在材料耐候性測試領域，人工加速老化試驗是評估產品在戶外長期暴露后性能變化的關鍵手段。雖然氙燈老化測試因其光譜高度匹配太陽光而成為現代主流，但碳弧燈老化試驗（Carbon Arc Weathering Test）作為最早應用于人工氣候老化的技術之一，在歷史上扮演了重要角色，并在特定行業和標準中仍有應用。了解其工作原理，有助于理解材料老化測試的發展脈絡和特定測試結果的背景。

一、 什么是碳弧燈老化試驗？

碳弧燈老化試驗是一種利用碳棒電極之間產生的電弧作為光源的人工氣候老化試驗方法。它通過模擬太陽光（特別是紫外線部分）對材料的照射作用，結合可控的溫度和濕度環境，在實驗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，且已逐漸被更先進的氙燈技術所取代，但碳弧燈試驗仍在一些傳統行業（如某些涂料、紡織品標準）和歷史數據對比中具有參考價值。

二、 碳弧燈老化試驗的核心原理

碳弧燈老化試驗的原理基于電弧放電發光和環境因素協同作用，旨在模擬并加速戶外日光對材料的破壞效應。

1. 光源：碳弧燈——最早的“人造太陽”

• 工作原理：

• 碳弧燈由一對水平或垂直放置的碳棒（電極）構成。當在碳棒間施加高電壓并使其輕微接觸后分離，電流會擊穿空氣，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3500°C以上，發出強烈的光和熱。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：

• 關鍵局限： 碳弧燈光譜與真實太陽光譜存在顯著差異。其能量主要集中在短波長區域，尤其是在300nm以下的紫外光（UVC和部分UVB） 有較強的輻射。

• 問題所在： 地球大氣層（特別是臭氧層）會完全吸收波長小于295nm的太陽紫外線。因此，到達地面的太陽光中不含UVC，且UVB含量有限。碳弧燈過強的短波紫外線會對材料造成過度且不真實的降解，導致測試結果與實際戶外暴曬的相關性較差。

• 改進： 為了改善光譜匹配度，發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. 環境控制：模擬熱與濕的影響

與現代老化試驗箱類似，碳弧燈設備也具備一定的環境控制能力，以模擬戶外多因素的協同老化效應：

• 溫度控制： 設備通過調節電弧功率和箱體空氣循環，控制試驗箱內的空氣溫度和樣品表面溫度（通常用黑板溫度計測量）。高溫會加速材料的熱氧化和化學反應速率。

• 濕度控制： 部分高級設備可控制箱內相對濕度。高濕度環境會促進水解反應、影響涂層性能，并模擬露水的影響。

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

3. 加速老化機制

碳弧燈試驗的“加速”主要依賴于：

• 高強度紫外線輻射： 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）。

• 持續光照： 可以實現24小時不間斷照射，遠超自然環境中每日的有效光照時間。

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

三、 常用標準與應用

• 主要標準：

• ASTM G152: 暴露于開放式碳弧燈下的非金屬材料的老化試驗標準實施規程。

• ASTM G153: 暴露于封閉式碳弧燈下的非金屬材料的老化試驗標準實施規程。

  
  

• 典型應用：

• 歷史上廣泛應用于涂料、清漆、塑料、紡織品等材料的耐候性評估。

• 在一些行業內部標準或歷史規范中仍有引用，用于與歷史數據進行對比。

• 由于其“嚴苛”的特性，有時被用作一種篩選性試驗，快速識別耐候性極差的材料。