一、概念释义（是什么）
老化试验相关性（Correlation；加速相关性常写作 Accelerated-to-Natural Correlation）描述同一材料、同一性能指标在实验室光老化与自然户外暴露两种条件下的结果一致程度。常用 Spearman 秩相关系数 ρ 或 Pearson 相关系数 r 表达排序或线性一致程度；加速因子 AF 表达两种暴露达到同一性能终点所需剂量或时间之比。相关量与加速因子均为无量纲量，用于判断加速方法能否承担配方筛选与相对排序。
典型对象与场景
- 塑料候选配方的耐候排序
- 涂层体系的失光与变色趋势
- 汽车内外饰非金属材料的材料变更验证
- 户外用橡胶与密封件的性能衰减比较
- 以自然暴露序列为基准的寿命预估建模
常见误解澄清
常见误解是把加速倍数当作通用常数。AF 随材料体系、配方、性能指标、光源光谱与循环条件改变，一个体系得到的倍数不宜套用到另一个体系；相关性较高也不等于可以据此推算服役年限，秩相关只说明排序一致，不提供时间换算关系。另一个误解是把实验室暴露小时数直接视为户外暴露月数的等价量，二者应以累计辐照量建立联系。
核心关系式
AF = D_nat / D_lab
- AF：加速因子，无量纲
- D_nat：自然暴露达到规定性能终点时的累计辐照量
- D_lab：实验室光老化达到同一终点时的累计辐照量
- ρ：秩相关系数，用于表达两种暴露下材料排序的一致程度
认知口径由此从「实验室做了多少小时」转向「两种暴露对同一终点是否给出一致排序、剂量如何对应」。前者是设备运行记录，后者才是相关性验证的对象。
术语宜在方案中固定：相关性与加速因子回答的问题不同，报告中应分别列示，不宜合并为单一结论。
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 16422.1-2019 | 塑料 实验室光源暴露试验方法 第1部分：总则 | 实验室光老化通用规则 | 总则、装置、试样、程序、结果表示与相关性提示 |
| GB/T 16422.2-2022 | 塑料 实验室光源暴露试验方法 第2部分：氙弧灯 | 全光谱氙弧灯暴露 | 光源、滤光组合、辐照与循环条件 |
| GB/T 16422.3-2022 | 塑料 实验室光源暴露试验方法 第3部分：荧光紫外灯 | 紫外波段强化暴露 | 荧光紫外灯、冷凝与辐照循环 |
| 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 | 自然对照序列 | 直接暴露与玻璃后暴露的装置与取样 |
| 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 | 两类暴露的剂量归一 | 辐照量仪器测定的总则与基本方法 |
| 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 | 两类暴露后性能变化测定 | 颜色与性能变化的测定与表示 |
| GB/T 1865-2009 | 色漆和清漆 人工气候老化和人工辐射暴露 滤过的氙弧辐射 | 涂层人工气候老化 | 氙弧辐射暴露的设备与程序 |
| ISO 4892-1 | 塑料 实验室光源暴露方法 第1部分：通则 | 国际项目光老化通则 | 一般导则与相关性说明 |
实验室侧以 GB/T 16422 系列与 ISO 4892 系列为主体，涂层类另可引用 GB/T 1865-2009 与 ISO 11341；自然侧以 GB/T 3681.2-2021 建立对照序列，性能变化测定由 GB/T 15596-2021 承担。GB/T 45183-2025 使辐照量可测，是把设备运行小时转为可比较剂量的前提。需要说明：相关性不是某个标准给出的固定结论，而是针对具体材料、具体指标与具体试验组合的验证结果。
三、核心方法（怎么分类）
按相关对象划分
| 类型 | 比较指标 | 优点 | 局限 |
|---|---|---|---|
| 外观型 | 色差、光泽、粉化与开裂等级 | 取样便捷、历史数据较多 | 等级属序数尺度，分辨率有限 |
| 力学型 | 拉伸、冲击与弯曲性能保持率 | 与结构功能关联较直接 | 多为破坏性取样，试样需求较多 |
| 化学型 | 羰基指数、分子量与红外特征变化 | 对降解早期较敏感 | 需专用设备，与外观未必同步 |
按对象划分决定评价指标。同一材料在不同指标上可能给出不同的相关性结论，宜按指标分别报告，避免以单一指标代表整体耐候表现。
按统计方式划分
| 方式 | 原理 | 优点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 秩相关 | 比较材料在两种暴露下性能排序的一致性 | 不依赖线性假设，对异常值较稳健 | 配方筛选、耐候排序验证 |
| 线性回归 | 建立两类结果之间的线性对应关系 | 可给出斜率与区间描述 | 同族材料、指标连续且近似线性 |
| 剂量等效 | 以达到同一终点的累计辐照量之比定义加速因子 | 削弱日历时间差异 | 加速倍数的初步估计 |
| 时间到终点 | 比较达到规定性能阈值所需暴露时长 | 直观，便于方案沟通 | 受季节与设备条件影响较大 |
秩相关回答「排序是否一致」，剂量等效回答「倍数如何估计」，二者层级不同，不宜互相替代或合并表述。
按验证设计划分
| 设计 | 条件 | 目的 | 依据标准 |
|---|---|---|---|
| 同批配对 | 同一批次试样分送两种暴露 | 控制材料批次变异 | GB/T 16422.1-2019、GB/T 3681.2-2021 |
| 多光源对照 | 氙弧与荧光紫外并行开展 | 检验光源光谱的影响 | GB/T 16422.2-2022、GB/T 16422.3-2022 |
| 多场地对照 | 不同气候类型自然暴露场并行 | 检验场地代表性 | GB/T 3681.1-2021、ISO 877-1 |
| 多指标并列 | 外观、力学、化学指标同步观测 | 检验结论的指标依赖性 | GB/T 15596-2021、ISO 4582 |
验证设计的核心在于控制变量：批次、试样状态、测定条件与终点定义须保持一致，否则观察到的差异可能来自测定环节而非暴露方式。
四、方案设计（怎么做）
实施流程
步骤一 定义终点与指标
- 确定评价目的与性能指标；
- 统一性能终点的定义与测定方法；
- 写明统计口径与分层方式。
步骤二 配对试样设计
- 同一批次试样分送两类暴露；
- 预留未暴露基准样与对照样；
- 固定试样状态、编号与测定条件。
步骤三 并行实施与剂量记录
- 按选定循环开展实验室暴露；
- 同期开展自然暴露并记录环境要素；
- 两类暴露同步记录累计辐照量。
步骤四 统计计算与分层报告
- 按材料与指标分别整理观测序列；
- 计算秩相关或回归关系；
- 按材料族、指标与光源分层列出结果。
步骤五 适用性界定与复核
- 写明结论适用的材料与条件范围；
- 复核偏离、缺失数据与异常点；
- 整理原始记录与限制条件说明。
方案示例
方案甲：秩相关验证
| 参数 | 设定口径 / 数值 |
|---|---|
| 材料集 | 同族候选配方或同一体系不同批次，数量由方案确定 |
| 实验室暴露 | 按 GB/T 16422.2-2022 或 GB/T 16422.3-2022 选定循环，条件按现行标准文本与技术协议规定 |
| 自然暴露 | 按 GB/T 3681.2-2021 同期开展并记录累计辐照量 |
| 终点定义 | 以规定的性能保持率变化或外观等级变化作为观测终点 |
| 统计输出 | 按材料分别排序并计算秩相关系数 |
| 判定口径 | 相关性可接受水平由技术协议规定，文中不设统一阈值 |
方案乙：剂量等效估计
| 参数 | 设定口径 / 数值 |
|---|---|
| 性能终点 | 同一指标的规定变化水平，两类暴露保持一致 |
| 剂量归一 | 两类暴露均以累计辐照量表达 |
| AF 计算 | 同一终点下自然暴露剂量与实验室剂量之比 |
| 分层输出 | 按材料族与性能指标分别给出加速因子 |
| 限制说明 | 加速因子不作跨材料族、跨光源外推依据 |
关系式与变量
ρ = 1 − 6 Σ d² / [ n ( n² − 1 ) ]
- ρ：Spearman 秩相关系数，取值反映两组排序的一致程度
- d：同一材料在两种暴露下名次之差
- n：参与排序的材料数量
- Σ：对所有材料的名次差平方求和
设计要点
- 实验室应力水平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；
- 相关性按材料族、性能指标与光源分层报告；
- 加速因子不作为跨体系换算或寿命承诺依据。
五、典型应用场景（用在哪里）
塑料配方筛选
- 指标要求：两种暴露下候选配方的耐候排序一致程度达到技术协议规定水平
- 方案选择：秩相关验证配合同批配对设计
- 条件要素：光源与滤光组合、循环方式、取样节点统一
- 标准依据：GB/T 16422.1-2019、GB/T 16422.2-2022、GB/T 3681.2-2021
涂层耐候方法确认
- 指标要求：失光与变色在两类暴露下的变化趋势一致
- 方案选择：线性回归配合多指标并列观测
- 条件要素：底材、涂层配套体系与样板朝向一致
- 标准依据：GB/T 1865-2009、GB/T 9276-1996、ISO 11341
供应商或批次变更验证
- 指标要求：变更后材料在两类暴露下满足技术协议规定的比较口径
- 方案选择：同批配对配合时间到终点比较
- 条件要素：批次、试样状态与测定条件一致
- 标准依据：GB/T 15596-2021、GB/T 16422.3-2022
寿命预估建模输入
- 指标要求：剂量等效关系的可解释范围由模型与技术协议共同界定
- 方案选择：剂量等效配合多场地自然对照
- 条件要素：累计辐照量、环境要素与取样节点记录完整
- 标准依据：GB/T 45183-2025、GB/T 3681.1-2021
六、数据分析（怎么算）
ρ = 1 − 6 Σ d² / [ n ( n² − 1 ) ]
Spearman 秩相关系数。d 为同一材料在两种暴露下的名次之差，n 为参与排序的材料数量，Σ 表示对所有材料的名次差平方求和。ρ 越接近 1，说明两组排序越一致；该量只反映次序，不反映量值差距，也不提供时间换算关系。
AF = D_nat / D_lab
加速因子。D_nat 为自然暴露达到规定终点的累计辐照量，D_lab 为实验室达到同一终点的累计辐照量。AF 为无量纲比值，须标明材料族、指标、光源与循环条件；同一材料在不同性能指标下可能得到不同的 AF。
D = ∫ E(t) dt
剂量归一。E(t) 为瞬时辐照度，t 为暴露时间，D 为积分得到的累计辐照量。把两类暴露都换算为剂量后比较，可削弱设备运行时长与季节辐照差异带来的偏差；使用不同波段时须注明光谱范围。
统计解释上宜区分两个层级：相关性分析解决「排序是否一致」，回归与剂量等效解决「量值如何对应」。材料老化常存在诱导期与非线性段，线性回归前宜检查散点形态与残差分布；参与排序的材料数量较少时，相关量的不确定性区间较宽，宜以分层描述替代单点结论。外观等级属序数尺度，应先转为秩次再参与统计，不宜把等级当作等距量做算术平均。
七、挑战与前沿（还有什么难题）
- 自然对照序列周期较长，验证进度受场地与气候条件制约；
- 同一材料在不同性能指标上可能给出不同的相关性结论；
- 光源光谱与滤光组合差异会改变降解机理，影响排序一致性；
- 实验室强化应力过高时可能引入自然条件下不出现的破坏形式；
- 累计辐照量测定口径不一致，剂量等效结果难以横向比较；
- 序数等级与连续量之间缺少统一的统计处理规则；
- 加速因子的跨材料、跨光源外推缺少充分依据。
前沿方向：基于辐照量的暴露剂量归一、多场地联网对照数据库、加速试验标准化、降解机理的数字孪生与机器学习寿命预测、面向在役状态的 PHM 式评估。
八、结语
相关性是验证出来的，不是套用出来的。
相关性研究的价值，在于明确实验室加速方法能够回答什么问题、不能回答什么问题，帮助识别加速条件的适用边界、改进配方筛选方式并减少误判。回扣前述标准体系：GB/T 16422 系列给出实验室暴露通则与光源分册，GB/T 3681.2-2021 提供自然对照序列，GB/T 45183-2025 让剂量可测，GB/T 15596-2021 让变化可比。理解这套方法论，是把「实验室做了多少小时」推进到「排序是否一致、剂量如何对应」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。
