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陳書(shū)明教授：多孔材料在汽車輕量化及NVH上的應(yīng)用

2018-12-10 21:54:32·  來(lái)源：蓋世汽車網(wǎng)  
　
2018年12月7日-8日，以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、技術(shù)引領(lǐng)為主題的2018第六屆汽車與環(huán)境創(chuàng)新論壇在上海安亭正式舉辦。本次論壇完整覆蓋汽車行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的研討，旨在進(jìn)一步促進(jìn)
2018年12月7日-8日，以“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、技術(shù)引領(lǐng)”為主題的2018第六屆“汽車與環(huán)境”創(chuàng)新論壇在上海·安亭正式舉辦。本次論壇完整覆蓋汽車行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的研討，旨在進(jìn)一步促進(jìn)整車企業(yè)與零部件企業(yè)之間對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的探討、加強(qiáng)汽車行業(yè)專家之間的交流互動(dòng)、增強(qiáng)整車與零部件企業(yè)的交流、搭建合作平臺(tái)，通過(guò)活動(dòng)促進(jìn)汽車零部件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新轉(zhuǎn)型升級(jí)、打造更具競(jìng)爭(zhēng)力的整零協(xié)同創(chuàng)新關(guān)系，助力實(shí)現(xiàn)向汽車強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。以下是吉林大學(xué)教授陳書(shū)明的發(fā)言：
 
吉林大學(xué)教授 陳書(shū)明
 
我今天跟大家分享的是多孔材料在汽車輕量化及NVH中的應(yīng)用。多孔材料無(wú)論在我們?nèi)粘Ｉ钪羞€是在汽車上用的非常多，比如汽車的內(nèi)飾，不管是軟內(nèi)飾還是硬內(nèi)飾基本上都是在多孔材料材料范疇內(nèi)。多孔材料顧名思義就是孔多，這是它的特點(diǎn)，這個(gè)孔通常我們可以按照孔徑的大小進(jìn)行區(qū)分，基本上多孔材料屬于納米級(jí)的，一般小于2個(gè)納米的材料我們把它稱為微孔材料，2個(gè)納米到50納米之間我們稱為介孔材料，大于50納米我們稱為大孔材料。我們研究的多孔材料基本上是大孔材料，甚至可以說(shuō)是超大孔材料。上午馬老師也介紹了，馬老師現(xiàn)在主編一本微結(jié)構(gòu)材料方面的書(shū)，我也有幸參加到這個(gè)書(shū)的編寫(xiě)過(guò)程當(dāng)中。多孔材料上午我們也提到微結(jié)構(gòu)材料有可能是輕量化最終解決方案，這個(gè)還有待進(jìn)一步的研究和考證。我們今天圍繞的主題是輕量化，這是我們四化當(dāng)中最重要的一化，輕量化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化，還有現(xiàn)在的共享化等等，甚至可能以后還會(huì)出來(lái)更多的化。
 
下面我主要從以下這幾個(gè)方面介紹一下，首先是對(duì)多孔材料做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。其次是聚氨酯組份的優(yōu)化以及聲學(xué)性能分析，還有植物纖維復(fù)合材料制備及性能分析，多孔材料參數(shù)測(cè)試設(shè)備開(kāi)發(fā)，最后我們簡(jiǎn)單的介紹一下它在汽車聲學(xué)包裝上的應(yīng)用。
 
多孔材料有非常多的優(yōu)點(diǎn)，輕質(zhì)，密度低是其中一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)，質(zhì)量小、密度低而且還能夠吸收很多的能量，尤其用在吸聲材料的時(shí)候，顯現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)非常明顯。多孔材料大概有這么幾大類，一個(gè)是纖維類、泡沫類、顆粒類。纖維和泡沫在我們車上用的非常多，纖維包括有機(jī)的纖維和無(wú)機(jī)的纖維，泡沫有開(kāi)孔的和閉孔的，有機(jī)纖維有動(dòng)物纖維、化學(xué)纖維、植物纖維，無(wú)機(jī)纖維，比如說(shuō)玻璃、礦渣棉、金屬等等。開(kāi)孔的有金屬、塑料還有其它的一些復(fù)合材料。閉孔的有塑料、玻璃、鋁。
 
多孔材料我們也提到它質(zhì)輕，當(dāng)然還有其它的顯著的作用，比如說(shuō)它可以起到緩沖的作用，做緩沖件，吸收能量，還可以做結(jié)構(gòu)件，很多多孔材料、微結(jié)構(gòu)材料都可以做一些結(jié)構(gòu)件，承載件等。它還可以隔熱、減震、過(guò)濾，還有非常重要的一點(diǎn)它可以做吸聲材料。
通常這個(gè)材料它怎么吸聲呢？大家應(yīng)該都清楚，聲波入射到材料表面的時(shí)候，有一部分聲波經(jīng)過(guò)反射，一部分被材料吸收，還有一部分透射出去，我們希望材料吸收的聲能越多越好。
 
多孔材料本身就是一種輕量化，設(shè)計(jì)材料也就是輕量化的一種設(shè)計(jì)，今天上午我們前面很多專家的報(bào)告都提到，輕量化可以節(jié)油，節(jié)能減排，這是必然的發(fā)展趨勢(shì)。除了我剛剛提到的材料之外，還有現(xiàn)在用的比較多的泡沫金屬，也有很多非常好的優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)質(zhì)輕、密度小、熱導(dǎo)率低、恢復(fù)性強(qiáng)、可修復(fù)。在汽車上也有很多應(yīng)用的案例。
 
關(guān)于輕量化我們提到的無(wú)非就是這么幾個(gè)途徑，一個(gè)是結(jié)構(gòu)、材料、工藝，再有三個(gè)結(jié)合起來(lái)，結(jié)構(gòu)、材料、工藝一體化的設(shè)計(jì)或者是多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化其實(shí)最早我們課題組在2006年那個(gè)時(shí)候就開(kāi)始做結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的工作，那個(gè)時(shí)候只是停留在做結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)輕量化，隨后做材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，再到后來(lái)做結(jié)構(gòu)、材料和工藝一體化的設(shè)計(jì)，目前復(fù)合材料，尤其是碳纖維復(fù)合材料在車上應(yīng)用研究非常多，實(shí)際應(yīng)用由于工藝還有成本各方面的限制還沒(méi)有大范圍的使用。這個(gè)表是一個(gè)關(guān)于發(fā)泡塑料我做的統(tǒng)計(jì)，它有硬脂的，還有軟脂的，包括開(kāi)孔、閉孔等等有很多類。
我們?cè)谧鲚p量化的時(shí)候它對(duì)汽車的性能尤其車身的性能有很大的影響，尤其是對(duì)我們的安全具有非常大的影響，還有制造工藝、成本、疲勞強(qiáng)度，更重要的是對(duì)我們的NVH性能有很大的影響。
 
我們做輕量化的時(shí)候勢(shì)必要充分考慮對(duì)車身性能所帶來(lái)的這些影響，比如說(shuō)還有可能會(huì)使我們的吸隔聲能力下降，還有可能會(huì)造成聲輻射的降低?？傊覀儽M量使輕量化達(dá)到最優(yōu)的時(shí)候，不損失其它的性能，或者損失很小一部分性能，實(shí)現(xiàn)最終的輕量化。
 
多孔纖維材料，一般可以做填料，把纖維放在多孔材料當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)性能的提升?，F(xiàn)在用的比較多的就是聚氨酯材料，它除了輕量化這方面比較顯著之外，在吸聲隔聲方面性能也比較好。車內(nèi)聲學(xué)包裝是NVH控制的主要途徑，當(dāng)然現(xiàn)在我們除了這些被動(dòng)控制之外，還有目前比較流行的噪聲主動(dòng)控制，聲學(xué)包裝包括吸聲材料、隔聲材料、阻尼材料、密封材料?，F(xiàn)在對(duì)車內(nèi)環(huán)境也要求環(huán)保。大家都有開(kāi)新車的經(jīng)驗(yàn)，我們最怕一進(jìn)車，車?yán)锩娴臍馕斗浅５碾y聞，尤其是車放了一晚上第二天不敢直接進(jìn)去，先開(kāi)窗通風(fēng)一分鐘再進(jìn)去。
 
我們能不能做一種內(nèi)飾材料，能夠發(fā)出我們想要的氣味，有沒(méi)有這種可能？比如說(shuō)馬老師喜歡橘子味的，我們定制一個(gè)橘子味的內(nèi)飾，比如說(shuō)朱教授喜歡榴蓮味的，我們做一個(gè)榴蓮味的內(nèi)飾，不是不可能。我們完全可以做到環(huán)保，最起碼對(duì)人身體是無(wú)害的。
 
天然纖維在我們國(guó)家分布非常廣，尤其是植物纖維用的非常多，開(kāi)發(fā)輕質(zhì)可降解的高性能、多孔聲學(xué)包裝材料，是我們追求的一個(gè)目標(biāo)。下面我介紹一下聚氨酯泡沫優(yōu)化和聲學(xué)性能分析。這兩個(gè)表是我們制備的原材料，從原材料大家可以看到，最重要的一個(gè)就是多元醇，現(xiàn)在基本上還是用的石油基的，并不環(huán)保，所以現(xiàn)在我們?cè)谟弥参锒嘣即媸突亩嘣?，可以提高材料的綠色成分，并且實(shí)現(xiàn)最優(yōu)異的性能。
 
我們的基礎(chǔ)材料做出來(lái)之后想使其性能發(fā)揮到最優(yōu)，我們就選了幾個(gè)組份，去離子水、三乙醇胺、硅油、催化劑A33，用最優(yōu)的組合實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)正交表，用了9次實(shí)驗(yàn)，對(duì)材料的吸聲系數(shù)和隔聲量做了一個(gè)測(cè)試，上面這個(gè)圖是吸聲系數(shù)，尤其在315赫茲以上變化還是比較明顯的，這是由于組份的變化所帶來(lái)的吸聲性能的變化。下面是隔聲量，這個(gè)變化就更大了，最小的在5分貝以下，最大的達(dá)到了15分貝，尤其在整個(gè)頻段內(nèi)變化都非常明顯，所以說(shuō)組份對(duì)隔聲性能影響非常大。
 
這個(gè)是我們通過(guò)優(yōu)化得到的最終方案設(shè)計(jì)，我們看這個(gè)結(jié)果，上面的是優(yōu)化前后吸聲的對(duì)比，從低頻100赫茲一直到2500赫茲，優(yōu)化后曲線都比優(yōu)化前要大，而且要大很多，所以優(yōu)化效果非常好。平均吸聲系數(shù)從0.48提升到了0.61，提升的幅度還是比較大的。下面是優(yōu)化前后隔聲量的對(duì)比，優(yōu)化后的結(jié)果在低頻改善稍微大一些。
 
自然界給了我們很多的啟發(fā)，比如說(shuō)根據(jù)鳥(niǎo)的飛行我們制造了飛機(jī)，根據(jù)穿山甲體表的特征，我們制造了耐磨的結(jié)構(gòu)材料。由于貓頭鷹翅膀的空氣動(dòng)力學(xué)靜音特征非常明顯，能不能提取表面的微結(jié)構(gòu)特征，把這個(gè)特征表面做成非光滑的，看看它對(duì)材料的吸聲性能是不是有影響，影響大不大。我們?cè)囍隽藥追N三角尖劈、梯形棱文、梯形凹坑、圓柱凸起、矩形凸起表面，這些非光滑表面材料都申請(qǐng)了專利。
 
這個(gè)表是我們測(cè)得的不同吸聲材料流阻率，矩形凸起這種材料流阻率是24.7kPas/m2，它是最大的。這是我們仿真建立的模型，非光滑表面的模型，這是仿真得到的不同表面多孔材料吸聲系數(shù)的對(duì)比曲線。當(dāng)然我們不可能所有的非光滑表面都用實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樘嗔?，所以我們建立了很多的模型，去分析它?duì)性能的影響。
 
前面我們提到植物纖維具有改性的作用，它對(duì)吸聲性能會(huì)有影響，我們找了一些相關(guān)的纖維，因?yàn)橛醒芯匡@示竹葉、麥稈等，不同大小的纖維對(duì)吸聲性能有一個(gè)不同程度的影響，我們就做了一些，比如1-2毫米、2-3毫米、3-4毫米這些纖維，把它復(fù)合到聚氨酯泡沫當(dāng)中，這是我們做的不同含量的聚氨酯的發(fā)泡材料。
 
a是純聚氨酯泡沫，b是6%含量1-2毫米竹葉，c是6%含量2-3毫米的竹葉。d是6%含量3-4毫米竹葉。下面是麥稈，a是1%，b是1.5%，c是2%，d是2.5%，這是它的孔隙的特征，這是純聚氨酯的泡沫，b是加入了竹葉，c是加入了竹葉的秸稈，最右邊這個(gè)圖是它的孔徑的分布。我們得到一個(gè)結(jié)論，純聚氨酯泡沫泡孔都是開(kāi)孔，相鄰泡孔緊密相連，平均孔徑是0.144毫米。竹葉聚氨酯泡孔分布均勻度下降，竹葉或者秸稈的存在使其周圍泡孔生長(zhǎng)，限制泡孔繼續(xù)長(zhǎng)大，使泡孔不均勻。
 
這是竹葉秸稈對(duì)聚氨酯復(fù)合泡沫微觀結(jié)構(gòu)的影響，1-2毫米以及不同的竹葉含量孔的分布。我們通過(guò)這些得到了一個(gè)結(jié)論，它降低了平均孔徑，竹葉含量的增加使得泡孔數(shù)量增多。它基本上先增大，后減小再增大，這是隨著竹葉添加量的變化呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)，這是流阻率的變化，當(dāng)竹葉3-4毫米竹葉秸稈的時(shí)候，流阻率是先增大后減小，和其他兩個(gè)稍微有所不同。
 
下面是竹葉的添加對(duì)吸聲性能的影響，這幾幅圖大家可以看一下，這是對(duì)吸聲性能的影響曲線，通過(guò)分析我們可以看出，當(dāng)長(zhǎng)度為3-4毫米竹葉秸稈添加量為6%的時(shí)候，在全頻段范圍內(nèi)有最佳的吸聲性能，吸聲系數(shù)是0.652。這是對(duì)隔聲性能的影響，曲線上下波動(dòng)比較大這個(gè)添加量對(duì)隔聲性能影響非常大。我們可以得出結(jié)論，長(zhǎng)度為2-3毫米竹葉添加量為8%的時(shí)候，聚氨酯復(fù)合泡沫在全頻段內(nèi)隔聲量最大，達(dá)到18.9分貝的平均隔聲量。
 
這是麥稈，我們國(guó)家也非常多，以前我記得我小時(shí)候在家基本上都是可以去割麥子，現(xiàn)在基本上都是聯(lián)合收割，你想弄到麥稈也不是那么容易的，通常收割完就成肥料了。這是它的一個(gè)孔徑的分布，A是麥稈含量為1%，B麥稈含量是1.5%，C是2%，D是2.5%。隨著麥稈含量的增加，孔徑分布越來(lái)越分散，孔徑大小不均勻度隨之增加，平均孔徑呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。這是麥稈對(duì)吸聲性能的影響，第二個(gè)圖是流阻率的變化，整體呈增大的趨勢(shì)，這是吸聲系數(shù)，最后是隔聲量，我們看在高頻的時(shí)候，影響非常大，對(duì)于吸聲系數(shù)麥稈含量在1.5-2%的時(shí)候，吸聲性能有明顯的提高。這是竹葉麥稈聚氨酯復(fù)合泡沫吸聲性能的對(duì)比，通過(guò)這兩幅圖對(duì)比我們可以看出，添加了纖維之后，吸隔聲性能明顯提高，麥稈對(duì)聚氨酯泡沫吸聲性能提升最為明顯，并且在2%含量的時(shí)候，聚氨酯復(fù)合泡沫擁有最佳的吸聲性能。
 
我們?cè)谧龆嗫撞牧系臅r(shí)候，由于我們要用到它的參數(shù)，比如孔隙率、流阻率，這都是一些小的測(cè)量?jī)x器，但是國(guó)內(nèi)沒(méi)有賣的，國(guó)外有，但是非常的昂貴，非常小這個(gè)東西，大家可以看一下這是我們自己設(shè)計(jì)的測(cè)量孔隙率的一個(gè)小儀器。以后我們把它完善之后，看能不能把儀器在行業(yè)里面推廣一下，下面這個(gè)圖是我們?cè)O(shè)計(jì)的軟件的界面，當(dāng)然我們還有一些需要完善的地方。
 
還有一個(gè)是流阻率，流阻和什么有關(guān)系？和空氣的流速還有材料上下表面的壓力有關(guān)系，通常多孔材料流阻率的范圍在103到107之間。如果流阻率過(guò)低會(huì)因?yàn)槟Σ亮?、粘滯力引起聲能損耗降低，也會(huì)導(dǎo)致吸聲性能的下降。我們針對(duì)流阻也設(shè)計(jì)了一個(gè)小的設(shè)備，同樣這個(gè)東西非常貴，我相信貴到大家覺(jué)得比較離譜，大家有可能不太相信，小東西基本上都在10萬(wàn)以上，這是我們開(kāi)發(fā)的，這是軟件的界面。
 
聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)用范圍就非常廣了。這是聚氨酯復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用，應(yīng)用的范圍非常廣，非常多。當(dāng)然，隨著我們對(duì)材料的開(kāi)發(fā)，輕質(zhì)、綠色、環(huán)保的聚氨酯復(fù)合材料在不久的將來(lái)我們一定能用到。
 
這是天然纖維在車上的應(yīng)用，用的非常多的就是麻纖維，還有玉米秸稈，馬老師在用玉米做環(huán)保的結(jié)構(gòu)材料做的也非常好。我們?cè)谧龀霾牧现?，要把它?yīng)用在汽車上，我們建立了整車的統(tǒng)計(jì)能量分析模型，并將聲學(xué)包裝在模型中應(yīng)用，把我們做的材料放在統(tǒng)計(jì)能量分析模型中，可以分析它對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，這幾個(gè)圖是防火墻的吸隔聲性能，以及應(yīng)用多孔材料前后吸聲性能的對(duì)比。最右邊這個(gè)圖是我們做的一個(gè)對(duì)比，從這個(gè)圖我們可以看出總聲壓級(jí)降低0.86分貝。材料在汽車上的應(yīng)用要求越來(lái)越嚴(yán)格，隨著開(kāi)發(fā)的不斷深入，我相信它的性能也會(huì)越來(lái)越好，我就介紹這么多，謝謝各位！
 
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