汽車用復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)膠片

徐豐辰，繆興和，繆智剛

（柳州市興拓工貿(mào)有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545006）

汽車用復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)膠片

徐豐辰，繆興和，繆智剛

（柳州市興拓工貿(mào)有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545006）

基于汽車NVH（振動(dòng)、噪聲、舒適性）工程的需求，介紹了一種具有剛度補(bǔ)強(qiáng)、阻尼降噪功能的復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)膠片，探討了其在汽車NVH工程上的設(shè)計(jì)、測(cè)試和應(yīng)用。

復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)膠片；玻璃化溫度（Tg）；剛度比；阻尼系數(shù)

目前在線使用的補(bǔ)強(qiáng)膠片一般采用高分子聚合物環(huán)氧樹脂做基材，加之固化劑，可實(shí)現(xiàn)高溫固化，附加到車身板件后，依據(jù)使用要求和使用環(huán)境可分為兩類：一類是增加板件的強(qiáng)度，抵抗外力破壞，關(guān)注的是板件的有效性；另一類是NVH工程的需求，抵抗由振動(dòng)引起的板件變形，關(guān)注的是板件的剛度。

在NVH工程中，控制振動(dòng)引起的噪聲，一般有2個(gè)途徑，其一是降低板件的原激勵(lì)振動(dòng)，特別是對(duì)于較薄的板件，方法是在板件上附加補(bǔ)強(qiáng)材料，利用材料的熱固化特性，增加其剛度，相當(dāng)于加厚了板件；其二是在板件振動(dòng)發(fā)生后，利用阻尼材料的粘彈性，對(duì)抗板件的振動(dòng)，在這里，阻尼材料可等效成一個(gè)彈簧。補(bǔ)強(qiáng)材料的動(dòng)剛度特性，可吸收一些激勵(lì)振動(dòng)能量，但該材料的阻尼性能不好，很難滿足降低噪聲的設(shè)計(jì)要求；阻尼材料沒有熱固化特性，過涂裝線時(shí)只是粘接到板件上，增加的板件剛度有限。在NVH工程設(shè)計(jì)中，有的板件，特別是板件較薄的車門等部位，需同時(shí)增強(qiáng)剛度和阻尼，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用上，一般是在同一板件位置上只能附加一種材料。因此，2種性能不能兼顧，復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)膠片正是為滿足該需求而設(shè)計(jì)的新型NVH工程材料。

1　材料設(shè)計(jì)

為改善補(bǔ)強(qiáng)材料的缺陷，提高其阻尼性能，需在材料中引入具有粘彈性的阻尼層。其設(shè)計(jì)思路是，將具有2種性能的材料，經(jīng)過配方的使用一致性調(diào)整，生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化，以及生產(chǎn)設(shè)備的創(chuàng)新改造，復(fù)合成一個(gè)整體，底層與板件直接粘接補(bǔ)強(qiáng)膠片，在補(bǔ)強(qiáng)層上面，增加具有粘彈性的阻尼層，這樣，經(jīng)涂裝烘烤線時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)層首先固化，阻尼層開始熔融，烘烤結(jié)束冷卻后，在固化后的補(bǔ)強(qiáng)層上形成了阻尼層，等效于加厚的鋼板上附加了阻尼。

涂裝烘烤線烘烤時(shí)間一般為30 min，要求補(bǔ)強(qiáng)層能在10 min內(nèi)迅速固化，固化值（扭矩）應(yīng)≥0.3 N·m，這樣才能保證阻尼層與補(bǔ)強(qiáng)層之間可靠粘接。

1.1補(bǔ)強(qiáng)層

補(bǔ)強(qiáng)層的使用一致性調(diào)整，是將固化溫度調(diào)整到與涂裝烘烤線一致。目前在線應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)材料的固化溫度一般在170～180 ℃左右，涂裝線的烘烤溫度一般在140～160 ℃左右，要達(dá)到使用的一致性，復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層的固化溫度需降低。配方設(shè)計(jì)：環(huán)氧樹脂100份，固化劑10份，促進(jìn)劑2份。為增加粘性，還要加入一定量的橡膠類材料和填料。要把固化溫度降至140 ℃，促進(jìn)劑的選擇較重要。

1.2阻尼層

阻尼層的熔融溫度應(yīng)與涂裝烘烤線一致。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是將材料的玻璃化溫度（Tg）調(diào)整到工作溫度下，使材料具有最大的阻尼性。組成阻尼材料的基材是具有粘彈性的高分子材料，不同的材料有不同的Tg，要用不同Tg的 材料，將其調(diào)整到工作溫度下20～30 ℃，這個(gè)過程也稱改性，阻尼層由改性的高分子粘彈性材料，加之無(wú)機(jī)填料組成。設(shè)計(jì)過程如下：

設(shè)阻尼材料由n個(gè)材料組成，各材料的玻璃化溫度為Tg1、Tg2、Tg3、……Tgn，工作狀態(tài)下的Tg由式（1）計(jì)算。

式中：Tgn：各材料的玻璃化溫度，熱力學(xué)溫度；Tg：阻尼層的玻璃化溫度；Wn：各材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

工程上應(yīng)首先選定高分子粘彈性材料和改性劑，確定基材與輔材的比例，計(jì)算出基礎(chǔ)配方各組分的含量，然后做小樣測(cè)試，最后定型配方。

2　材料結(jié)構(gòu)

將上述補(bǔ)強(qiáng)層、阻尼層按配方設(shè)計(jì)調(diào)整好，按材料結(jié)構(gòu)要求輥壓成型，基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)Fig.1　Composite reinforcing material structure

復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)材料的基本結(jié)構(gòu)是：底部是普通隔離紙，便于包裝運(yùn)輸和安裝，基層是補(bǔ)強(qiáng)層，厚度1 mm，上部是阻尼層，厚度1～2 mm，依據(jù)不同部位的設(shè)計(jì)要求調(diào)整，補(bǔ)強(qiáng)層應(yīng)具有一定的黏性，可直接安裝到車身上，阻尼層與補(bǔ)強(qiáng)層的使用溫度應(yīng)一致。

3　材料性能測(cè)試

材料性能測(cè)試采用阻抗法，首先用鋼板制成基板試條，尺寸270 mm×20 mm×0.8 mm，然后將待測(cè)材料，補(bǔ)強(qiáng)層面向基板，安放在基板上，放入烘箱，按使用溫度烘烤到基板上，30 min后取出，冷卻2 h，制成試件，測(cè)定材料的補(bǔ)強(qiáng)剛度比和阻尼系數(shù)。

3.1補(bǔ)強(qiáng)剛度比的測(cè)定

補(bǔ)強(qiáng)剛度比測(cè)定的是材料的動(dòng)態(tài)值，即不同頻率下的補(bǔ)強(qiáng)剛度比，首先分別測(cè)定基板和試件的前4階模態(tài)頻率，按式（2）計(jì)算各階頻率下的剛度比。

頭孢呋辛酯的耐藥性主要是通過β‐內(nèi)酰胺酶水解、青霉素結(jié)合蛋白（PBPs）的改變、滲透性降低和細(xì)菌流出泵的存在。

式中：Bn：各階模態(tài)下補(bǔ)強(qiáng)剛度比；n：階次（1、2、3、4）；M1：基板質(zhì)量，g；f1n：基板頻率，Hz；M2：試件質(zhì)量，g；f2n：試件頻率，Hz。

依據(jù)測(cè)定出的補(bǔ)強(qiáng)剛度比，B1/B2/B3/B4，做這4階剛度比的線性回歸曲線，回歸方程，計(jì)算關(guān)注頻率下的補(bǔ)強(qiáng)剛度比。

3.2阻尼系數(shù)的測(cè)定

采用上述試件和方法，首先掃描出試件的2階共振頻率，用半功率帶寬定義阻尼系數(shù)，按式（3）計(jì)算。

式中：f：試件的2階共振頻率；單位Hz；f2-f1：半功率帶寬；單位Hz；η：阻尼系數(shù)。

3.3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3.1剛度、阻尼性

表1　三類材料測(cè)試性能對(duì)比Tab.1　Comparison of measured performance of three kinds of materials

補(bǔ)強(qiáng)材料的補(bǔ)強(qiáng)剛度比為2.74，但阻尼系數(shù)很低僅0.04，阻尼材料的阻尼系數(shù)0.17，但剛度比不如補(bǔ)強(qiáng)材料，而采用復(fù)合材料，補(bǔ)強(qiáng)剛度比達(dá)到了3.63，阻尼系數(shù)為0.23，兼顧了2者的優(yōu)點(diǎn)，有較高的補(bǔ)強(qiáng)剛度和阻尼系數(shù)。

3.3.2補(bǔ)強(qiáng)層的固化特性

圖2中，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是固化值（扭矩），紅線是烘烤溫度，當(dāng)烘烤溫度140℃時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)層7 min固化值達(dá)0.3 N·m以上，10 min達(dá)峰值0.4 N·m。

圖2　補(bǔ)強(qiáng)層的固化特性Fig.2　Curing characteristics of reinforcing layer

3.3.3阻尼層的固化特性

圖3中，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是固化值（扭矩），紅線是冷卻溫度，阻尼層經(jīng)140℃、30 min烘烤，冷卻到30 ℃后，固化值穩(wěn)定在0.23 N·m。

圖3　阻尼層的穩(wěn)態(tài)固化特性Fig.3　Steady-state curing characteristics of damping layer

4　應(yīng)用

復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)材料一般用在車身的側(cè)圍、車門等平面板件處。 圖4是復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)材料，在某車車門上替代原補(bǔ)強(qiáng)材料后，在67 Hz時(shí)的聲壓級(jí)測(cè)試譜圖。圖4中，A曲線的聲壓級(jí)0.022 Pa/N，加原補(bǔ)強(qiáng)材料后，B曲線的聲壓級(jí)0.020 Pa/N，這可能是因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)材料的阻尼系數(shù)很小，噪聲下降不大，改復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)材料后，C曲線的聲壓級(jí)下降到0.014 Pa/N，降噪效果是明顯的。

圖4　加復(fù)合型材料后聲壓級(jí)比較Fig.4　Sound pressure comparison between before and after use composite reinforcing materials

5　小結(jié)

補(bǔ)強(qiáng)材料改復(fù)合型后，滿足了NVH工程的要求。一般情況下，凡原設(shè)計(jì)采用補(bǔ)強(qiáng)材料的板件，都可以改復(fù)合型的補(bǔ)強(qiáng)材料。傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)材料的固化溫度一般都在170～180 ℃左右，在汽車上應(yīng)用時(shí)，需先在焊裝車間就安裝到車身上，然后過電泳使其固化，這樣的生產(chǎn)工序存在質(zhì)量隱患，粘貼補(bǔ)強(qiáng)板的部位有電泳不到的可能，隨著時(shí)間的推移，補(bǔ)強(qiáng)板與車身板件之間有可能存在縫隙，一旦空氣進(jìn)入，就有可能腐蝕車身板件，發(fā)生質(zhì)量事故。復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)材料的固化溫度已調(diào)整到140～160 ℃，可在車身電泳后在涂裝線上安裝，不存在板件發(fā)生銹蝕的可能。

為進(jìn)一步提升NVH工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量，該產(chǎn)品還可替代傳統(tǒng)的磁性阻尼材料，其應(yīng)用性能、使用條件，與磁性材料基本一致，有的性能指標(biāo)還優(yōu)于磁性材料。如該材料的比重密度1.4 g/cm3，而磁性材料的比重密度2.5 g/cm3左右，替換后可減輕車身的質(zhì)量；磁性阻尼材料的磁性，過烘烤線就失去了存在的必要，其剩磁會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的影響，磁性材料在使用過程中，很容易發(fā)生在烘烤后起泡，甚至脫落等現(xiàn)象，而復(fù)合型補(bǔ)強(qiáng)材料不存在上述問題。

Reinforcement composite sheets for automobiles

XU Feng-chen, MIAO Xing-he, MIAO Zhi-gang
(Liuzhou Xingtuo Industry and Trade Co., Ltd., Liuzhou, Guangxi 545006, China)

Based on the demand from the automotive NVH (noise,vibration and harshness) engineering, the paper described the reinforcement composite sheets with reinforced rigidity and damping noise-reduction , and discussed their designment, testing and application in the vehicle NVH engineering.

reinforcement composite sheet; glass transition temperature(Tg); stiffness ratio; damping coefficient

TQ 437

A

1001-5922（2016）11-0060-03

2016-06-27

徐豐辰（1953-），男，工程師。研究方向：減振材料的設(shè)計(jì)和在汽車上的應(yīng)用。E-mail：xfc2002@126.com。