汽車用復合型補強膠片

徐豐辰，繆興和，繆智剛

（柳州市興拓工貿有限責任公司，廣西 柳州 545006）

汽車用復合型補強膠片

徐豐辰，繆興和，繆智剛

（柳州市興拓工貿有限責任公司，廣西 柳州 545006）

基于汽車NVH（振動、噪聲、舒適性）工程的需求，介紹了一種具有剛度補強、阻尼降噪功能的復合型補強膠片，探討了其在汽車NVH工程上的設計、測試和應用。

復合型補強膠片；玻璃化溫度（Tg）；剛度比；阻尼系數

目前在線使用的補強膠片一般采用高分子聚合物環氧樹脂做基材，加之固化劑，可實現高溫固化，附加到車身板件后，依據使用要求和使用環境可分為兩類：一類是增加板件的強度，抵抗外力破壞，關注的是板件的有效性；另一類是NVH工程的需求，抵抗由振動引起的板件變形，關注的是板件的剛度。

在NVH工程中，控制振動引起的噪聲，一般有2個途徑，其一是降低板件的原激勵振動，特別是對于較薄的板件，方法是在板件上附加補強材料，利用材料的熱固化特性，增加其剛度，相當于加厚了板件；其二是在板件振動發生后，利用阻尼材料的粘彈性，對抗板件的振動，在這里，阻尼材料可等效成一個彈簧。補強材料的動剛度特性，可吸收一些激勵振動能量，但該材料的阻尼性能不好，很難滿足降低噪聲的設計要求；阻尼材料沒有熱固化特性，過涂裝線時只是粘接到板件上，增加的板件剛度有限。在NVH工程設計中，有的板件，特別是板件較薄的車門等部位，需同時增強剛度和阻尼，在現場應用上，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，復合型補強膠片正是為滿足該需求而設計的新型NVH工程材料。

1　材料設計

為改善補強材料的缺陷，提高其阻尼性能，需在材料中引入具有粘彈性的阻尼層。其設計思路是，將具有2種性能的材料，經過配方的使用一致性調整，生產工藝參數的優化，以及生產設備的創新改造，復合成一個整體，底層與板件直接粘接補強膠片，在補強層上面，增加具有粘彈性的阻尼層，這樣，經涂裝烘烤線時，補強層首先固化，阻尼層開始熔融，烘烤結束冷卻后，在固化后的補強層上形成了阻尼層，等效于加厚的鋼板上附加了阻尼。

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

1.1補強層

補強層的使用一致性調整，是將固化溫度調整到與涂裝烘烤線一致。目前在線應用補強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，要達到使用的一致性，復合材料補強層的固化溫度需降低。配方設計：環氧樹脂100份，固化劑10份，促進劑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 ℃，促進劑的選擇較重要。

1.2阻尼層

阻尼層的熔融溫度應與涂裝烘烤線一致。設計的關鍵，是將材料的玻璃化溫度（Tg）調整到工作溫度下，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，將其調整到工作溫度下20～30 ℃，這個過程也稱改性，阻尼層由改性的高分子粘彈性材料，加之無機填料組成。設計過程如下：

設阻尼材料由n個材料組成，各材料的玻璃化溫度為Tg1、Tg2、Tg3、……Tgn，工作狀態下的Tg由式（1）計算。

式中：Tgn：各材料的玻璃化溫度，熱力學溫度；Tg：阻尼層的玻璃化溫度；Wn：各材料的質量分數。

工程上應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，計算出基礎配方各組分的含量，然后做小樣測試，最后定型配方。

2　材料結構

將上述補強層、阻尼層按配方設計調整好，按材料結構要求輥壓成型，基本結構見圖1。

圖1　復合型補強材料結構Fig.1　Composite reinforcing material structure

復合型補強材料的基本結構是：底部是普通隔離紙，便于包裝運輸和安裝，基層是補強層，厚度1 mm，上部是阻尼層，厚度1～2 mm，依據不同部位的設計要求調整，補強層應具有一定的黏性，可直接安裝到車身上，阻尼層與補強層的使用溫度應一致。

3　材料性能測試

材料性能測試采用阻抗法，首先用鋼板制成基板試條，尺寸270 mm×20 mm×0.8 mm，然后將待測材料，補強層面向基板，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，測定材料的補強剛度比和阻尼系數。

3.1補強剛度比的測定

補強剛度比測定的是材料的動態值，即不同頻率下的補強剛度比，首先分別測定基板和試件的前4階模態頻率，按式（2）計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‐內酰胺酶水解、青霉素結合蛋白（PBPs）的改變、滲透性降低和細菌流出泵的存在。

式中：Bn：各階模態下補強剛度比；n：階次（1、2、3、4）；M1：基板質量，g；f1n：基板頻率，Hz；M2：試件質量，g；f2n：試件頻率，Hz。

依據測定出的補強剛度比，B1/B2/B3/B4，做這4階剛度比的線性回歸曲線，回歸方程，計算關注頻率下的補強剛度比。

3.2阻尼系數的測定

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，按式（3）計算。

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。

3.3實測數據

3.3.1剛度、阻尼性

表1　三類材料測試性能對比Tab.1　Comparison of measured performance of three kinds of materials

補強材料的補強剛度比為2.74，但阻尼系數很低僅0.04，阻尼材料的阻尼系數0.17，但剛度比不如補強材料，而采用復合材料，補強剛度比達到了3.63，阻尼系數為0.23，兼顧了2者的優點，有較高的補強剛度和阻尼系數。

3.3.2補強層的固化特性

圖2中，橫坐標是時間，縱坐標是固化值（扭矩），紅線是烘烤溫度，當烘烤溫度140℃時，補強層7 min固化值達0.3 N·m以上，10 min達峰值0.4 N·m。

圖2　補強層的固化特性Fig.2　Curing characteristics of reinforcing layer

3.3.3阻尼層的固化特性

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

圖3　阻尼層的穩態固化特性Fig.3　Steady-state curing characteristics of damping layer

4　應用

復合型補強材料一般用在車身的側圍、車門等平面板件處。 圖4是復合型補強材料，在某車車門上替代原補強材料后，在67 Hz時的聲壓級測試譜圖。圖4中，A曲線的聲壓級0.022 Pa/N，加原補強材料后，B曲線的聲壓級0.020 Pa/N，這可能是因為補強材料的阻尼系數很小，噪聲下降不大，改復合型補強材料后，C曲線的聲壓級下降到0.014 Pa/N，降噪效果是明顯的。

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

5　小結

補強材料改復合型后，滿足了NVH工程的要求。一般情況下，凡原設計采用補強材料的板件，都可以改復合型的補強材料。傳統的補強材料的固化溫度一般都在170～180 ℃左右，在汽車上應用時，需先在焊裝車間就安裝到車身上，然后過電泳使其固化，這樣的生產工序存在質量隱患，粘貼補強板的部位有電泳不到的可能，隨著時間的推移，補強板與車身板件之間有可能存在縫隙，一旦空氣進入，就有可能腐蝕車身板件，發生質量事故。復合型補強材料的固化溫度已調整到140～160 ℃，可在車身電泳后在涂裝線上安裝，不存在板件發生銹蝕的可能。

為進一步提升NVH工程設計的質量，該產品還可替代傳統的磁性阻尼材料，其應用性能、使用條件，與磁性材料基本一致，有的性能指標還優于磁性材料。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，其剩磁會對環境造成一定的影響，磁性材料在使用過程中，很容易發生在烘烤后起泡，甚至脫落等現象，而復合型補強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：減振材料的設計和在汽車上的應用。E-mail：xfc2002@126.com。