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发表于 2020-5-22 08:59:49 | 显示全部楼层 |阅读模式

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新型阻尼材料在汽车领域的应用

申标*,张辉

(奇瑞商用车(安徽)有限公司,安徽 芜湖 241000)

【中国汽车材料网】摘要:介绍了传统防震阻尼材料的类型和理化性能指标,对新型液态可喷涂型阻尼隔音材料(LASD)的减振降噪机理和性能特点进行了概述,指出了其涂装过程中存在的问题,并对两种阻尼材料的特点进行了对比,指出了汽车用阻尼材料的发展方向。
关键词:汽车;阻尼材料;降噪;环保

随着社会经济的发展,噪声污染逐渐引起人们的关注,它已与空气污染和水污染并列为世界三大主要污染之一。汽车作为现代人的常用代步工具,目前的产销量和保有量都在稳步增长,并且人们对汽车内噪声控制的关注越来越多。车内噪声及环保的控制水平已逐渐成为衡量汽车安全舒适质量的重要标志之一。汽车上存在着多种振动源,长期的震动和噪声会造成严重的危害,如引起机构破坏,影响仪表、仪器的正常工作,影响驾乘人员的舒适度,易造成驾驶员疲劳,等等。因此,为了减轻汽车在行驶过程中因振动而产生的噪音,提高轿车的舒适度和适应空调隔热的需要,使轿车噪声满足法规要求的78 dB以下,需要在车身内部采用防声、防震和吸音材料。当前,用于汽车减振、降噪的方法主要有3 种:(1)在进行汽车车身的结构设计时,为削弱车身共振对车内噪声的贡献,令整个车身结构模态的固有频率避开外界产生的激励频率;(2)采用密封技术提高整个车身的密封性,避免外部噪音直接通过缝隙传递到乘驾室内;(3)在车内外使用一些隔音和吸音的阻尼材料以降低噪声。本文着重介绍第3 种汽车减震降噪技术。

1 阻尼材料简介
阻尼技术是利用高分子材料的粘弹性将振动能转化为热能消耗掉,从而有效地降低机构振动和噪声,实现对汽车舒适性的主动控制。阻尼材料在车体内外部均可使用,用于车辆内部时可降低车辆发动机产生的震动并减小噪音,用于汽车外部时如车身底盘、挡泥板等部位时,可有效吸收行驶过程中碎石及沙粒撞击产生的能量,防止汽车的损坏和腐蚀,并起到减震降噪的作用。
车身常用的阻尼材料包括沥青阻尼板(以沥青为主材,加入改性填料而制成)、热熔阻尼板、液态补强胶、丁基胶阻尼板、LASD(liquid applied sound deadener,即液态可喷涂型阻尼隔音材料)、环氧增强垫、焊缝密封胶等,见图1。本文重点讨论其中的沥青阻尼板及LASD 产品的应用。

2 传统防震阻尼材料的类型
目前普遍采用由沥青、石棉制成的防声阻尼材料,涂布厚度为2 ~ 3 mm,主要是粘贴和铺放在车身四门、引擎盖、后背门、前地板、中底板和后地板上,粘贴后可使噪音由原来的100 dB 降至60 dB 左右。根据安装部位,一般可以分为3 种类型。

图1 汽车常用的阻尼材料

Figure 1 Common damping materials used in automobile



2.1 热熔型
热熔型阻尼板通过涂装线烘烤时发生熔化,冷却后牢固地粘贴在地板上,主要应用在车身地板上。
2.2 磁吸型
磁性材料是在黏弹性材料中添加一些磁粉,因而具备一定的磁性,主要被吸附在车门内侧面、车顶内表面、引擎盖内表面、后背门内表面及车身内部立面上。
2.3 自粘型
自粘型阻尼材料主要粘贴在车身板、车门侧板、车轮罩及侧围区域。自粘型沥青板材料以改性沥青为主材料,表面涂刷一层压敏胶,粘贴到车身,烘烤固化后起到防震、隔音、阻尼的作用。传统阻尼材料的理化性能见表1。
表1 传统阻尼材料的理化性能

Table 1 Physical and chemical properties of traditional damping materials




3 新型水性阻尼材料
LASD 是以水性丙烯酸为主材,配以固体填料、多种助剂(包括分散剂、增稠剂、表面活性剂等)复合而成的可喷涂型阻尼材料,属于阻尼涂料的范畴。文献[1]以水性丙烯酸乳液为基料,制备了一种高固含LASD。其动态热机械分析(DMA)结果表明:采用保利佳丙烯酸乳液A(固体分49.5% ~ 50.5%,温度0 °C,黏度300 mPa⋅s,密度1.04 ~ 1.07 g/cm3,pH 7.0 ~ 8.0)和巴德富丙烯酸乳液C(固体分50.0% ~ 51.0%,温度16 °C,黏度270 mPa⋅s,密度1.02 ~ 1.05 g/cm3,pH 8.5 ~ 9.1)制得的LASD 材料完全能够满足车辆的减振降噪需求。其中乳液A 制备的材料具有较好的低温域阻尼性能,而乳液C 制备的材料具有较好的高温域阻尼性能。可见,利用不同的聚合物可以调制出不同温域的阻尼材料,甚至可以拓宽温域,满足不同环境的需求。
3.1 阻尼涂料的减振降噪机理
阻尼涂料是一类由特定功能高分子基料和填料构成的可有效抑制振动和噪声的特种功能涂料。这种材料可使用在各种异形结构表面和平整基体表面,施工方式可以是喷涂或人工刮涂。此类涂料利用高聚物的黏弹性,通过分子链段运动产生的内摩擦,将部分外场作用(如机械振动、声振动)产生的能量转化为热能耗散掉,从而达到减振降噪的目的。阻尼机理是:在交变应力的作用下,高分子材料因其特有的黏弹性使其形变滞后于应力的变化,部分的功以热或其他形式消耗掉,通过产生力学消耗起到阻尼作用。
3.2 阻尼涂料的性能特点
阻尼涂料是一种已经被广泛应用于减振降噪工程的高分子阻尼材料。根据分散介质不同,阻尼涂料一般分为溶剂型阻尼涂料和水性阻尼涂料。早期的溶剂型阻尼涂料主要为沥青阻尼材料,这种材料的阻尼性能低且含有大量的有机溶剂,有机物挥发较多,容易污染环境,现已基本被淘汰。水性阻尼涂料的基料是水性乳液,分散介质是水,与溶剂型阻尼涂料相比具有绿色环保、施工安全等优点,与阻尼胶板相比又具有可在设备或设施的表面直接喷涂,施工方便,粘结强度高等优点,是未来阻尼涂料发展的主流[2]。
新型汽车用水性阻尼涂料是以水性高分子弹性树脂为主,配合多种核壳结构的阻尼树脂、补强材料及防腐材料制成的一种环保防护涂料,不仅具有优异的阻尼性能和防腐性能,而且附着力强、抗石击、安全环保,具有广阔的应用前景。它的使用可以使车身轻量化,是传统阻尼材料的理想替代品。
物理教师作为专业知识的传播者,知识涉及面应该比较广,知识的掌握要有外延,知道哪些该讲、多讲,哪些精讲、少讲,挥洒自如、控制有度,为学生以后继续学习打好、打牢基础,同时要运用边缘学科和相关学科的相关理论和最新科研成果研究教育现象,指导教育实践,要善于运用“侧向思维”,实现触类旁通和经验迁移,从其他领域获得借鉴,探索出物理教学的新规律。
目前,国内外的水性阻尼涂料主要应用于常温域,没有散热方面的严格要求。文献[1]所制备的LASD高温域水性阻尼涂料在-10 ~ 80 °C 范围内具有非常好的阻尼性能,因此可在高温环境下使用,并对低频振动及噪声具有非常好的治理效果。表2 是新型汽车用水性阻尼涂料的性能指标。可以看出,材料本身的性能及产品的性能与传统材料相比均有明显提升,适应区间大幅度提升[3]。
表2 市售新型水性阻尼涂料的性能指标

Table 2 Performance indexes of a novel commercialized waterborne damping paint




水性阻尼涂料现场应用照片见图2。
4 常见问题
(1) 自粘型和磁吸型材料目前均为人工操作,作业过程中经常会出现粘贴不牢,致使烘烤或输送过程中沥青板脱落,或烘烤后出现流挂等问题。

图2 水性阻尼涂料现场应用的照片

Figure 2 Photos showing the application of waterborne damping paints on site



(2) 取件安装过程中因车身造型影响,容易发生断裂。
(3) 容易产生沥青碎渣,在油漆喷涂过程中会产生油漆颗粒问题。
(4) 对于结构复杂的区域,作业人员操作起来效率较低,且易遮挡安装孔及装配螺栓。

5 传统阻尼材料与水性阻尼材料的比较
5.1 传统阻尼材料的特点
(1) 在材料成本和工艺制造成本上具有优势。
(2) 在制造工艺方面,可实现自动上料,高速分散,永磁辊双道充磁,压延自动控制,隔离剂防粘,自动分拣胶片。
5.2 水性阻尼材料的特点
(1) 具有多元化配方体系,高、中、低三套配方体系适用于不同的性能及成本要求。
(2) 可实现轻量化,如LASD 的干膜密度为0.97 g/cm3,而沥青阻尼板的平均密度为1.8 g/cm3,在施工面积相同的情况下减重45%。
(3) 可提供多种喷涂施工方案,手工、自动化、手自一体化等均可。

6 结语
随着汽车工业的快速发展,人们对汽车的减振、降噪、环保提出了更高的要求,对阻尼材料的阻尼性能及其他性能要求也就更高。因此,需要广大阻尼涂料科研者不断开拓创新,研制出在宽频带范围内具有良好的阻尼隔声性能,物理机械性能长期稳定可靠,且贮存性能稳定,施工方便,安全环保的新型水性阻尼材料。

参考文献:
[1] 苏坤, 李永岗, 吴祥东, 等. 新型可喷涂液态阻尼材料的制备及其性能研究[J]. 现代涂料与涂装, 2018, 21 (6): 12-14.
[2] 何彬, 肖其弘, 李旋, 等. 新型水性阻尼材料在汽车涂装中的应用[J]. 涂料工业, 2014, 44 (6): 61-64, 68.
[3] 缪兴和, 邓延海. 环保型新一代阻尼降噪材料在汽车上的应用[R/OL]. (2016-07-01) [2019-04-20] https://wenku.baidu.com/view/2adeb24ddd3383c4ba4cd2a5.html.



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