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发表于 2020-4-27 09:09:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 chexw 于 2020-4-27 09:11 编辑

水性阻尼材料在全铝车身上的应用研究

雷蕾,张海斌,孟令昊,崔翌林
(上海蔚来汽车有限公司,上海 200000)
【中国汽车材料网】摘 要:阐述了水性阻尼材料的应用现状及材料特点,介绍了水性阻尼材料的优势、阻尼性能验证、轻量化贡献。最后重点介绍了在全铝车身上的在线应用工艺、常见质量问题解决和质量控制标准。
关键词:水性阻尼;隔音降噪;绿色环保;轻量化;全铝车身

前言

目前,我国汽车行业中采用的阻尼材料大部分为沥青板材,其多由沥青直接与各类无机填料混合而成。从实际使用效果上看,这种材料在寿命及温度适用范围方面均难以全面满足使用要求。同时,由于沥青内含有大量稠环化合物及含氮、含硫的高沸点物质,其在发动机等高温环境中长期使用将产生大量有害物质,容易对使用者造成身体损伤[1]。

20世纪60年代,在美国及欧洲等西方国家相继出现了以水作为溶剂的水性涂料,并在之后的几十年中广泛应用到了包括汽车行业在内的各个领域。在国内,近年来由于国家对环保要求的进一步提高,水性阻尼材料呈现出巨大的市场应用前景。另外随着汽车市场的发展及大气污染的愈加严重,汽车轻量化推行力度持续增加,以铝镁合金为代表的轻质材料在汽车上应用的比例日益增加。数据显示,铝镁合金占压铸件总比例稳步增加,2015 年达到 13.4%。未来受益于汽车轻量化,全铝车身将是车身材料发展的重要方向。因此会新增许多新材料在全铝车身的应用研究,加快这些研究将具有理论意义和现实意义。


1 水性阻尼材料

水性阻尼材料又名Waterborne LASD(Liquid Applied Sound Deadener)水性阻尼涂料是以树脂为基质,以水为分散剂,加入大量的片层结构的云母粉,碳酸钙等无机物组成[2]。将阻尼材料喷涂在振动的部件壳体上起到抑制壳体振动和降低噪声的目的。相比于传统材料,水性材料是可喷涂的液态水性阻尼材料,可实现自动化生产。水性阻尼材料密度低,可节省整车材料用量,为整车轻量化做出贡献。另由于以水作为分散溶剂,保留传统的阻尼材料优点的同时,最突出的优点是绿色环保。


2 水性阻尼材料与传统沥青阻尼材料对比
2.1 产品自身属性对比

水性阻尼材料与传统的沥青阻尼材料相比,具有许多较为突出的特点。见表1。

[size=0.8em]表1 传统沥青阻尼材料与水性阻尼材料对比
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2.2 阻尼性能对比

水性阻尼材料要被开发应用,需首先验证其材料的阻尼性能。因此选取某品牌的水性阻尼材料与目前市场在用的沥青阻尼材料进行实验验证对比。水性阻尼材料喷涂湿膜厚度为3mm,沥青阻尼厚度测得2.7mm,选取汽车使用常见温度范围-10-40℃下进行材料阻尼因子测定。测试方法:悬臂梁法(参考GB/T 18258-2000 阻尼材料阻尼性能测试方法);评价指标:阻尼因子,见图1。图1表明:水性阻尼材料的阻尼因子明显优于沥青阻尼材料。

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[size=0.8em]图1 水性阻尼材料与沥青阻尼材料阻尼因子对比


2.3 车身轻量化对比

由于水性阻尼材料的密度比沥青阻尼垫低20-40%,故同样体积下可减重20-40%;另水性阻尼材料含有水分20%- 25%,烘干后比烘干前再减重20%-25%。因此,相比沥青阻尼垫,喷涂同样厚度的水性阻尼材料可减重至少30-50%。见表2。

[size=0.8em]表2 水性阻尼材料对车身轻量化分析
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3 水性阻尼材料在全铝车身上的在线应用工艺3.1 施工设备

施工设备(管路、泵组等)的湿润部件必须选用耐腐蚀的不锈钢,例如:1.4571或1.4404。机器人喷嘴可根据生产节拍设计、材料基底属性来选择,主机厂大多选用3D枪嘴、Flat-stream枪嘴喷涂施工。通常水性基底的用3D枪嘴,橡胶基底的用Flat-stream枪嘴,见图2。具体的施工参数压力和流量等取决于设备的类型(泵组,管路长度,枪嘴)等。

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[size=0.8em]图2 不同材料基底机器人喷涂枪嘴对比


3.2 施工工艺参数

根据产品设计要求,水性阻尼材料喷涂在车身上指定位置,湿膜厚度控制在立面约1.6-2.0mm,水平面约2.3-3.1mm。施工温度25℃-30℃水性阻尼材料还适应较宽的固化温度范围120℃-180℃,固化时间取决于固化温度及涂层的厚度。产品中所含的水分将在烘烤过程中挥发。应用效果见图3。

值得一提的是,较镀锌板与冷轧板车身,水性阻尼材料在全铝车身上的应用对烘烤温度更为敏感,因为铝车身的吸热能力较强,升温速率较快,容易导致水性阻尼材料开裂脱落问题,在下文常见问题解决方案中会详细介绍到。

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[size=0.8em]图3 水性阻尼材料在车身上的喷涂效果

3.3 开放时间研究
[size=0.8em]表3 开放时间研究
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[size=0.8em](注:测试条件:温度25 oC,湿度50%)

由于车间的停线或停产,需分析验证水性阻尼材料最长能放置多长时间后进入烘房不产生质量问题,我们在实验室里做了刮板实验(见图4),参照现场喷涂厚度和烘烤温度,验证放置3小时,5小时,8小时,16小时,20小时,24小时后再烘干的干膜外观是否会出现翘边、开裂、脱落等问题,验证结果表明开放时间能达到8小时无质量问题,测试结果见上表3。

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[size=0.8em]图4 开放时间实验刮板图片

3.4 存储条件

密封包装,避免冻结与阳光直射,存储运输条件为10℃-30℃。在上述条件下的产品保质期为3个月。夏季不得在高温(≥30℃)下暴晒及存放,冬季不得低于0℃存放,0℃存储,否则产品会结冰变质,必要时存储间或打胶房安装空调。若长时间停线(例如过夜以及节假日),务必卸掉管路和压盘压力,并清空线上车辆。

4 常见质量问题及解决方案

水性阻尼材料在应用的过程中我们发现常见的质量问题主要有表面鼓包、脱落、开裂、翘边、流挂等,问题及解决方案详见表4。

[size=0.8em]表4 水性阻尼材料常见质量问题
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[size=0.8em]图5 水性阻尼材料在全铝车身常见质量问题

针对全铝车身,出现表面鼓包、脱落、开裂的质量问题尤为明显,见图5。因为全铝车身铝板吸热能力强,升温速率较快,LASD 表面迅速结皮,内部水分快速挥发,表面却未有充分的挥发通道,只能从边缘挥发,致使边缘翘边脱落;另一方面,快速升温过程中LASD急剧膨胀,冷却时又极度收缩致使表面开裂。

为了解决上述质量不良问题,我司迅速组织材料合作伙伴进行原因分析,确定解决方案,对现有配方进行调整,对体系粗粒径填料进行微调,增加2-3%,让水汽有充分的挥发通道,避免边缘开裂;另一方面,微调交联促进剂及附着力粘合比例,增加体系本强度避免表面收缩现象。随后对优化后配方的LASD在实验室进行刮板验证,验证通过后再实车挂板过烘炉进行验证,两者验证结果优化后的LASD表面平整、边缘清晰,未出现边缘翘边表面开裂脱落质量问题。验证结果见下图6。

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[size=0.8em]图6 改良配方后水性阻尼材料刮板验证图片

5 质量控制标准

鉴于上述的质量常见又易发生,阻尼性能又是它的一个非常重要指标,那么开裂鼓包到什么程度会影响到材料的阻尼性能呢?带着这一疑问我们研究对比了表面平整、表面有鼓包和表面有开裂的阻尼性能实验,测试条件:25℃,湿度50%,钢条尺寸:240*10*1mm3,水性阻尼尺寸:215*10*3 mm3,见下图7;测试方法:悬臂梁法(参考GB/T 18258-2000 阻尼材料阻尼性能测试方法),测试结果如下表5所示。

[size=0.8em]表5 水性阻尼材料表面鼓包、开裂对阻尼性能的影响
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[size=0.8em]图7 阻尼性能验证制样图片

从测试结果可以看出,3mm样条表面有鼓包和表面有开裂出现的时候,其阻尼系数比表面平整的样条略有下降,但是均达到了材料标准要求阻尼系数≥0.05(5~40℃),≥0.25(25℃)。因此材料表面有鼓包和表面有开裂但不脱落对LASD 材料阻尼性能基本无影响。

[size=0.8em]表6 水性阻尼材料应用质量控制标准
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为了规范材料的应用以及保证材料应用质量的稳定性,我们在以上研究的基础上总结了材料的质量控制标准,具体见表6。

6 结语

传统的沥青阻尼材料作为抗振减噪材料被广泛应用于汽车内部的顶棚、侧围、车门、地板等位置。沥青阻尼材料虽然具有较好的减振消音防水性能,但是由于其高温易软化,在使用过程中一旦受热会挥发出 VOC 直接进入空气中,不仅会对车内外环境造成污染,更会对人体产生伤害。此外,沥青阻尼材料还存在比重较大、易燃烧等缺点。水性阻尼涂料与传统的沥青阻尼材料相比,具有施工方便安全、绿色环保、粘接强度高等优点;并且,水性阻尼材料比重较小,可满足汽车轻量化的要求。再者,随着汽车市场的发展,汽车轻量化推行力度持续增加,全铝车身将是车身材料发展的重要方向。因此越来越多的主机厂开始关注这些新型环保型材料在全铝车身上的应用。


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