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實(shí)驗(yàn)研究汽車頂棚用輕質(zhì)GMT吸音性能與影響因素

2019-01-11 10:06:48·  
　
玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(GMT)具有質(zhì)輕，導(dǎo)熱系數(shù)低，綠色環(huán)保，韌性、剛性、耐沖擊性、耐腐蝕性等綜合性能優(yōu)異的特點(diǎn)，該材料于20世紀(jì)90年代被應(yīng)用于汽車工業(yè)，用來(lái)制造保險(xiǎn)杠橫梁、座椅及儀表板骨架、車下體保護(hù)罩等汽車零部件，是汽車實(shí)現(xiàn)輕量化的主要材料之一。當(dāng)把GMT用于汽車頂棚時(shí)，需要考慮材料的剛性，聲學(xué)特性和美學(xué)效果。輕質(zhì)GMT是一種新型GMT，與傳統(tǒng)GMT相比具有膨脹倍率高、密度低的特點(diǎn)，這就使它比傳統(tǒng)GMT更適合作為汽車內(nèi)飾頂棚材料。
作者：陳雅君1，楊春壯2，王超1，馬祥艷1，錢立軍1
（1：北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院；2：杭州志和高分子材料有限公司）
 
玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(GMT)具有質(zhì)輕，導(dǎo)熱系數(shù)低，綠色環(huán)保，韌性、剛性、耐沖擊性、耐腐蝕性等綜合性能優(yōu)異的特點(diǎn)，該材料于20世紀(jì)90年代被應(yīng)用于汽車工業(yè)，用來(lái)制造保險(xiǎn)杠橫梁、座椅及儀表板骨架、車下體保護(hù)罩等汽車零部件，是汽車實(shí)現(xiàn)輕量化的主要材料之一。當(dāng)把GMT用于汽車頂棚時(shí)，需要考慮材料的剛性，聲學(xué)特性和美學(xué)效果。輕質(zhì)GMT是一種新型GMT，與傳統(tǒng)GMT相比具有膨脹倍率高、密度低的特點(diǎn)，這就使它比傳統(tǒng)GMT更適合作為汽車內(nèi)飾頂棚材料。

汽車內(nèi)飾頂棚位于乘客頭頂與汽車外殼之間，是汽車內(nèi)飾中平面面積最大的內(nèi)飾件，對(duì)于現(xiàn)代汽車來(lái)說(shuō)，它不僅具有裝飾性的作用，同時(shí)還承擔(dān)著保護(hù)乘客頭部安全、阻隔由車頂傳送的噪音進(jìn)入車內(nèi)以及吸收車內(nèi)產(chǎn)生的噪音的作用。因此，汽車內(nèi)飾頂棚吸音性能對(duì)汽車噪音的整體控制起著關(guān)鍵性的作用。汽車的噪聲性能雖不是汽車的基本性能，但卻是汽車的質(zhì)量指標(biāo)，隨著人們對(duì)汽車的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，汽車噪聲已成為非常重要的一項(xiàng)汽車質(zhì)量指標(biāo)，直接影響到汽車的銷售狀況和認(rèn)可度。因此，研究GMT的吸音性能是非常必要的。
 
影響GMT 板材吸音性能的主要因素包括板材的成型厚度、透氣率、GMT 板材面密度以及GMT汽車內(nèi)飾頂棚與鈑金的間隙4 個(gè)方面，筆者通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析和闡述了各個(gè)因素與成型后GMT 汽車內(nèi)飾頂棚吸音性能之間的關(guān)系。

1、實(shí)驗(yàn)部分
1.1 原材料
短切玻璃纖維：平均長(zhǎng)度5 cm，巨石集團(tuán)有限公司；
丙綸短纖維：湖北博韜合纖有限公司；
三層共擠阻隔熱熔膠膜、聚酯熱熔膠膜、熱熔膠網(wǎng)：杭州志合高分子材料有限公司。
1.2 GMT汽車頂棚樣品的制備
(1) 不同面密度GMT板材的制備。
采用無(wú)紡梳理工藝，按玻璃纖維∶丙綸短纖維質(zhì)量比為55∶45的比例投料至無(wú)紡設(shè)備中，經(jīng)過(guò)鋪網(wǎng)、針刺得到不同面密度的混紡氈，然后將無(wú)紡氈在180℃的條件下烘烤、加壓使丙綸纖維熔化，經(jīng)冷卻得到800，900和1000g／m2的輕質(zhì)GMT板材。
(2) 不同透氣率GMT汽車內(nèi)飾頂棚的制備。
GMT汽車頂棚的生產(chǎn)工藝：①首先將一面貼有熱熔膠膜的GMT板材在紅外加熱箱中加熱至190℃[10]，此時(shí)由于丙綸短纖維熔化后玻璃纖維松弛并直立，使得GMT板材膨脹，膨脹率與GMT板材中的玻璃纖維含量有關(guān)。②將面料平鋪于GMT板材附有熱熔膠膜的一側(cè)上，并送入模具中進(jìn)行冷壓成型。
采用上述生產(chǎn)工藝，通過(guò)在GMT板材的表面貼合不同種類的熱熔膠膜獲得透氣率不同的樣品。其中，三層共擠阻隔膠膜透氣率最低；聚酯熱熔膠膜透氣率中等；熱熔膠網(wǎng)透氣率最高。
(3) 不同成型厚度的GMT汽車內(nèi)飾頂棚的制備。
采用(2)中GMT汽車頂棚的生產(chǎn)工藝，通過(guò)調(diào)整冷卻模具的間隙分別為3，4，5mm，可得到不同成型厚度的GMT汽車頂棚。
1.3 測(cè)試方法
采用駐波管法測(cè)試頂棚樣品的吸音系數(shù)，駐波管內(nèi)徑為10cm，測(cè)量從1000～6000Hz范圍內(nèi)共6個(gè)聲波頻率下的吸聲系數(shù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主體是1根內(nèi)壁光滑且堅(jiān)硬的剛性管，管子的一端安裝揚(yáng)聲器，另一端裝入直徑為10cm的圓形待測(cè)樣品，駐波管中的聲場(chǎng)利用探管測(cè)試，聲波入射到材料表面后，一部分聲波進(jìn)入材料孔隙，引起孔隙中空氣和材料中細(xì)小纖維的振動(dòng)，由于摩擦和粘滯阻力，聲能變?yōu)闊崮鼙晃眨涣硪徊糠致暡ㄏ蛳喾捶较蚍瓷?，入射波和反射波的疊加在內(nèi)壁建立了駐波。根據(jù)GBJ88–1985《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測(cè)量規(guī)范》，利用探管可以測(cè)出聲壓的極大值和極小值，即可計(jì)算材料的吸音系數(shù)。

2、結(jié)果與討論
2.1成型厚度對(duì)吸音性能的影響
圖1為成型厚度分別為3，4，5mm的低、中、高透氣率GMT汽車內(nèi)飾頂棚所對(duì)應(yīng)的吸音系數(shù)–頻率曲線。其中，汽車內(nèi)飾頂棚所使用的輕質(zhì)GMT板材面密度均為800g／m2。
從圖1可看出，汽車內(nèi)飾頂棚的成型厚度對(duì)吸音系數(shù)影響很大，無(wú)論是在低頻(0～2000Hz)段、中頻(2000～4000Hz)段還是高頻(4000～6000Hz)段，吸音系數(shù)總體上都隨成型厚度的增加而增大，這是因?yàn)楫?dāng)成型厚度增加時(shí)，GMT板材的膨脹率增大，使得板材的孔隙率增加，從而不僅增加了聲波的射入量，而且使得聲波在板材中有更長(zhǎng)的傳播路徑，更多的聲波在與玻纖的摩擦和振蕩過(guò)程中轉(zhuǎn)化為熱能，透過(guò)汽車內(nèi)飾頂棚的聲波變少，表現(xiàn)為吸音系數(shù)提高。因此，提高成型厚度是提高吸音系數(shù)的一個(gè)非常有效的手段。
2.2 透氣率對(duì)吸音性能的影響
當(dāng)在GMT板材表面貼合熱熔膠膜時(shí)，由于不同種類的熱熔膠膜高溫下向GMT中滲透性不同，使得最終成型得到的GMT汽車內(nèi)飾頂棚具有不同的透氣率。
圖2為成型厚度分別為3，4，5mm時(shí)不同透氣率的GMT汽車內(nèi)飾頂棚所對(duì)應(yīng)的吸音系數(shù)–頻率曲線。其中，汽車內(nèi)飾頂棚所用的輕質(zhì)GMT板材面密度均為800g／m2。
 
當(dāng)GMT汽車內(nèi)飾頂棚的成型厚度為3mm時(shí)，材料的吸音系數(shù)隨透氣率變化的規(guī)律性比較明顯，當(dāng)頻率大于1000Hz時(shí)，材料的透氣率越高，吸音系數(shù)越高。當(dāng)GMT汽車內(nèi)飾頂棚的成型厚度為4mm時(shí)，在高頻區(qū)材料的透氣率越高，吸音系數(shù)越高；而在低頻和中頻區(qū)規(guī)律性不是很強(qiáng)；當(dāng)GMT汽車內(nèi)飾頂棚的成型厚度為5mm時(shí)，高透氣率的材料在高頻區(qū)仍然表現(xiàn)出最高的吸音系數(shù)，而在低頻區(qū)和中頻區(qū)規(guī)律性不明顯。而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，低頻區(qū)和中頻區(qū)的吸音主要通過(guò)內(nèi)飾頂棚和鈑金之間的“安裝間隙”來(lái)調(diào)整，GMT汽車內(nèi)飾頂棚更大的作用在于吸收更多的高頻聲波。因此，圖2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明通過(guò)使用熱熔膠網(wǎng)可使GMT汽車內(nèi)飾頂棚獲得較高的透氣率，從而提高它的吸音性能。
2.3 GMT板材面密度對(duì)吸音性能的影響
圖3所示GMT板材面密度分別為800，900，1000g／m2的汽車內(nèi)飾頂棚在成型厚度分別為3，4，5mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的吸音系數(shù)–頻率曲線。其中，所有的樣品都采用高透氣率的熱熔膠網(wǎng)。
從圖3可看到，與成型厚度和透氣率相比，GMT板材面密度的變化對(duì)吸音系數(shù)的影響要小得多。3種面密度不同的汽車內(nèi)飾頂棚的吸音系數(shù)–頻率曲線幾乎是重合的。但當(dāng)成型厚度為4，5mm時(shí)，GMT汽車內(nèi)飾頂棚的吸音系數(shù)在2000Hz和3000Hz時(shí)，面密度為1000g／m2的GMT板材吸音系數(shù)最高，尤其是當(dāng)成型厚度為5mm時(shí)，這種趨勢(shì)更明顯。這是因?yàn)樵谙嗤穸鹊臈l件下，較大的面密度相當(dāng)于增加了頂棚內(nèi)部纖維的交錯(cuò)密度，當(dāng)聲波通過(guò)時(shí)，增加了纖維對(duì)聲波的吸收，因而使吸音系數(shù)得到了提高。
2.4 汽車內(nèi)飾頂棚與鈑金的間隙對(duì)吸音性的影響
影響GMT汽車內(nèi)飾頂棚吸音性能的因素還有汽車內(nèi)飾頂棚與鈑金的間隙這一裝配參數(shù)。圖4所示為3種不同間隙（0，5，10cm）所對(duì)應(yīng)的GMT汽車內(nèi)飾頂棚的吸音系數(shù)–頻率曲線。其中所用的是高透氣率、GMT板材面密度800g／m2、成型厚度5mm的內(nèi)飾汽車頂棚。
從圖4可以看到，汽車內(nèi)飾頂棚與鈑金間的間隙對(duì)汽車內(nèi)飾頂棚的吸音系數(shù)影響較大，尤其是在低頻區(qū)和中頻區(qū)，間隙越大，吸音系數(shù)越高。這是因?yàn)槠噧?nèi)飾頂棚與鈑金間的間隙主要對(duì)較低頻率的聲波起作用，增加間隙相當(dāng)于增加了汽車內(nèi)飾頂棚的厚度。

3、結(jié)論
(1) GMT汽車內(nèi)飾頂棚的吸音系數(shù)受到GMT板材面密度的影響不大，僅在頻率2000Hz和3000Hz下，面密度高的板材表現(xiàn)出高的吸音系數(shù)。
(2) GMT汽車內(nèi)飾頂棚的吸音系數(shù)在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)總體上表現(xiàn)出隨著成型厚度的增加而增大的趨勢(shì)。
(3) 在高頻區(qū)，高透氣率的GMT汽車內(nèi)飾頂棚的吸音系數(shù)最大。
(4) 在低頻和中頻區(qū)，增加GMT汽車內(nèi)飾頂棚與鈑金之間的間隙可以顯著提高頂棚的吸音系數(shù)。
 
 
 
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