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实验研究汽车顶棚用轻质GMT吸音性能与影响因素
2019-01-11 10:06:48·
玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)具有质轻，导热系数低，绿色环保，韧性、刚性、耐冲击性、耐腐蚀性等综合性能优异的特点，该材料于20世纪90年代被应用于汽车工业，用来制造保险杠横梁、座椅及仪表板骨架、车下体保护罩等汽车零部件，是汽车实现轻量化的主要材料之一。当把GMT用于汽车顶棚时，需要考虑材料的刚性，声学特性和美学效果。轻质GMT是一种新型GMT，与传统GMT相比具有膨胀倍率高、密度低的特点，这就使它比传统GMT更适合作为汽车内饰顶棚材料。
作者：陈雅君1，杨春壮2，王超1，马祥艳1，钱立军1
（1：北京工商大学材料与机械工程学院；2：杭州志和高分子材料有限公司）
玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)具有质轻，导热系数低，绿色环保，韧性、刚性、耐冲击性、耐腐蚀性等综合性能优异的特点，该材料于20世纪90年代被应用于汽车工业，用来制造保险杠横梁、座椅及仪表板骨架、车下体保护罩等汽车零部件，是汽车实现轻量化的主要材料之一。当把GMT用于汽车顶棚时，需要考虑材料的刚性，声学特性和美学效果。轻质GMT是一种新型GMT，与传统GMT相比具有膨胀倍率高、密度低的特点，这就使它比传统GMT更适合作为汽车内饰顶棚材料。
汽车内饰顶棚位于乘客头顶与汽车外壳之间，是汽车内饰中平面面积最大的内饰件，对于现代汽车来说，它不仅具有装饰性的作用，同时还承担着保护乘客头部安全、阻隔由车顶传送的噪音进入车内以及吸收车内产生的噪音的作用。因此，汽车内饰顶棚吸音性能对汽车噪音的整体控制起着关键性的作用。汽车的噪声性能虽不是汽车的基本性能，但却是汽车的质量指标，随着人们对汽车的进一步认识，汽车噪声已成为非常重要的一项汽车质量指标，直接影响到汽车的销售状况和认可度。因此，研究GMT的吸音性能是非常必要的。
影响GMT 板材吸音性能的主要因素包括板材的成型厚度、透气率、GMT 板材面密度以及GMT汽车内饰顶棚与钣金的间隙4 个方面，笔者通过一系列实验，详细分析和阐述了各个因素与成型后GMT 汽车内饰顶棚吸音性能之间的关系。
1、实验部分
1.1 原材料
短切玻璃纤维：平均长度5 cm，巨石集团有限公司；
丙纶短纤维：湖北博韬合纤有限公司；
三层共挤阻隔热熔胶膜、聚酯热熔胶膜、热熔胶网：杭州志合高分子材料有限公司。
1.2 GMT汽车顶棚样品的制备
(1) 不同面密度GMT板材的制备。
采用无纺梳理工艺，按玻璃纤维∶丙纶短纤维质量比为55∶45的比例投料至无纺设备中，经过铺网、针刺得到不同面密度的混纺毡，然后将无纺毡在180℃的条件下烘烤、加压使丙纶纤维熔化，经冷却得到800，900和1000g／m2的轻质GMT板材。
(2) 不同透气率GMT汽车内饰顶棚的制备。
GMT汽车顶棚的生产工艺：①首先将一面贴有热熔胶膜的GMT板材在红外加热箱中加热至190℃[10]，此时由于丙纶短纤维熔化后玻璃纤维松弛并直立，使得GMT板材膨胀，膨胀率与GMT板材中的玻璃纤维含量有关。②将面料平铺于GMT板材附有热熔胶膜的一侧上，并送入模具中进行冷压成型。
采用上述生产工艺，通过在GMT板材的表面贴合不同种类的热熔胶膜获得透气率不同的样品。其中，三层共挤阻隔胶膜透气率最低；聚酯热熔胶膜透气率中等；热熔胶网透气率最高。
(3) 不同成型厚度的GMT汽车内饰顶棚的制备。
采用(2)中GMT汽车顶棚的生产工艺，通过调整冷却模具的间隙分别为3，4，5mm，可得到不同成型厚度的GMT汽车顶棚。
1.3 测试方法
采用驻波管法测试顶棚样品的吸音系数，驻波管内径为10cm，测量从1000～6000Hz范围内共6个声波频率下的吸声系数。实验设备主体是1根内壁光滑且坚硬的刚性管，管子的一端安装扬声器，另一端装入直径为10cm的圆形待测样品，驻波管中的声场利用探管测试，声波入射到材料表面后，一部分声波进入材料孔隙，引起孔隙中空气和材料中细小纤维的振动，由于摩擦和粘滞阻力，声能变为热能被吸收；另一部分声波向相反方向反射，入射波和反射波的叠加在内壁建立了驻波。根据GBJ88–1985《驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范》，利用探管可以测出声压的极大值和极小值，即可计算材料的吸音系数。
2、结果与讨论
2.1成型厚度对吸音性能的影响
图1为成型厚度分别为3，4，5mm的低、中、高透气率GMT汽车内饰顶棚所对应的吸音系数–频率曲线。其中，汽车内饰顶棚所使用的轻质GMT板材面密度均为800g／m2。
从图1可看出，汽车内饰顶棚的成型厚度对吸音系数影响很大，无论是在低频(0～2000Hz)段、中频(2000～4000Hz)段还是高频(4000～6000Hz)段，吸音系数总体上都随成型厚度的增加而增大，这是因为当成型厚度增加时，GMT板材的膨胀率增大，使得板材的孔隙率增加，从而不仅增加了声波的射入量，而且使得声波在板材中有更长的传播路径，更多的声波在与玻纤的摩擦和振荡过程中转化为热能，透过汽车内饰顶棚的声波变少，表现为吸音系数提高。因此，提高成型厚度是提高吸音系数的一个非常有效的手段。
2.2 透气率对吸音性能的影响
当在GMT板材表面贴合热熔胶膜时，由于不同种类的热熔胶膜高温下向GMT中渗透性不同，使得最终成型得到的GMT汽车内饰顶棚具有不同的透气率。
图2为成型厚度分别为3，4，5mm时不同透气率的GMT汽车内饰顶棚所对应的吸音系数–频率曲线。其中，汽车内饰顶棚所用的轻质GMT板材面密度均为800g／m2。
当GMT汽车内饰顶棚的成型厚度为3mm时，材料的吸音系数随透气率变化的规律性比较明显，当频率大于1000Hz时，材料的透气率越高，吸音系数越高。当GMT汽车内饰顶棚的成型厚度为4mm时，在高频区材料的透气率越高，吸音系数越高；而在低频和中频区规律性不是很强；当GMT汽车内饰顶棚的成型厚度为5mm时，高透气率的材料在高频区仍然表现出最高的吸音系数，而在低频区和中频区规律性不明显。而在实际应用过程中，低频区和中频区的吸音主要通过内饰顶棚和钣金之间的“安装间隙”来调整，GMT汽车内饰顶棚更大的作用在于吸收更多的高频声波。因此，图2所示的实验结果说明通过使用热熔胶网可使GMT汽车内饰顶棚获得较高的透气率，从而提高它的吸音性能。
2.3 GMT板材面密度对吸音性能的影响
图3所示GMT板材面密度分别为800，900，1000g／m2的汽车内饰顶棚在成型厚度分别为3，4，5mm时所对应的吸音系数–频率曲线。其中，所有的样品都采用高透气率的热熔胶网。
从图3可看到，与成型厚度和透气率相比，GMT板材面密度的变化对吸音系数的影响要小得多。3种面密度不同的汽车内饰顶棚的吸音系数–频率曲线几乎是重合的。但当成型厚度为4，5mm时，GMT汽车内饰顶棚的吸音系数在2000Hz和3000Hz时，面密度为1000g／m2的GMT板材吸音系数最高，尤其是当成型厚度为5mm时，这种趋势更明显。这是因为在相同厚度的条件下，较大的面密度相当于增加了顶棚内部纤维的交错密度，当声波通过时，增加了纤维对声波的吸收，因而使吸音系数得到了提高。
2.4 汽车内饰顶棚与钣金的间隙对吸音性的影响
影响GMT汽车内饰顶棚吸音性能的因素还有汽车内饰顶棚与钣金的间隙这一装配参数。图4所示为3种不同间隙（0，5，10cm）所对应的GMT汽车内饰顶棚的吸音系数–频率曲线。其中所用的是高透气率、GMT板材面密度800g／m2、成型厚度5mm的内饰汽车顶棚。
从图4可以看到，汽车内饰顶棚与钣金间的间隙对汽车内饰顶棚的吸音系数影响较大，尤其是在低频区和中频区，间隙越大，吸音系数越高。这是因为汽车内饰顶棚与钣金间的间隙主要对较低频率的声波起作用，增加间隙相当于增加了汽车内饰顶棚的厚度。
3、结论
(1) GMT汽车内饰顶棚的吸音系数受到GMT板材面密度的影响不大，仅在频率2000Hz和3000Hz下，面密度高的板材表现出高的吸音系数。
(2) GMT汽车内饰顶棚的吸音系数在整个测试频率范围内总体上表现出随着成型厚度的增加而增大的趋势。
(3) 在高频区，高透气率的GMT汽车内饰顶棚的吸音系数最大。
(4) 在低频和中频区，增加GMT汽车内饰顶棚与钣金之间的间隙可以显著提高顶棚的吸音系数。
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