获得了很大改进。

一方面，本公开的方法和设备在最终应用环境中设置微环境检测器和数据记录仪来记录真实的多变量微环境循环并且通过模拟的方式，在人造实验室加速老化测试设备中再现这些循环而不是开发用于传统的方法和设备的高度人造的、过分简单化的固定的阶梯函数平均设置。

另一方面，本公开的方法和设备模拟最终应用环境观测到的通常平滑连续变化率(例如，模拟，正旋类型循环等)函数而不是传统的方法和设备的简单的阶梯函数，从而模拟人造加速老化测试设备中的真实的最终应用环境的老化。

另一方面，本公开的方法和设备在再现期间，在最终应用环境中采用微环境检测器以及在人造老化室中使用与微环境检测器“相同的”暴露检测器，从而保证在人造加速老化测试设备中监测的运行时变量非常忠实于以前在最终应用记录过的多变量微环境循环的变量或通过模拟多变量微环境循环产生的变量。相同的检测器的一些优选实施方式可以包括采用相同的操作规范(例如，NIST，等)校准的微环境检测器和暴露检测器，相同设备或同一设备，因此检测器和检测器之间的微小差异也不能被引入这种再现中。

另一方面，本公开的方法和设备修订工作或功能参数从而从这些工作参数中去除非关键时间段，补充用于加速的工作参数，调整与包括频率、持续时间和次序的组中的一个相关的工作参数，平均多个微环境循环，产生统计的可能最糟糕的情况以及插入工作参数从而产生通常平滑连续变化率。例如，这种修订可以包括通过偏移量保持同样的动态多变量微环境循环，将多变量微环境循环乘以常量从而在增加加速度的振幅同时用其它已知的或明显期望的方法(例如真正的微积分为基础的方法)，保持动态多变量微环境循环或修订这种多变量微环境循环，微分和积分工具可以应用于多变量微环境循环和人造加速老化测试设备的控制器函数中，从而产生新的模拟和加速度方法，并且表现与传统的方法和设备显著的偏离。

图3是根据本公开一个实施方式的精确预测使用寿命的方法的一个方面的透视图，其中多变量微环境循环的工作参数被记录。一个实施方式中，工作参数是选自包括温度、紫外辐照度和湿度的组中的至少两个。但是，本领域技术人员知道只要是与本公开的发明目的有关的任何已经可能有记录的并且可以是有用的合适的微环境变量均是工作参数。优选的，记录多变量微环境循环的工作参数包括微环境检测器，可连接到此处所描述的加速老化测试设备的控制器。微环境检测器可以包括任何合适的多变量暴露测量设备或传感器(例如，辐照度，温度，湿度等)，其可以通过有线或无线的方式连接到加速老化测试设备的控制器，目的是记录所期望的或所选择的工作参数，例如(仅仅作为示例)，通过任何具有单内存的装置或设备，多个存储位置，共享内存，CD，DVD，ROM，RAM，光存储，微代码，数据存储，存储器，只读存储器，随机存取存储器，可重写盘存储器，写一次读多次盘存储器，电的或电子的可擦除可编辑ROM(EFPROM)，全息存储器，远程存储器，或任何其它的本领域公知的可与本公开相关使用的以硬件或软件的方式存储数据(即，工作或功能参数)的非易失性存储的合适的存储设备。多变量微环境循环可以从包括户外微环境，室内微环境和实验室产生的微环境的组中选择。图3例示了本公开的一个方面的各种实施。微环境检测器10可以安装在任何可成像的位置以记录特定材料的所期望的或所选择的微环境循环，例如(仅仅作为示例)，在建筑物20的外部表面22上(例如屋顶24或墙26)，在建筑物20的内部表面上(例如建筑物20的外部窗户28的框架，内部的墙或地板)，在建筑物22结构的连续或非连续暴露部分30上(例如露天平台或阳台栏杆)，在交通工具40的外表面42上，在交通工具40的内表面44上(例如，仪表板，座位，地垫等)，标志50的连续的或非连续的暴露表面或根据本公开的预期目的任何其它合适的或可图像化的安装位置。另外，微环境检测器10可以安装在加速老化测试设备中(和此处描述的设备相同或相似，但是任何其它通过本领域普通技术即可认可的相似的或合适的此类设备也是可以的)，从而以此处描述的相同的方式记录其中产生的实验室产生微环境。

图4是加速老化测试设备100的透视图，图6是加速老化测试设备100的细节图，这两个图均按照本公开的一个实施方式，该实施方式通过将试样101暴露于本文描述的现场记录的多变量微环境循环或工作参数而得到精确的使用寿命的预测。加速老化测试设备100可以包括在机架102内的测试腔室104，安置在测试腔室104内的支架106，安置在测试腔室104内的辐照源108，安置在加速老化测试设备100内并且与测试腔室104相连通的温度调节源110，安置在加速老化测试设备100内并且与测试腔室104相连通的湿度调节源112，与辐照源108，以及与温度调节源110和湿度调节源112相连接的控制器114，其包括处理器和存储编程指令的存储器，当由处理器执行该指令时，引起控制器114如下工作：将试样101暴露于依据工作参数的测试腔室104内的多变量微环境循环；监测试样101于测试腔室104中的多变量微环境循环的暴露以产生运行时变量；以及调整编程指令从而使运行时变量与工作参数一致。

在一个实施方式中，辐照源108可以包括任何合适的人造的、非太阳光的光源，例如(仅仅作为示例)，氙弧、荧光灯或相类似的灯(有或没有过滤器)，或任何公知的并且为老化目的在现有技术中使用的其它合适的光源，从而使测试腔室104内的辐照暴露可以在来自控制器114的指令下基于工作或功能参数被向上、向下调整或保持相同。在一个实施方式中，温度调节源110可以包括加热部件(例如，直接或非直接加热源)，冷却部件(例如，直接或非直接冷却源)和空气运动部件(例如，风机，管道，节气阀，混合设备或其它空气运动设备)的任意组合(这些部件及其组合公知适合被预期应用于加速老化技术)，从而使测试腔室104内的温度暴露在来自控制器114的指令下基于工作或功能参数被向上、向下调整或保持相同。在一个实施方式中，湿度调节源112可以包括流体排放部件(例如，流体源和排放设备)和空气运动部件(例如，风机，管道，节气阀，混合设备或其它空气运动设备)的任意组合(这些部件及其组合公和适合被预期应用于加速老化技术)，从而使测试腔室104内的湿度暴露在来自控制器114的指令下基于工作或功能参数被向上、向下调整或保持相同。辐照源108、温度调节源110和湿度调节源112的结构和相关功能均在共同拥有的美国专利号7038196；6946652；6872936；6720562；5646358；和5503032；以及美国申请公开号20100005911；20070295114；和20050167580中有更详细的描述；这些中的每一个以及组合在此通过援引而并入。

一个实施方式，控制器114可以以硬件或软件的方式配置为任意合适的设备，其与输入设备(即，微环境检测器10或辅助控制器或修订设备)以及输出设备(即，辐照源108，温度调节源110和湿度调节源112)相连通，例如包括处理器和存储编程指令的存储器的可编程逻辑控制器。其它合适的控制器也可以使用(仅仅是示例而非限制性的)处理模块，其包括处理器和存储器从而便于处理模块的作业的管理。处理器可以是微处理器，中央处理单元或微控制器，专用集成电路，现场可编程的门阵列，数据信号处理器，微控制器或任何其它的合适的处理设备。如果处理器是微处理器，其可以是“奔腾处理器”，“PowerPC”，或任何其它合适的微处理器，CPU或现有技术已知的微控制器。存储器可以是任何合适的装置或设备，这些装置或设备具有单内存，多个存储位置，共享内存，CD，DVD，ROM，RAM，光存储，微代码，数据存储，存储器，只读存储器，随机存取存储器，可重写盘存储器，写一次读多次盘存储器，电的或电子的可擦除可编辑ROM(EFPROM)，全息存储器，远程存储器，或任何其它的本领域公知的可与本公开相关使用的以硬件或软件的方式存储数据(即，工作或功能参数)的非易失性存储的合适的存储设备。在一个实施方式中，处理器可以包括一个或更多个处理设备，其包括任意的前述的执行编程指令和操作已存储的数据的能力的任意组合。存储器包括由处理器执行的可执行的指令和数据，以及本领域已知的编程变量或任何其它合适的编程源代码或目标代码，可以任何合适的格式体现，例如硬盘驱动器，高速缓冲存储器等。在一个实施方式中，控制器114可以包括用户输入设备(例如，键盘，鼠标，触摸屏，麦克风以及合适的语音识别应用或任何其它的控制器114的使用者可以将输入数据提供到处理器的方法)，显示器(例如，阴极射线管，平板显示器或任何其它的本领域普通技术人员已知的显示机构)以及与各种输入和输出设备(例如，微环境检测器10，暴露检测器，辐照源108，温度调节源110和湿度调节源112，媒体驱动器(例如，磁盘或光盘设备，闪存驱动器等，这些可以用于读取包含用来实施本文描述的方法在一个实施方式中的可执行的指令的存储介质，或任何其它与本公开相关的可用的输入输出源)相连通所需的外设接口(例如，硬件，固件和/或软件)(例如，由硬件，固件和/或软件构成的网络结构，其允许处理器与其它设备通过有线或无线网络相连通，不管是局域的还是广域的，私有的或公共的，正如本领域所知的)。

在一个实施方式中，试样101暴露于测试腔室104中的依据工作参数的多变量微环境循环。例如，图7和图8是多变量微环境循环中的两个工作参数的图形表示(图7-温度，图8-辐照度)。控制器114依据工作参数(例如，编程指令，存储数据，输入指令，来自微环境检测器10的数据或修订或者此处描述的辅助控制器，任何其它合适的形式，机构，设备或技术等)来操作至少辐照源108和温度调节源110从而在测试腔室104中再现这些工作参数。暴露检测器200可以设置在测试腔室104中的支架106上，和试样101一样，目的是监测试样101于测试腔室104中的多变量微环境循环的暴露。微环境检测器10和暴露检测器200可以是“相同的”，其可以包括采用相同的操作规范(例如，NIST，等)校准、相同设备或同一设备，因此检测器和检测器之间的微小差异也不能被引入这种再现中。暴露检测器200可以连接在通过有线或无线连接的方式连接至控制器114，目的是将由暴露检测器200产生的作为监测的测试腔室104中的多变量微环境循环的代表的运行时变量传递给控制器114。在一个实施方式中，编程指令可以被调整从而使运行时变量和工作参数一致以保持此处所描述两个优点的高度一致。

图5是与本公开一个实施方式相关的加速老化测试设备100的透视图。该实施方式基本上与本文已经描述的实施方式一样，除了辅助控制设备300和微环境检测器10以及控制器114相连接(即，有线或无线连接)。正如本文中所描述的(还包括，不局限于，硬件，固件或软件，个人电脑等)，本公开中辅助监测器或修订设备300可以配置成和控制器114相同或相似，并且作为一项独立的设备(例如，与微环境检测器10和控制器114通过有线或无线通信相连接，作为所期望的或有利的)或作为所期望的或有利的，集成到微环境检测器10或控制器114中的相同设备的功能。在一个实施方式中，这些辅助控制设备300促进工作参数的修订和功能参数的产生。修订功能可以包括在记录工作参数后修订这些工作参数，其也可以用于产生功能参数。例如，修订工作参数可以包括：从多变量微环境循环中去除工作参数的非关键时间段；调整与由频率、持续时间和次序构成的组相关的工作参数；对多个微环境循环进行平均或产生经统计的可能的最坏情况。如本文所描述的，功能参数可以由处理器产生从而模拟现场多变量微环境循环，这种模拟基于理论观点(例如，达菲-贝克曼等式)或观测到的数据以任何本领域公知的方式进行。

图9是按照本公开的多变量的微环境循环的工作参数，传统的固定的一阶函数方法和这种工作参数的加速老化测试设备的模拟以及暴露的试样被监测的运行时变量的图形比较。区别于传统的方法(其充满了本文描述的所有缺点和无法预见性)，本领域技术人员认识到从运行时变量到工作参数的高度一致性(并且产生本文所描述的使用寿命预测的优点)。

前面的细节描述仅仅是本公开的一些实施例和实施方式，可以按照本公开对这些披露的实施方式进行众多的改变而不偏离本公开的精神和范围。因此，前面的描述不意味着限制了本公开的范围，而是提供充足的披露从而使本领域技术人员不需要任何不适当障碍就能实施本发明。

Claims

1.一种通过控制加速老化测试设备精确预测使用寿命的方法，该加速老化测试设备包括；测试腔室，设置在所述测试腔室内的用来支撑试样的支架，设置在所述测试腔室内的辐照源，设置在所述加速老化测试设备内并且与所述测试腔室相连通的温度调节源，设置在所述加速老化测试设备内并且与所述测试腔室相连通的湿度调节源，与所述辐照源、温度调节源和湿度调节源相连接的控制器，所述控制器包括处理器和存储编程指令的存储器，当由该处理器执行该指令时，引起所述控制器运行从而操作所述辐照源、温度调节源和湿度调节源，所述方法包括：

记录多变量微环境循环的工作参数；

将试样暴露于依据所述工作参数的所述测试腔室内的多变量微环境循环；

监测试样于所述测试腔室内的所述多变量微环境循环的暴露以产生运行时变量；以及

调整所述编程指令从而使所述运行时变量和所述工作参数一致。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述工作参数是选自包括温度、紫外辐照度和湿度的组中的至少两个。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括在记录所述工作参数后修订所述工作参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其中修订所述工作参数包括从所述多变量微环境循环中去除所述工作参数的非关键时间段。

5.根据权利要求3所述的方法，其中修订所述工作参数包括相对于包括频率、持续时间和次序的组中的一个调整所述工作参数。

6.根据权利要求3所述的方法，其中修订所述工作参数包括对多个微环境循环进行平均。

7.根据权利要求6所述的方法，其中对多个微环境循环进行平均包括产生统计的可能的最坏情况。

8.根据权利要求3所述的方法，其中修订所述工作参数包括对所述工作参数进行内插以产生总体平滑连续变化率。

9.根据权利要求1所述的方法，其中记录工作参数包括能与所述控制器相连接的微环境检测器。

10.根据权利要求9所述的方法，其中监测暴露包括与所述控制器相连接的暴露检测器。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器均采用共同的操作规范来校准。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器是同一设备。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器是相同的设备。

14.根据权利要求1所述的方法，其中监测暴露包括将暴露检测器连接到所述控制器。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述多变量微环境从包括户外微环境、室内微环境和实验室产生的微环境的组中选择。

16.根据权利要求1所述的方法，其中暴露试样包括具有总体平滑连续变化率的工作参数。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述平滑连续变化率包括断续的非连续的变化率。

18.根据权利要求1所述的方法，其中暴露试样包括将微环境检测器连接到所述控制器。

19.一种通过将试样暴露于现场记录的多变量微环境循环的工作参数来精确预测使用寿命的加速老化测试设备，该加速老化测试设备包括：

测试腔室；

设置在所述测试腔室内的用于支撑试样的支架；

设置在所述测试腔室内的辐照源；

设置在所述加速老化测试设备内并且与所述测试腔室相连通的温度调节源；

设置在所述加速老化测试设备内并且与所述测试腔室相连接通的湿度调节源；

与所述辐照源、温度调节源和湿度调节源相连接的控制器，所述控制器包括处理器和存储编程指令的存储器，当该处理器执行该指令时，引起所述控制器运行以：

将试样暴露于依据工作参数的所述测试腔室内的多变量微环境循环；

监测试样于所述测试腔室内的多变量微环境循环的暴露以产生运行时变量；以及

20.根据权利要求19所述的设备，其中所述工作参数是选自包括温度、紫外辐照度和湿度的组中的至少两个。

21.根据权利要求19所述的设备，其中在记录所述工作参数后修订所述工作参数。

22.根据权利要求21所述的设备，其中从所述多变量微环境循环中去除所述工作参数的非关键时间段。

23.根据权利要求21所述的设备，其中相对于包括频率、持续时间和次序的组中的一个调整所述工作参数。

24.根据权利要求21所述的设备，其中对多个微环境循环进行平均。

25.根据权利要求24所述的设备，其中由平均产生统计的可能的最坏情况。

26.根据权利要求21所述的设备，其中通过内插产生所述工作参数的总体平滑连续变化率。

27.根据权利要求19所述的设备，还包括能与所述控制器相连接的微环境检测器，该检测器用于工作参数的现场记录。

28.根据权利要求27所述的设备，其中监测暴露包括与所述控制器相连接的位于所述测试腔室内的暴露检测器。

29.根据权利要求28所述的设备，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器均采用共同的操作规范来校准。

30.根据权利要求28所述的设备，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器是同一设备。

31.根据权利要求28所述的设备，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器相同。

32.根据权利要求19所述的设备，还包括连接到所述控制器的位于所述测试腔室内的暴露检测器。

33.根据权利要求19所述的设备，其中所述多变量微环境从包括户外微环境、室内微环境和实验室产生的微环境的组中选择。

34.根据权利要求19所述的设备，其中暴露试样包括具有总体平滑连续变化率的工作参数。

35.根据权利要求34所述的设备，其中所述平滑连续变化率包括断续的非连续的变化率。

36.一种通过控制加速老化测试设备精确预测使用寿命的方法，该加速老化测试设备包括：测试腔室，设置在所述测试腔室内的用来支撑试样的支架，设置在所述测试腔室内的辐照源，设置在所述加速老化测试设备内并且与所述测试腔室相连通的温度调节源，设置在所述加速老化测试设备内并且与所述测试腔室相连通的湿度调节源，与所述辐照源、温度调节源和湿度调节源相连接的控制器，所述控制器包括处理器和存储编程指令的存储器，当由该处理器执行该指令时，引起所述控制器运行从而操作所述辐照源、温度调节源和湿度调节源，所述方法包括：

由所述处理器产生模拟现场微环境循环的功能参数；

将试样暴露于依据所述功能参数的所述测试腔室内的多变量微环境循环；

调整所述编程指令从而使所述运行时变量和所述功能参数一致。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述功能参数是选自包括温度、紫外辐照度和湿度的组中的至少两个。

38.根据权利要求36所述的方法，其中产生功能参数包括现场记录所述多变量微环境循环的工作参数。

39.根据权利要求38所述的方法，还包括在记录所述工作参数后修订所述工作参数。

40.根据权利要求39所述的方法，其中修订所述工作参数包括从所述多变量微环境循环中去除所述工作参数的非关键时间段。

41.根据权利要求39所述的方法，其中修订所述工作参数包括相对于包括频率、持续时间和次序的组中的一个调整所述工作参数。

42.根据权利要求39所述的方法，其中修订所述工作参数包括对多个微环境循环进行平均。

43.根据权利要求42所述的方法，其中对多个微环境循环进行平均包括产生统计的可能的最坏情况。

44.根据权利要求39所述的方法，其中修订所述工作参数包括对所述工作参数进行内插以产生总体平滑连续变化率。

45.根据权利要求38所述的方法，其中记录工作参数包括能与所述控制器相连接的微环境检测器。

46.根据权利要求45所述的方法，其中监测暴露包括与所述控制器相连接的暴露检测器。

47.根据权利要求46所述的方法，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器均采用共同的操作规范来校准。

48.根据权利要求46所述的方法，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器是同一设备。

49.根据权利要求46所述的方法，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器是相同的设备。

50.根据权利要求36所述的方法，其中监测暴露包括与所述控制器相连接的暴露检测器。

51.根据权利要求36所述的方法，其中所述多变量微环境从包括户外微环境、室内微环境和实验室产生的微环境的组中选择。

52.根据权利要求36所述的方法，其中暴露试样包括具有总体平滑连续变化率的功能参数。

53.根据权利要求52所述的方法，其中所述平滑连续变化率包括断续的非连续的变化率。

54.根据权利要求36所述的方法，其中暴露试样包括将微环境检测器连接到所述控制器。

55.一种通过将试样暴露于多变量微环境循环来精确预测使用寿命的加速老化测试设备，该加速老化测试设备包括：

测试腔室；

设置在所述测试腔室内的用于支撑试样的支架；

设置在所述测试腔室内的辐照源；

由所述处理器产生模拟现场微环境循环的功能参数；

56.根据权利要求55所述的设备，其中所述功能参数是选自包括温度、紫外辐照度和湿度的组中的至少两个。

57.根据权利要求55所述的设备，其中所述功能参数包括现场记录的所述多变量微环境循环的工作参数。

58.根据权利要求57所述的设备，其中从所述多变量微环境循环中去除所述工作参数的非关键时间段。

59.根据权利要求57所述的设备，其中相对于包括频率、持续时间和次序的组中的一个调整所述工作参数。

60.根据权利要求57所述的设备，其中对多个微环境循环进行平均。

61.根据权利要求60所述的设备，其中从平均中产生统计的可能的最坏情况。

62.根据权利要求57所述的设备，其中通过内插产生总体平滑连续变化率。

63.根据权利要求55所述的设备，还包括能与所述控制器相连接的微环境检测器，该检测器用于工作参数的现场记录。

64.根据权利要求63所述的设备，其中监测暴露包括与所述控制器相连接的位于所述测试腔室内的暴露检测器。

65.根据权利要求64所述的设备，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器均采用共同的操作规范来校准。

66.根据权利要求64所述的设备，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器是同一设备。

67.根据权利要求64所述的设备，其中所述微环境检测器和所述暴露检测器是相同的设备。

68.根据权利要求55所述的设备，还包括连接到所述控制器的位于所述测试腔室内的暴露检测器。

69.根据权利要求55所述的设备，其中所述多变量微环境从包括户外微环境、室内微环境和实验室产生的微环境的组中选择。

70.根据权利要求55所述的设备，其中暴露试样包括具有总体平滑连续变化率的功能参数。

71.根据权利要求70所述的设备，其中所述平滑连续变化率包括断续的非连续的变化率。