汽车用复合型补强胶片

徐丰辰，缪兴和，缪智刚

（柳州市兴拓工贸有限责任公司，广西 柳州 545006）

汽车用复合型补强胶片

徐丰辰，缪兴和，缪智刚

（柳州市兴拓工贸有限责任公司，广西 柳州 545006）

基于汽车NVH（振动、噪声、舒适性）工程的需求，介绍了一种具有刚度补强、阻尼降噪功能的复合型补强胶片，探讨了其在汽车NVH工程上的设计、测试和应用。

复合型补强胶片；玻璃化温度（Tg）；刚度比；阻尼系数

目前在线使用的补强胶片一般采用高分子聚合物环氧树脂做基材，加之固化剂，可实现高温固化，附加到车身板件后，依据使用要求和使用环境可分为两类：一类是增加板件的强度，抵抗外力破坏，关注的是板件的有效性；另一类是NVH工程的需求，抵抗由振动引起的板件变形，关注的是板件的刚度。

在NVH工程中，控制振动引起的噪声，一般有2个途径，其一是降低板件的原激励振动，特别是对于较薄的板件，方法是在板件上附加补强材料，利用材料的热固化特性，增加其刚度，相当于加厚了板件；其二是在板件振动发生后，利用阻尼材料的粘弹性，对抗板件的振动，在这里，阻尼材料可等效成一个弹簧。补强材料的动刚度特性，可吸收一些激励振动能量，但该材料的阻尼性能不好，很难满足降低噪声的设计要求；阻尼材料没有热固化特性，过涂装线时只是粘接到板件上，增加的板件刚度有限。在NVH工程设计中，有的板件，特别是板件较薄的车门等部位，需同时增强刚度和阻尼，在现场应用上，一般是在同一板件位置上只能附加一种材料。因此，2种性能不能兼顾，复合型补强胶片正是为满足该需求而设计的新型NVH工程材料。

1　材料设计

为改善补强材料的缺陷，提高其阻尼性能，需在材料中引入具有粘弹性的阻尼层。其设计思路是，将具有2种性能的材料，经过配方的使用一致性调整，生产工艺参数的优化，以及生产设备的创新改造，复合成一个整体，底层与板件直接粘接补强胶片，在补强层上面，增加具有粘弹性的阻尼层，这样，经涂装烘烤线时，补强层首先固化，阻尼层开始熔融，烘烤结束冷却后，在固化后的补强层上形成了阻尼层，等效于加厚的钢板上附加了阻尼。

涂装烘烤线烘烤时间一般为30 min，要求补强层能在10 min内迅速固化，固化值（扭矩）应≥0.3 N·m，这样才能保证阻尼层与补强层之间可靠粘接。

1.1补强层

补强层的使用一致性调整，是将固化温度调整到与涂装烘烤线一致。目前在线应用补强材料的固化温度一般在170～180 ℃左右，涂装线的烘烤温度一般在140～160 ℃左右，要达到使用的一致性，复合材料补强层的固化温度需降低。配方设计：环氧树脂100份，固化剂10份，促进剂2份。为增加粘性，还要加入一定量的橡胶类材料和填料。要把固化温度降至140 ℃，促进剂的选择较重要。

1.2阻尼层

阻尼层的熔融温度应与涂装烘烤线一致。设计的关键，是将材料的玻璃化温度（Tg）调整到工作温度下，使材料具有最大的阻尼性。组成阻尼材料的基材是具有粘弹性的高分子材料，不同的材料有不同的Tg，要用不同Tg的 材料，将其调整到工作温度下20～30 ℃，这个过程也称改性，阻尼层由改性的高分子粘弹性材料，加之无机填料组成。设计过程如下：

设阻尼材料由n个材料组成，各材料的玻璃化温度为Tg1、Tg2、Tg3、……Tgn，工作状态下的Tg由式（1）计算。

式中：Tgn：各材料的玻璃化温度，热力学温度；Tg：阻尼层的玻璃化温度；Wn：各材料的质量分数。

工程上应首先选定高分子粘弹性材料和改性剂，确定基材与辅材的比例，计算出基础配方各组分的含量，然后做小样测试，最后定型配方。

2　材料结构

将上述补强层、阻尼层按配方设计调整好，按材料结构要求辊压成型，基本结构见图1。

图1　复合型补强材料结构Fig.1　Composite reinforcing material structure

复合型补强材料的基本结构是：底部是普通隔离纸，便于包装运输和安装，基层是补强层，厚度1 mm，上部是阻尼层，厚度1～2 mm，依据不同部位的设计要求调整，补强层应具有一定的黏性，可直接安装到车身上，阻尼层与补强层的使用温度应一致。

3　材料性能测试

材料性能测试采用阻抗法，首先用钢板制成基板试条，尺寸270 mm×20 mm×0.8 mm，然后将待测材料，补强层面向基板，安放在基板上，放入烘箱，按使用温度烘烤到基板上，30 min后取出，冷却2 h，制成试件，测定材料的补强刚度比和阻尼系数。

3.1补强刚度比的测定

补强刚度比测定的是材料的动态值，即不同频率下的补强刚度比，首先分别测定基板和试件的前4阶模态频率，按式（2）计算各阶频率下的刚度比。

头孢呋辛酯的耐药性主要是通过β‐内酰胺酶水解、青霉素结合蛋白（PBPs）的改变、渗透性降低和细菌流出泵的存在。

式中：Bn：各阶模态下补强刚度比；n：阶次（1、2、3、4）；M1：基板质量，g；f1n：基板频率，Hz；M2：试件质量，g；f2n：试件频率，Hz。

依据测定出的补强刚度比，B1/B2/B3/B4，做这4阶刚度比的线性回归曲线，回归方程，计算关注频率下的补强刚度比。

3.2阻尼系数的测定

采用上述试件和方法，首先扫描出试件的2阶共振频率，用半功率带宽定义阻尼系数，按式（3）计算。

式中：f：试件的2阶共振频率；单位Hz；f2-f1：半功率带宽；单位Hz；η：阻尼系数。

3.3实测数据

3.3.1刚度、阻尼性

表1　三类材料测试性能对比Tab.1　Comparison of measured performance of three kinds of materials

补强材料的补强刚度比为2.74，但阻尼系数很低仅0.04，阻尼材料的阻尼系数0.17，但刚度比不如补强材料，而采用复合材料，补强刚度比达到了3.63，阻尼系数为0.23，兼顾了2者的优点，有较高的补强刚度和阻尼系数。

3.3.2补强层的固化特性

图2中，横坐标是时间，纵坐标是固化值（扭矩），红线是烘烤温度，当烘烤温度140℃时，补强层7 min固化值达0.3 N·m以上，10 min达峰值0.4 N·m。

图2　补强层的固化特性Fig.2　Curing characteristics of reinforcing layer

3.3.3阻尼层的固化特性

图3中，横坐标是时间，纵坐标是固化值（扭矩），红线是冷却温度，阻尼层经140℃、30 min烘烤，冷却到30 ℃后，固化值稳定在0.23 N·m。

图3　阻尼层的稳态固化特性Fig.3　Steady-state curing characteristics of damping layer

4　应用

复合型补强材料一般用在车身的侧围、车门等平面板件处。 图4是复合型补强材料，在某车车门上替代原补强材料后，在67 Hz时的声压级测试谱图。图4中，A曲线的声压级0.022 Pa/N，加原补强材料后，B曲线的声压级0.020 Pa/N，这可能是因为补强材料的阻尼系数很小，噪声下降不大，改复合型补强材料后，C曲线的声压级下降到0.014 Pa/N，降噪效果是明显的。

图4　加复合型材料后声压级比较Fig.4　Sound pressure comparison between before and after use composite reinforcing materials

5　小结

补强材料改复合型后，满足了NVH工程的要求。一般情况下，凡原设计采用补强材料的板件，都可以改复合型的补强材料。传统的补强材料的固化温度一般都在170～180 ℃左右，在汽车上应用时，需先在焊装车间就安装到车身上，然后过电泳使其固化，这样的生产工序存在质量隐患，粘贴补强板的部位有电泳不到的可能，随着时间的推移，补强板与车身板件之间有可能存在缝隙，一旦空气进入，就有可能腐蚀车身板件，发生质量事故。复合型补强材料的固化温度已调整到140～160 ℃，可在车身电泳后在涂装线上安装，不存在板件发生锈蚀的可能。

为进一步提升NVH工程设计的质量，该产品还可替代传统的磁性阻尼材料，其应用性能、使用条件，与磁性材料基本一致，有的性能指标还优于磁性材料。如该材料的比重密度1.4 g/cm3，而磁性材料的比重密度2.5 g/cm3左右，替换后可减轻车身的质量；磁性阻尼材料的磁性，过烘烤线就失去了存在的必要，其剩磁会对环境造成一定的影响，磁性材料在使用过程中，很容易发生在烘烤后起泡，甚至脱落等现象，而复合型补强材料不存在上述问题。

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

徐丰辰（1953-），男，工程师。研究方向：减振材料的设计和在汽车上的应用。E-mail：xfc2002@126.com。