一、概念释义（是什么）
自然气候暴露老化（Natural Weathering，常缩写 NW；亦称户外暴露老化 Outdoor Exposure Ageing）是把试样按规定朝向与倾角安装于暴露场，使其在真实大气中承受太阳辐射、温度、湿度、降水、露、风与大气污染物共同作用，并按计划取样评价性能变化的方法。核心度量为累计太阳辐照量与暴露时段，前者单位常用 MJ/m²，后者用于描述观测所覆盖的日历区间。适用对象包括户外用塑料、涂层、橡胶、纺织品与复合材料及其制件。
典型对象与场景
- 建筑用塑料型材、板材与户外装饰件
- 汽车外饰塑料件与车身涂层
- 农膜、遮阳材料与土工合成材料
- 卷材涂料、防腐涂层与金属面漆体系
- 光伏组件封装材料与户外密封件
常见误解澄清
常见误解是把某场地、某时段的暴露结果当作材料的通用寿命值。自然暴露给出的是特定场地与特定时段条件下的观测序列，属于比较基准与方法验证依据，不是可外推到任意地区的结论；年际气候波动、暴露角、背板状态与试样朝向都会改变结果。另一个误解是把「暴露月数」等同于「承受剂量」，二者须通过累计辐照量建立关联后才能用于跨期比较。
核心关系式
H = ∫ E(t) dt
- H：累计辐照量，描述暴露时段内试样承受的辐射剂量
- E(t)：随时间变化的瞬时辐照度
- t：暴露时间，积分区间为暴露起止时段
- λ：波长，用于说明光源或滤光组合的光谱匹配范围
由此形成认知口径的转变：从记录「晒了多久」，转为记录「承受了多少辐照量、性能随剂量如何变化」。前者是日历描述，后者才具备跨季节、跨年份与跨场地的比较基础。
术语的中文全称、英文全称与缩写宜在方案中统一，避免把自然暴露、玻璃后暴露与实验室加速暴露混用同一口径。
二、标准体系（依据什么）
| 标准编号 | 名称 | 适用范围 | 核心内容 |
|---|---|---|---|
| GB/T 3681.1-2021 | 塑料 太阳辐射暴露试验方法 第1部分：总则 | 塑料自然暴露通用规则 | 术语、暴露场与装置、试样、程序与结果表示的通用要求 |
| GB/T 3681.2-2021 | 塑料 太阳辐射暴露试验方法 第2部分：直接自然气候老化和暴露在窗玻璃后气候老化 | 户外直接暴露与玻璃后暴露 | 两类暴露方式的装置、安装与取样规定 |
| GB/T 15596-2021 | 塑料 在玻璃过滤后太阳辐射、自然气候或实验室辐射源暴露后颜色和性能变化的测定 | 暴露前后性能变化测定 | 颜色与力学性能变化的测定与表示 |
| GB/T 9276-1996 | 涂层自然气候曝露试验方法 | 色漆和清漆涂层 | 样板制备、曝露架、检查周期与评级记录 |
| GB/T 45183-2025 | 塑料 气候老化试验中辐照量的仪器测定 总则和基本测试方法 | 气候老化辐照量测定 | 辐照量仪器测定的总则与基本方法 |
| ISO 877-1 | 塑料 暴露于太阳辐射 第1部分：通则 | 国际项目自然暴露通则 | 暴露场、装置与试样安装的一般原则 |
| ISO 4582 | 塑料 暴露于玻璃过滤的太阳辐射、自然风化或实验室辐射源后颜色和特性变化的测定 | 暴露后变化测定 | 颜色与特性变化的测定与结果表示 |
| GB/T 1766-2008 | 色漆和清漆 涂层老化的评级方法 | 涂层老化评级 | 变色、粉化、开裂等单项破坏的等级评定 |
通用材料评价多以 GB/T 3681.1-2021 与 GB/T 3681.2-2021 构成自然暴露主线，性能变化测定由 GB/T 15596-2021 承担；涂层类另以 GB/T 9276-1996 与 GB/T 1766-2008 承担曝露与评级；国际项目常并行引用 ISO 877-1 与 ISO 4582。辐照量宜按 GB/T 45183-2025 单独记录，使不同场地与不同年份的数据具备可比基础。标准本身为公开技术文件，编号可正常引用；版本会更新，实际项目须核对现行有效文本。
三、核心方法（怎么分类）
按目的划分
| 类型 | 目的 | 适用阶段 | 典型标准 |
|---|---|---|---|
| 配方筛选 | 比较候选配方的相对耐候表现 | 研发早期 | GB/T 3681.2-2021、ISO 877-1 |
| 相关性基准 | 为实验室加速方法提供对照序列 | 方法验证与数据建库 | GB/T 3681.2-2021、GB/T 45183-2025 |
| 验收与符合性核对 | 核对技术协议规定的暴露后指标 | 定型与交付 | GB/T 15596-2021、GB/T 1766-2008 |
| 失效机理研究 | 观察破坏形貌与发展顺序 | 问题分析与改进 | GB/T 9276-1996、ISO 4582 |
目的决定取样密度与观测指标：以相关性为目标时，累计辐照量与环境记录比单纯暴露月数更关键；以验收为目标时，判定口径须在方案阶段固定。
按方式划分
| 方式 | 原理 | 优缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 直接大气暴露 | 试样无遮挡承受全谱日光与雨水 | 环境真实、周期较长；场地依赖性强 | 户外建材、汽车外饰、土工材料 |
| 窗玻璃后暴露 | 经玻璃滤除部分紫外波段 | 贴近室内或车内环境；须注明玻璃类型 | 汽车内饰、窗边用塑料与涂层 |
| 菲涅耳镜加速自然暴露 | 反射聚光提高日间辐照并跟踪太阳 | 缩短暴露时间；强化应力可能改变机理 | 材料快速筛选、方法比对 |
| 带背板强化暴露 | 改变背面通风以提高试样温度 | 对热敏感材料区分度较高；与自然光谱差异大 | 干热地区用材料筛查 |
方式选择以实际使用光谱与安装环境为准；强化类方式的结果不宜直接换算为常规暴露时长。
按条件划分
| 类型 | 条件 | 目的 | 依据标准 |
|---|---|---|---|
| 定时暴露 | 按固定日历周期取样 | 便于管理与历史数据对照 | GB/T 3681.2-2021、GB/T 9276-1996 |
| 定辐照量暴露 | 达到规定累计辐照量时取样 | 削弱季节与年际差异 | GB/T 45183-2025、ISO 877-1 |
| 多场地并行 | 在干热、湿热、工业大气等场地同步暴露 | 观察气候类型对机理的影响 | GB/T 3681.1-2021、ISO 877-1 |
| 带背板与无背板 | 改变试样背面通风与受热状态 | 贴近实际安装工况 | GB/T 3681.2-2021 |
定辐照量取样更利于跨年度比较；多场地并行可揭示同一材料在不同气候下破坏机理的差异，但须统一试样编号与测定条件。
四、方案设计（怎么做）
实施流程
步骤一 明确目标与依据
- 确定评价目的、性能指标与判定口径；
- 核对标准现行有效版本与产品技术协议；
- 统一术语、单位与记录格式。
步骤二 设计暴露方案
- 选定暴露方式、朝向与倾角；
- 确定场地类型与是否多场地并行；
- 确定取样方式为定时或定辐照量。
步骤三 试样与基准准备
- 预留同批未暴露基准样；
- 按标准要求制备、编号与安装；
- 记录初始外观、颜色、光泽与力学性能。
步骤四 暴露与监测
- 按仪器测定方法记录辐照量与环境要素；
- 按周期巡检固定状态、污染与遮挡情况；
- 按计划取样并留存取样时点记录。
步骤五 测定、评级与复核
- 在规定状态下完成外观与仪器测定；
- 按评级标准给出单项等级；
- 整理原始记录并复核偏离与限制条件。
方案示例
方案甲：户外直接暴露（定时取样）
| 参数 | 设定口径 / 数值 |
|---|---|
| 暴露方式 | 直接大气暴露，朝向与倾角按现行标准文本及技术协议规定 |
| 取样节点 | 按日历周期设置多个取样点，具体周期由技术协议确定 |
| 辐照量记录 | 按 GB/T 45183-2025 仪器测定并逐点留存 |
| 观测指标 | 颜色与光泽变化、外观破坏等级、拉伸或冲击性能保持率 |
| 基准样 | 同批未暴露留样，与暴露样在相同条件下测定 |
| 判定口径 | 指标要求由产品标准或技术协议规定，文中不设统一限值 |
方案乙：定辐照量暴露（跨年度比对）
| 参数 | 设定口径 / 数值 |
|---|---|
| 触发条件 | 达到规定累计辐照量时取样，剂量阈值按技术协议确定 |
| 环境记录 | 辐照量、温度、湿度、降水与润湿时间同步记录 |
| 场地数量 | 可设单一基准场地或多场地并行 |
| 结果表达 | 以累计辐照量为横坐标给出性能变化曲线 |
| 数据衔接 | 保留同批试样用于实验室光老化对照 |
关系式与变量
R = X(t) / X(0)
- R：性能保持率，为无量纲比值，工程上常换算为百分数表示
- X(0)：暴露前性能指标初始值
- X(t)：暴露至某时点或达到某累计辐照量时的性能值
设计要点
- 暴露应力不得超过材料实际使用条件的合理范围；
- 结果需结合场地与时段外推到正常使用条件；
- 同批基准样与暴露样的测定条件保持一致；
- 以累计辐照量而非单纯日历时间作为跨期比较基础。
五、典型应用场景（用在哪里）
户外建筑用塑料型材与板材
- 指标要求：性能保持率不低于产品技术协议规定值，变色与粉化处于规定的可接受等级区间（评级采用 0 至 5 级刻度）
- 方案选择：直接大气暴露配合定辐照量取样
- 条件要素：暴露角、背板状态、润湿时间与辐照量记录
- 标准依据：GB/T 3681.1-2021、GB/T 3681.2-2021、GB/T 15596-2021、GB/T 45183-2025
汽车外饰涂层与塑料件
- 指标要求：光泽保持率与色差达到技术协议规定的可接受区间
- 方案选择：多场地并行暴露，湿热与干热场地对照
- 条件要素：朝向、安装姿态、样品清洗与巡检周期
- 标准依据：GB/T 9276-1996、GB/T 1766-2008、ISO 877-1
农膜与土工合成材料
- 指标要求：拉伸与撕裂性能保持率满足产品标准要求
- 方案选择：直接暴露配合分阶段取样
- 条件要素：无背板安装，受光面与实际铺设方式一致
- 标准依据：GB/T 3681.2-2021、GB/T 15596-2021
卷材涂料与防腐涂层
- 指标要求：粉化、开裂、起泡单项等级处于规定可接受区间
- 方案选择：自然暴露与实验室光老化并行开展
- 条件要素：样板朝向、底材类型与涂层配套体系一致
- 标准依据：GB/T 9276-1996、GB/T 1766-2008、ISO 4628 系列
六、数据分析（怎么算）
R = X(t) / X(0)
性能保持率。结果为无量纲比值，可换算为百分数表示。R 下降较缓说明该指标对气候作用的敏感性较低；不同指标的 R 曲线不宜合并成单一耐候分数，应分别列出，避免掩盖某一项的早期变化。
H = ∫ E(t) dt
累计辐照量。把随时间变化的辐照度在暴露时段内积分。以 H 代替日历时间作为横坐标，可削弱季节与年际辐照差异带来的离散。E(t) 为瞬时辐照度，t 为暴露时间，积分区间为暴露起止时段；使用不同波段时须注明光谱范围。
ΔE = √[(ΔL*)² + (Δa*)² + (Δb*)²]
色差。由 CIELAB 色空间三个坐标方向的变化合成，把目视变色转为连续量。ΔL* 为明度差，Δa* 为红绿方向差，Δb* 为黄蓝方向差；计算所需的颜色测定与计算口径按相应颜色测量标准执行。
数据分析宜区分两类量：连续量（性能保持率、色差、光泽）适合回归与趋势分析；序数等级（0 至 5 级）适合用频数或等级分布描述，不宜直接作算术平均后外推。自然暴露常呈现「初期变化较快、后期趋缓」或「诱导期后加速」两类形态，选用线性或分段模型前宜先观察散点形态。试样数量、取样节点数与环境记录完整性共同决定结论的可用范围，模型中还应说明场地、时段与暴露方式等限制条件。
七、挑战与前沿（还有什么难题）
- 暴露周期较长，配方迭代节奏与验证周期难以同步；
- 同一材料在不同气候场地的破坏机理可能不同，单一场地代表性有限；
- 年际气候波动使不同年份的数据难以直接比较；
- 累计辐照量测定与光谱匹配记录不完整，削弱数据可比性；
- 暴露角、背板与安装姿态会改变试样实际受热与润湿状态；
- 外观等级属序数尺度，与连续量指标之间缺少统一换算关系；
- 实验室加速结果与自然暴露的相关性需逐材料、逐指标验证。
前沿方向：辐照量在线测定与多场地联网数据库、基于剂量而非日历时间的暴露设计、加速试验方法标准化、材料降解的数字孪生与机器学习寿命预测、在役状态的 PHM 式评估。
八、结语
耐候性是设计出来的，不是靠一次曝晒测出来的。
自然气候暴露的价值，在于为材料与涂层提供真实环境下的观测基准，帮助识别薄弱环节、验证实验室方法并推动配方与结构改进。回扣前述标准体系：GB/T 3681 系列给出暴露通则与方式，GB/T 45183-2025 让剂量可测，GB/T 15596-2021 与 GB/T 1766-2008 让变化可评。理解这套方法论，是把「晒了多久」推进到「承受了多少剂量、性能如何变化」的起点。
文中所述方法与结果为技术参考，不构成产品认证或验收合格结论，也不作为对整批材料、后续批次或长期服役表现的符合性认定；试验条件、判定口径与标准版本以现行有效文本及技术协议为准。
