在材料耐候性測(cè)試領(lǐng)域，人工加速老化試驗(yàn)是評(píng)估產(chǎn)品在戶外長(zhǎng)期暴露后性能變化的關(guān)鍵手段。雖然氙燈老化測(cè)試因其光譜高度匹配太陽光而成為現(xiàn)代主流，但碳弧燈老化試驗(yàn)（Carbon Arc Weathering Test）作為最早應(yīng)用于人工氣候老化的技術(shù)之一，在歷史上扮演了重要角色，并在特定行業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)中仍有應(yīng)用。了解其工作原理，有助于理解材料老化測(cè)試的發(fā)展脈絡(luò)和特定測(cè)試結(jié)果的背景。

一、 什么是碳弧燈老化試驗(yàn)？

碳弧燈老化試驗(yàn)是一種利用碳棒電極之間產(chǎn)生的電弧作為光源的人工氣候老化試驗(yàn)方法。它通過模擬太陽光（特別是紫外線部分）對(duì)材料的照射作用，結(jié)合可控的溫度和濕度環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室中加速材料的光氧化、褪色、粉化、開裂等老化過程。

盡管其光譜特性存在局限，且已逐漸被更先進(jìn)的氙燈技術(shù)所取代，但碳弧燈試驗(yàn)仍在一些傳統(tǒng)行業(yè)（如某些涂料、紡織品標(biāo)準(zhǔn)）和歷史數(shù)據(jù)對(duì)比中具有參考價(jià)值。

二、 碳弧燈老化試驗(yàn)的核心原理

碳弧燈老化試驗(yàn)的原理基于電弧放電發(fā)光和環(huán)境因素協(xié)同作用，旨在模擬并加速戶外日光對(duì)材料的破壞效應(yīng)。

1. 光源：碳弧燈——最早的“人造太陽”

• 工作原理：

• 碳弧燈由一對(duì)水平或垂直放置的碳棒（電極）構(gòu)成。當(dāng)在碳棒間施加高電壓并使其輕微接觸后分離，電流會(huì)擊穿空氣，在碳棒尖端之間形成高溫、高亮度的電弧。

• 電弧中心溫度可高達(dá)3500°C以上，發(fā)出強(qiáng)烈的光和熱。這種光主要來源于碳棒尖端的熾熱（黑體輻射）和電弧等離子體的輻射。

• 光譜特性：

• 關(guān)鍵局限： 碳弧燈光譜與真實(shí)太陽光譜存在顯著差異。其能量主要集中在短波長(zhǎng)區(qū)域，尤其是在300nm以下的紫外光（UVC和部分UVB） 有較強(qiáng)的輻射。

• 問題所在： 地球大氣層（特別是臭氧層）會(huì)完全吸收波長(zhǎng)小于295nm的太陽紫外線。因此，到達(dá)地面的太陽光中不含UVC，且UVB含量有限。碳弧燈過強(qiáng)的短波紫外線會(huì)對(duì)材料造成過度且不真實(shí)的降解，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與實(shí)際戶外暴曬的相關(guān)性較差。

• 改進(jìn)： 為了改善光譜匹配度，發(fā)展出了封閉式碳弧燈（Enclosed Carbon Arc）。它通過使用硼硅酸鹽玻璃管將碳弧封閉起來，這種玻璃能吸收部分有害的短波紫外線，使輸出光譜更接近太陽光，但仍不如氙燈精確。

2. 環(huán)境控制：模擬熱與濕的影響

與現(xiàn)代老化試驗(yàn)箱類似，碳弧燈設(shè)備也具備一定的環(huán)境控制能力，以模擬戶外多因素的協(xié)同老化效應(yīng)：

• 溫度控制： 設(shè)備通過調(diào)節(jié)電弧功率和箱體空氣循環(huán)，控制試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣溫度和樣品表面溫度（通常用黑板溫度計(jì)測(cè)量）。高溫會(huì)加速材料的熱氧化和化學(xué)反應(yīng)速率。

• 濕度控制： 部分高級(jí)設(shè)備可控制箱內(nèi)相對(duì)濕度。高濕度環(huán)境會(huì)促進(jìn)水解反應(yīng)、影響涂層性能，并模擬露水的影響。

• 噴淋系統(tǒng)（部分設(shè)備）： 一些碳弧燈試驗(yàn)箱配備噴淋裝置，可定時(shí)向樣品噴水，模擬雨水沖刷和熱沖擊效應(yīng)，加速物理老化（如起泡、開裂）。

3. 加速老化機(jī)制

碳弧燈試驗(yàn)的“加速”主要依賴于：

• 高強(qiáng)度紫外線輻射： 尤其是過量的短波紫外線，能快速破壞材料的分子鍵（如聚合物鏈斷裂、顏料褪色）。

• 持續(xù)光照： 可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷照射，遠(yuǎn)超自然環(huán)境中每日的有效光照時(shí)間。

• 綜合環(huán)境應(yīng)力： 光、熱、濕（及噴淋）的共同作用，模擬了戶外老化的復(fù)雜性。

三、 常用標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用

• 主要標(biāo)準(zhǔn)：

• ASTM G152: 暴露于開放式碳弧燈下的非金屬材料的老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程。

• ASTM G153: 暴露于封閉式碳弧燈下的非金屬材料的老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程。

  
  

• 典型應(yīng)用：

• 歷史上廣泛應(yīng)用于涂料、清漆、塑料、紡織品等材料的耐候性評(píng)估。

• 在一些行業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)或歷史規(guī)范中仍有引用，用于與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

• 由于其“嚴(yán)苛”的特性，有時(shí)被用作一種篩選性試驗(yàn)，快速識(shí)別耐候性極差的材料。