汽車用纖維吸音材料性能研究?

岳 洋,趙福全,金建偉,楊 豪,劉 強

(浙江吉利汽車研究院有限公司,浙江 杭州 311228)

引 言

對車輛 NVH性能的改進研究中,應(yīng)用具有聲學(xué)作用的材料(如吸音、隔音、減振、密封材料等)對整車進行聲學(xué)處理,是降低車內(nèi)振動和噪聲,提升車輛NVH性能的重要手段[1,2]。關(guān)于材料對車內(nèi)噪聲的改進作用,國內(nèi)外已有相關(guān)文獻進行研究[3～7]。為降低車內(nèi)的中高頻噪聲,通常在車身相關(guān)部位使用吸音材料進行聲學(xué)封裝。常用的吸音類材料主要包括纖維類、發(fā)泡樹脂類、聚氨酯類等[8,9]。聚酯+聚丙烯(PET+PP)纖維作為一種特殊工藝成型的材料,目前已經(jīng)逐漸作為整車吸音材料取代普通纖維類材料進行使用。它是將結(jié)構(gòu)纖維和吹熔絲兩種不同類型的材料通過無紡技術(shù)結(jié)合而成:結(jié)構(gòu)纖維為人造短纖維,用于控制材料的厚度,平均纖維直徑為 25 μm,成分是聚酯(PET);吹熔絲是采用吹熔技術(shù)成網(wǎng),平均纖維直徑為2μm,成分是聚丙烯(PP)。整體材料通過兩種纖維組成的特殊分子結(jié)構(gòu)達到吸音的作用。本文重點研究了聚酯+聚丙烯雙組分纖維吸音材料的理化性能和聲學(xué)性能,以及對車內(nèi)噪聲的改進作用。

1 材料性能

1.1 材料理化性能

對 PET+PP雙組分纖維材料的熱阻系數(shù)和耐久性進行了測試,并與普通纖維類材料進行對比,以研究此材料的性能水平。

1.1.1 熱阻系數(shù)

用熱傳導(dǎo)系數(shù)測試儀(RAPID-K)對 PET+PP纖維材料和再生纖維材料分別進行了熱阻系數(shù)的測試。試驗樣品規(guī)格:

1.PET+ PP纖維 (面密度 200 g/m2,厚度 10 mm);

2.再生纖維 (面密度 400 g/m2,厚度 10 mm)。兩種纖維材料熱阻系數(shù)的測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種纖維材料熱阻系數(shù)的比較

材料的熱阻系數(shù)衡量了材料本身阻隔熱量的能力,數(shù)值越大,在相同的環(huán)境條件下,隔絕的能量就越多,材料的隔熱性能越好。從圖 1中 PET+PP纖維和再生纖維熱阻系數(shù)的比較來看,PET+PP纖維的熱阻系數(shù)較高,達到1.51,為再生纖維熱阻系數(shù)的2倍。當(dāng)這種材料在車輛中使用時,更利于對發(fā)動機、排氣系統(tǒng)和車外環(huán)境產(chǎn)生熱量的隔絕,對車內(nèi)的保溫效果要優(yōu)于普通纖維類材料。

1.1.2 耐久性

結(jié)合纖維類吸音材料在實際車輛中的應(yīng)用環(huán)境,材料本身的抗霉性、疏水性、抗壓回復(fù)性是衡量材料耐久性的 3個重要因素,如果材料本身易發(fā)霉、易吸水、抗壓回復(fù)性差,將嚴重影響材料的耐久性。對于聲學(xué)材料來說,發(fā)霉、吸水、壓縮會破壞材料本身的物理結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致材料聲學(xué)性能下降。通過測試分別考察了PET+PP纖維材料和其他纖維材料的抗霉性、疏水性和抗壓回復(fù)性,并進行了對比分析。

(1)抗霉性

為考察PET+PP纖維、再生纖維、聚酯纖維、聚氨酯泡沫4種材料的抗霉性能,按 ASTM G21所規(guī)定的方法對 4種材料進行了抗霉試驗。

試驗樣品規(guī)格:

1.PET+PP纖維 (面密度 200 g/m2,厚度 10 mm,尺寸 50 mm×50 mm);

2.再生纖維 (面密度 400 g/m2,厚度 10 mm,尺寸 50 mm×50 mm);

3.PET纖維 (面密度 400 g/m2,厚度 10 mm,尺寸 50 mm×50 mm);

4.聚氨酯泡沫(面密度 40 g/m3,厚度 10 mm,尺寸 50 mm× 50 mm)。

4種材料抗霉性的測試結(jié)果如圖2所示。

通過圖 2可以看出,除 PET+PP纖維外,其他材料均出現(xiàn)了不同程度的發(fā)霉現(xiàn)象,PET+PP纖維材料的抗霉性能要優(yōu)于其他材料。

(2)疏水性

按GM 9146P標準規(guī)定的方法對PET+PP纖維和再生纖維兩種材料的疏水性進行考察。取兩種材料的質(zhì)量均為 10 g,在水中浸泡5 min后,定時稱量材料的質(zhì)量,材料的質(zhì)量隨時間的變化曲線如圖 3所示。

由圖 3中曲線可以看出,PET+PP纖維材料在水中浸泡后的質(zhì)量增長倍率小于再生纖維的質(zhì)量增長倍率,由此可見前者的分子結(jié)構(gòu)對水份的吸收能力更小。隨著時間的增長,PET+PP纖維可以在20 h后回復(fù)到自身吸水前的質(zhì)量,而再生纖維的疏水性相對較差,20 h過后,材料的自重仍為原來的5倍左右。

(3)壓縮回復(fù)性

對 PET+PP纖維和聚氨酯泡沫兩種材料受外力壓縮后的回復(fù)性進行了考察。

樣品規(guī)格及試樣條件如下:

1.PET+PP纖維 (面密度 400 g/m2,厚度 20 mm,尺寸 150 mm×150 mm);

圖2 4種材料抗霉性的比較

圖3 兩種材料疏水性的比較

2.聚氨酯泡沫(面密度 40 g/m3,厚度 20 mm,尺寸 150 mm× 150 mm)。

試驗機壓頭為圓盤型,可提供0.06 Pa的壓強。試驗時,在室溫和 65℃兩組溫度條件下將壓頭整體壓在材料表面上,保持 0.06 Pa的壓力 2 h,撤掉壓力,將受壓后的材料在室溫下調(diào)節(jié) 2小時后,進行材料厚度的測量。

測試結(jié)果如圖 4和 5所示。

圖4 室溫下兩種材料壓縮回復(fù)性的比較

圖5 65°C下兩種材料壓縮回復(fù)性的比較

通過兩種材料壓縮回復(fù)性的比較可以看出,在室溫條件下,PET+PP纖維材料的壓縮回復(fù)性要略好于聚氨酯泡沫材料;在 65°C條件下,PET+PP纖維材料的壓縮回復(fù)性與室溫條件下的變化不大,而聚氨酯泡沫在 65°C條件下的壓縮回復(fù)性與室溫下差別很大,性能只有原來的50%左右。車輛在實際使用過程中,乘員艙會受到日光的照射,內(nèi)部溫度可能會在80°C甚至更高。材料的壓縮回復(fù)性好,材料耐久性能也相應(yīng)的提高。在車輛中使用PET+PP纖維作為吸音材料,更利于吸音作用的長久保持。

1.2 材料聲學(xué)性能

對 PET+PP雙組分纖維材料的吸音系數(shù)進行了測試,考察材料的吸音性能水平,并與普通纖維類材料進行對比。

試驗儀器:B&K Model 4206(2探頭全阻抗測試管)

試驗標準:ASTM E1050

試驗樣品的尺寸為直徑為 99和 29 mm的圓盤型試樣各一塊。直徑99 mm的試樣用于測試材料對低頻率段(125～1 600 Hz)噪聲的吸音曲線,直徑 29 mm的試樣用于測試材料對高頻率段(500～ 6 300 Hz)噪聲的吸音曲線,材料的全頻率段吸音曲線由兩條曲線擬合而成。

1.2.1 不同面密度纖維的吸音性能

為比較不同面密度 PET+PP纖維材料吸音性能,對 3組材料的吸音系數(shù)進行了測試。

試驗樣品:

1.PET+ PP纖維 (面密度 200 g/m2,厚度 13 mm);

2.PET+ PP纖維 (面密度 300 g/m2,厚度 21 mm);

3.PET+ PP纖維 (面密度 400 g/m2,厚度 28 mm)。

材料吸音系數(shù)的測試結(jié)果如圖 6所示。

圖6 不同面密度 PET+PP纖維材料吸音曲線

PET+PP纖維材料吸音系數(shù)隨頻率的變化曲線與普通多孔吸音材料的變化趨勢一致[10]:材料吸音系數(shù)隨著頻率的增大而逐漸升高,材料對中高頻,尤其是1 500 Hz以上的聲波具有良好的吸收作用。另外,隨著材料面密度的增加,材料總體的吸音性能增強,但是面密度為 300和400 g/m2的 PET+PP纖維材料的系數(shù)在 2 500 Hz以后略有下降。

1.2.2 不同種類纖維的吸音性能

為比較相同面密度、不同厚度 PET+PP纖維,PET+PP纖維、PET纖維材料和再生纖維材料的吸音性能,對4組材料的吸音系數(shù)進行了測試。

試驗樣品:

1.PET+ PP纖維 (面密度 200 g/m2,厚度 26 mm);

2.PET+PP纖維 (面密度 200 g/m2,厚度 13 mm);

3.PET纖維(面密度 350 g/m2,厚度 10 mm);

4.再生纖維 (面密度 400 g/m2,厚度 10 mm)。

材料吸音系數(shù)的測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同種類纖維材料吸音曲線

通過圖 7的材料吸音系數(shù)曲線分析,相同面密度的PET+PP纖維,在相同頻率下的吸音系數(shù)隨材料厚度的增大而增大。其原因是由于厚度增大使聲波透過材料的阻礙增強,材料對聲波能量的消耗增大,故材料的吸音性能增強。另外,通過 PET+PP纖維和 PET纖維、再生纖維吸音曲線的比較來看,PET+PP纖維在較小的面密度下表現(xiàn)了更強的吸音效果,面密度 200 g/m2的 PET+ PP材料在 200～6 300 Hz頻率段的吸音系數(shù)均高于面密度350g/m2的PET纖維和面密度400 g/m2的再生纖維。在整車中應(yīng)用 PET+PP纖維材料在保證良好吸音效果的同時,有利于整車聲學(xué)內(nèi)飾的輕量化;而面密度為350 g/m2的 PET纖維和面密度為400 g/m2的再生纖維相比,吸音曲線基本相近,PET纖維的吸音性能略好于再生纖維。

1.2.3 纖維熱老化后吸音性能

為考察 PET+PP纖維材料熱老化前后吸音性能的保持情況,對兩組材料進行測試。

試驗樣品:

1.PET+PP纖維 (面密度 200 g/m2,厚度 26 mm,室溫條件 );

2.PET+PP纖維 (面密度 200 g/m2,厚度 26 mm,經(jīng) 65°C 2h熱老化 ,在室溫下調(diào)節(jié) 2 h)。

材料吸音系數(shù)的測試結(jié)果如圖8所示。

由圖8曲線分析,PET+PP纖維材料經(jīng)65°C熱老化前后,材料的吸音性能略有下降,這是由于材料受熱回復(fù)后,材料的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定變化影響

圖8 PET+PP纖維材料熱老化前后吸音曲線

了對聲波能量的消耗作用。從下降數(shù)值上來說,基本都在 0.05以內(nèi),所以材料整體的吸音性能變化不大。

2 材料對整車噪聲的改進

2.1 測量

2.1.1 測試車輛和材料方案

為研究 PET+PP纖維材料對整車噪聲的改進效果,選取某工裝樣車作為測試車輛,將 3組材料方案在同一樣車上進行實施。每實施一組方案后,將樣車恢復(fù)到初始狀態(tài),進行測試,然后再進行下一套材料方案的實施。每次恢復(fù)車輛后,對車輛的密封性進行檢查,以保證車輛在實施材料方案前后狀態(tài)的一致性,使測試結(jié)果具有可比較性。

測試樣車信息如下:SUV車型,手動擋,發(fā)動機排量 1.8 L,兩輪前驅(qū)。

PET+PP纖維材料應(yīng)用方案內(nèi)容包括:

方案一:在 4個車門、后背門內(nèi)飾板上粘貼 PET+PP纖維材料,面密度 600 g/m2,厚度為 42 mm,材料覆蓋面積為整個車門、背門大小。

方案二:在輪罩部位的翼子板襯板上粘貼 PET+PP纖維材料,面密度 600 g/m2,厚度為 42 mm,材料覆蓋面積為整個輪罩。

方案三:在 4個車門內(nèi)飾板上粘貼 PET+PP纖維材料,材料覆蓋面積為整個車門大小;在輪罩部位的翼子板襯板上粘貼 PET+PP纖維材料,材料覆蓋面積為整個輪罩;在 A,B和 C柱的上下裝飾板內(nèi)側(cè)粘貼PET+PP纖維材料,材料覆蓋面積為整個內(nèi)飾板大小。材料面密度 600 g/m2,厚度為 42 mm。

2.1.2 測試工況

為考察 PET+PP纖維材料對中高頻噪聲的吸收效果,對整車車內(nèi)噪聲進行測試,具體測試工況如下:

1.在平滑的瀝青路面上進行車輛勻速噪聲的測試,測試車輛的速度分別為 60,80和100 km/h;

2.在空曠的場地上進行車輛怠速噪聲的測試,發(fā)動機轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集

測量設(shè)備為 LMS移動噪聲測試儀、LMS Test.Lab8A軟件。在車內(nèi)前排主駕駛座右耳位置放置麥克風(fēng)來進行測試數(shù)據(jù)的采集,采樣頻率為 1.25 Hz,每次測試時,確保每個麥克風(fēng)放置的位置和方向相同。測試的聲學(xué)信號被放大后,由數(shù)碼記錄器進行記錄以備后續(xù)進行分析和解碼。在車內(nèi)噪聲的測試過程中,關(guān)閉空調(diào)、音響設(shè)備和所有的車窗玻璃,以盡可能降低其他因素對車內(nèi)噪聲的影響。每種工況下,均采集4段獨立的數(shù)據(jù),每次采集時間為15 s。如在數(shù)據(jù)采集的過程中,出現(xiàn)其他噪聲干擾,則此采集數(shù)據(jù)作廢,重新進行數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)信號經(jīng)頻譜分析后得出頻率和分貝數(shù)值的曲線,所有的聲學(xué)測量所得的聲壓級數(shù)值均以 A級計權(quán)。

2.2 測試結(jié)果與分析

表 1顯示了原狀態(tài)車和實施材料方案的樣車駕駛員右耳的噪聲情況。

表 1樣車駕駛員右耳的噪聲數(shù)值 /d B(A)

圖9為分別實施 3組方案后,試驗樣車在怠速3 000 r/min工況下,駕駛員右耳噪聲與原車噪聲的一組測試對比頻譜。

通過3組材料方案實施前后樣車怠速 3 000 r/min噪聲數(shù)值的對比可以看出,在車門、輪罩、A/B/C柱加裝 PET+PP纖維材料,對整車怠速噪聲均有一定的降低作用。發(fā)動機在怠速3 000 r/min時產(chǎn)生噪聲主要以中高頻為主,所以PET+PP纖維在車輛怠速 3 000 r/min時對車內(nèi)噪聲的降低效果比較明顯。方案1與方案2相比,前者對怠速噪聲的降低更為顯著,降低幅度為5 d B(A)左右,這說明樣車的車門聲學(xué)作用較差。對于方案2,在樣車的輪罩部位加裝 PET+PP材料對于怠速噪聲的降低幅度低于車門加裝方案,主要原因是輪罩部位面積小于車門部位面積,另外輪罩部位吸音材料對胎噪作用更大,而測試工況為車輛怠速靜置狀態(tài)的原因。對于方案3,材料的應(yīng)用部位較前兩個方案增多,應(yīng)用面積增大后,車輛怠速噪聲的降低幅度并沒有增大,A/B/C柱裝飾板加裝吸音材料對車輛怠速噪聲降低的貢獻量不明顯。

圖9 3組材料方案實施前后樣車怠速 3 000 r/min噪聲對比

圖10為分別實施 3組方案后,試驗樣車在勻速工況下,駕駛員右耳噪聲與原車噪聲對比情況。

圖10 3組材料方案實施前后樣車勻速噪聲對比

由圖10曲線可以看出,實施3組材料方案后,車內(nèi)噪聲數(shù)值有顯著下降,其中方案 3的降噪效果最為明顯。與原車相比,實施方案3后,樣車在勻速60,80和 100 km/h工況下的駕駛員右耳噪聲分別降低了 1.20,4.06和 2.74 d B(A),這說明了在車輛勻速行駛時,車門部位、輪罩部位和立柱裝飾板部位上應(yīng)用的PET+PP纖維材料對輪胎噪聲、風(fēng)噪聲起到了優(yōu)良的吸收作用。從PET+PP材料對不同車速下車內(nèi)噪聲的吸收效果來看,在車速為80 km/h時,實施材料方案前后,車內(nèi)噪聲的下降幅度最為明顯,方案1,方案 2和方案 3分別使試驗樣車 80 km/h的車內(nèi)噪聲下降了 2.42,2.87和4.05 d B(A),這說明了材料對樣車勻速80 km/h時車內(nèi)噪聲頻率段的吸收性能較為優(yōu)異。

3 結(jié) 論

PET+PP雙組分纖維材料的理化性能和聲學(xué)性能較為優(yōu)異,與普通纖維材料相比,材料具有更好地隔熱性、耐久性和聲學(xué)穩(wěn)定性。用此材料對車輛進行整車聲學(xué)封裝處理,可明顯降低車內(nèi)噪聲。另外,PET+PP雙組分纖維在環(huán)保和輕量化方面都具有優(yōu)勢,材料在乘用車上的逐漸應(yīng)用也代表了整車降噪處理用材的發(fā)展趨勢,即在輕質(zhì)、環(huán)保、可回收的基礎(chǔ)上體現(xiàn)優(yōu)異的聲學(xué)性能。由于材料的工藝特殊,生產(chǎn)技術(shù)壟斷等因素導(dǎo)致材料的價格要高于普通的纖維材料,目前材料在經(jīng)濟型轎車上的使用還不廣泛。但是,相信隨著國內(nèi)技術(shù)的發(fā)展,材料的國產(chǎn)化會使其成本降低,PET+PP纖維材料在乘用車上的應(yīng)用前景會更加廣闊。

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