三明治复合材料在汽车上的应用

撰文/吴洪亮  陈文琳 (合肥工业大学材料科学与工程学院)

       熊飞 (长城汽车股份有限公司技术中心)

三明治复合材料又称树脂复合减振板，是一种新型的阻尼减振轻量化材料。复合减振板是由普通钢板和高分子聚合物组成的一种新型阻尼减振材料，在保证强度和刚度的同时，能达到减振降噪的目的，并减少减振零件数量来满足日益增强的轻量化需求。因此三明治材料作为一种不增加重量而达到减振降噪效果的新型材料，成为汽车应用的一个发展方向。对该材料的研究，如成形性能及减振性能研究越来越受到重视，在汽车行业的应用也得到越来越广泛的关注。 

三明治材料的结构

三明治材料的分类

三明治材料通常有约束型与非约束型，而本文研究的是一种典型的约束型阻尼结构。约束型阻尼结构是在保证强度和刚度的条件下，尽可能提高减振效果。三明治材料根据不同适用需求和结构，大致分为如下几种：

从阻尼的布置形式分：有三层阻尼和多层阻尼；对称分布和非对称布置形式。从阻尼层厚度分：有薄夹心阻尼层结构和厚夹心阻尼层结构。本文研究的是薄夹心三层阻尼减振板。

典型结构

最通用的三明治材料是由上下对称的普通钢板与中间的高聚物树脂组成，中间层被上下基板约束，形成约束阻尼结构，如图1所示。中间层是具有较高损耗因子的高聚物树脂，如聚酯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(NY)及聚三甲基戊烯(TXP)等。基板的厚度一般为0.15~1.6mm，中间层的厚度一般为0.03~0.1mm。普通钢板提供强度及刚度，中间高聚物层吸收振动和噪声。

减振原理

根据机械振动理论，机械结构系统在激振力作用下，当激励频率与结构系统的固有频率相同时将会有谐振现象发生，系统的阻尼是唯一可以减振的因素。阻尼减振就是依靠机械结构阻尼(材料阻尼、结构阻尼、接触阻尼)将振动转变为热能，从而达到减振的目的。弹性材料可以存储能量，却不具备消耗能量的功能，粘性材料无存储功能但可以耗损能量。粘弹性材料是一种既具有某些粘性液体同时具有弹性固体特性的高分子聚合物材料，具有二者性质，既能存储能量，又能耗损能量，即振动阻尼的作用。衡量材料阻尼效果的性能指标是结构阻尼损耗因子，损耗因子越大其阻尼效果越显著，对于绝大多数材料，结构阻尼损耗因子大致为0.001~0.1，接触阻尼损耗因子一般大致为0.01~0.05。提高材料阻尼的有效方法之一是通过将粘弹阻尼材料与金属结构材料的结合，使其损耗因子达到0.1~0.5，从而能显著提高零件的阻尼。 

国内外研究现状

二十世纪80年代，三明治材料开始出现，美国、德国、日本等发达国家开始对树脂复合板进行研究。Y. Yutori等人通过基本的成形试验，介绍了减振板的机械性能及成形性，并与等厚度的钢板进行了对比。M.Yoshida等人研究树脂复合减振板的弯曲，指出并证实了减振板在弯曲时会出现反向弯曲，即“鸥翼”现象。Makinouchi等人较早运用三层模型对减振板的成形进行了模拟，预测了成形过程中缺陷的位置。Kopp和 Abratis通过一系列的试验，论述了减振板的回弹角较等厚度钢板的回弹角小，减振板的成形极限图低于等厚度普通钢板。Cheng, H. S.等人研究了减振板的起皱趋势，减振板的抗起皱能力较强。Corona等人通过实验和数值模拟的方法得出经过压弯的减振板的两翼反向弯曲角随冲头行程的增加而减小，同时反向弯曲角随时间的增加而逐渐减小直至不变。Liu. W.等人运用abaqus商业软件模拟了两种不同中间层的球形件拉深，并研究了各层的性质与减振板成形性的关系。目前，国外的研究内容丰富详细，并推动了三明治材料在汽车、建筑及电子等行业运用。尤其在日本，树脂复合减振钢板已广泛运用于体育馆的地板、顶棚及邮袋传输滑道上。

二十世纪90年代中期，国内一些高校、研究所及企业开始研究复合减振钢板。香港大学的Kim等人总结了各种复合钢板(包括树脂复合减振钢板)的成形性及成形工艺对成形的影响。程娴等人研究了不同粘结剂粘结的薄钢板组成的层合板的力学性能及成形性。You-Min H.等人运用弹塑性有限元法模拟了复合减振钢板的弯曲，并与实验结果进行了比较分析。康永林等人运用ANSYS分析了树脂复合轻质板的弯曲成形，分析了弯曲后各层的错动及剪切应力分布。吕成和张立文等人运用MSC软件对不同厚度的基板的拉深成形进行了仿真模拟研究，分析了内外层的错动量。黄胜等人较为系统地总结了三明治材料的成形性，较深入地分析了三明治材料的成形机理。在仿真模拟方面，总结前人的基础上，提出了修正的粘聚力材料模型。虽然国内在三明治材料的研究方面做了较多工作，但是三明治材料在国内的使用范围仍然有一定的局限。 
在汽车上的应用

减振板在保证强度、刚度的基础上，具有等厚度钢板不具备的优异阻尼减振特性。三明治材料不仅具有结构作用，更具有减振的功能，可以减少隔音吸音附件，起到功能轻量化。从二十世纪90年代，树脂复合减振钢板开始受到发达国家的广泛关注并成功运用于部分的汽车冲压零部件。目前，减振钢板在国外车型上应用较多，且其零部件的工艺及技术已相当成熟，尤其日本、美国已实现规模化生产。在国内减振的应用还处于起步阶段，只在部分零部件得到应用，且应用还受到一定的限制。在汽车上，减振钢板主要应用于机油盘、发动机罩盖、正时齿轮盖、曲轴、箱罩盖、水泵支架、摇臂罩、挡泥板、轮罩等零部件上。表1是复合减振钢板在一些汽车品牌上的应用。

汽车发动机罩的应用

以聚甲基丙烯酰亚胺硬质结构为芯层的三明治结构材料已经成功运用于汽车发动机罩。该芯层材料具有优异的耐高温及机械强度。由于这种材料，使很薄的三明治材料也可以实现轻质高强。与普通发动机罩相比，重量从原来的9kg降到3kg，减重效果高达70%，同时能够满足静载工况(模态、扭转刚度、弯曲)和行人保护头部碰撞等性能方面的要求。

汽车前围板的应用

传统的前围板采用厚度为0.8mm的DC04普通钢板，再加上相应的隔音/吸音垫和减振沥青板构成普通钢板前围板系统。整个系统的重量大约为18.7kg。采用厚度为0.8mm的树脂复合减振板作为前围板时，能够降低车内噪声2dB左右。该前围板减振系统直接取消了吸音垫和沥青板，实现了前围板的轻量化。图2是试制成功的长城某款车型的前围板。

三明治材料是由性能差别较大的材料组成，它不仅具有等厚钢板的强度、刚度，更具有减振、降噪的特性，是一种环保、节能的新型轻量化材料。由于三明治材料的独特结构，对其材料及工艺特性如成形性能、仿真模拟等还处在初期阶段，从而限制了三明治材料的大量应用。随着汽车行业的飞速发展，对于该材料的研究不断深入，三明治材料必将得到更广泛的应用。