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陈书明教授：多孔材料在汽车轻量化及NVH上的应用
2018-12-10 21:54:32· 来源：盖世汽车网
2018年12月7日-8日，以创新驱动、技术引领为主题的2018第六届汽车与环境创新论坛在上海安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨，旨在进一步促进
2018年12月7日-8日，以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨，旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台，通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系，助力实现向汽车强国的转变。以下是吉林大学教授陈书明的发言：
吉林大学教授 陈书明
我今天跟大家分享的是多孔材料在汽车轻量化及NVH中的应用。多孔材料无论在我们日常生活中还是在汽车上用的非常多，比如汽车的内饰，不管是软内饰还是硬内饰基本上都是在多孔材料材料范畴内。多孔材料顾名思义就是孔多，这是它的特点，这个孔通常我们可以按照孔径的大小进行区分，基本上多孔材料属于纳米级的，一般小于2个纳米的材料我们把它称为微孔材料，2个纳米到50纳米之间我们称为介孔材料，大于50纳米我们称为大孔材料。我们研究的多孔材料基本上是大孔材料，甚至可以说是超大孔材料。上午马老师也介绍了，马老师现在主编一本微结构材料方面的书，我也有幸参加到这个书的编写过程当中。多孔材料上午我们也提到微结构材料有可能是轻量化最终解决方案，这个还有待进一步的研究和考证。我们今天围绕的主题是轻量化，这是我们四化当中最重要的一化，轻量化、智能化、网联化、电动化，还有现在的共享化等等，甚至可能以后还会出来更多的化。
下面我主要从以下这几个方面介绍一下，首先是对多孔材料做一个简单的介绍。其次是聚氨酯组份的优化以及声学性能分析，还有植物纤维复合材料制备及性能分析，多孔材料参数测试设备开发，最后我们简单的介绍一下它在汽车声学包装上的应用。
多孔材料有非常多的优点，轻质，密度低是其中一个非常重要的优点，质量小、密度低而且还能够吸收很多的能量，尤其用在吸声材料的时候，显现出的优势非常明显。多孔材料大概有这么几大类，一个是纤维类、泡沫类、颗粒类。纤维和泡沫在我们车上用的非常多，纤维包括有机的纤维和无机的纤维，泡沫有开孔的和闭孔的，有机纤维有动物纤维、化学纤维、植物纤维，无机纤维，比如说玻璃、矿渣棉、金属等等。开孔的有金属、塑料还有其它的一些复合材料。闭孔的有塑料、玻璃、铝。
多孔材料我们也提到它质轻，当然还有其它的显著的作用，比如说它可以起到缓冲的作用，做缓冲件，吸收能量，还可以做结构件，很多多孔材料、微结构材料都可以做一些结构件，承载件等。它还可以隔热、减震、过滤，还有非常重要的一点它可以做吸声材料。
通常这个材料它怎么吸声呢？大家应该都清楚，声波入射到材料表面的时候，有一部分声波经过反射，一部分被材料吸收，还有一部分透射出去，我们希望材料吸收的声能越多越好。
多孔材料本身就是一种轻量化，设计材料也就是轻量化的一种设计，今天上午我们前面很多专家的报告都提到，轻量化可以节油，节能减排，这是必然的发展趋势。除了我刚刚提到的材料之外，还有现在用的比较多的泡沫金属，也有很多非常好的优点，比如说质轻、密度小、热导率低、恢复性强、可修复。在汽车上也有很多应用的案例。
关于轻量化我们提到的无非就是这么几个途径，一个是结构、材料、工艺，再有三个结合起来，结构、材料、工艺一体化的设计或者是多目标的优化设计。结构优化其实最早我们课题组在2006年那个时候就开始做结构优化方面的工作，那个时候只是停留在做结构方面的优化，通过结构优化实现轻量化，随后做材料和结构的应用，再到后来做结构、材料和工艺一体化的设计，目前复合材料，尤其是碳纤维复合材料在车上应用研究非常多，实际应用由于工艺还有成本各方面的限制还没有大范围的使用。这个表是一个关于发泡塑料我做的统计，它有硬脂的，还有软脂的，包括开孔、闭孔等等有很多类。
我们在做轻量化的时候它对汽车的性能尤其车身的性能有很大的影响，尤其是对我们的安全具有非常大的影响，还有制造工艺、成本、疲劳强度，更重要的是对我们的NVH性能有很大的影响。
我们做轻量化的时候势必要充分考虑对车身性能所带来的这些影响，比如说还有可能会使我们的吸隔声能力下降，还有可能会造成声辐射的降低。总之我们尽量使轻量化达到最优的时候，不损失其它的性能，或者损失很小一部分性能，实现最终的轻量化。
多孔纤维材料，一般可以做填料，把纤维放在多孔材料当中，实现性能的提升。现在用的比较多的就是聚氨酯材料，它除了轻量化这方面比较显著之外，在吸声隔声方面性能也比较好。车内声学包装是NVH控制的主要途径，当然现在我们除了这些被动控制之外，还有目前比较流行的噪声主动控制，声学包装包括吸声材料、隔声材料、阻尼材料、密封材料。现在对车内环境也要求环保。大家都有开新车的经验，我们最怕一进车，车里面的气味非常的难闻，尤其是车放了一晚上第二天不敢直接进去，先开窗通风一分钟再进去。
我们能不能做一种内饰材料，能够发出我们想要的气味，有没有这种可能？比如说马老师喜欢橘子味的，我们定制一个橘子味的内饰，比如说朱教授喜欢榴莲味的，我们做一个榴莲味的内饰，不是不可能。我们完全可以做到环保，最起码对人身体是无害的。
天然纤维在我们国家分布非常广，尤其是植物纤维用的非常多，开发轻质可降解的高性能、多孔声学包装材料，是我们追求的一个目标。下面我介绍一下聚氨酯泡沫优化和声学性能分析。这两个表是我们制备的原材料，从原材料大家可以看到，最重要的一个就是多元醇，现在基本上还是用的石油基的，并不环保，所以现在我们在用植物多元醇代替石油基的多元醇，可以提高材料的绿色成分，并且实现最优异的性能。
我们的基础材料做出来之后想使其性能发挥到最优，我们就选了几个组份，去离子水、三乙醇胺、硅油、催化剂A33，用最优的组合实现最优的性能。我们设计了一个正交表，用了9次实验，对材料的吸声系数和隔声量做了一个测试，上面这个图是吸声系数，尤其在315赫兹以上变化还是比较明显的，这是由于组份的变化所带来的吸声性能的变化。下面是隔声量，这个变化就更大了，最小的在5分贝以下，最大的达到了15分贝，尤其在整个频段内变化都非常明显，所以说组份对隔声性能影响非常大。
这个是我们通过优化得到的最终方案设计，我们看这个结果，上面的是优化前后吸声的对比，从低频100赫兹一直到2500赫兹，优化后曲线都比优化前要大，而且要大很多，所以优化效果非常好。平均吸声系数从0.48提升到了0.61，提升的幅度还是比较大的。下面是优化前后隔声量的对比，优化后的结果在低频改善稍微大一些。
自然界给了我们很多的启发，比如说根据鸟的飞行我们制造了飞机，根据穿山甲体表的特征，我们制造了耐磨的结构材料。由于猫头鹰翅膀的空气动力学静音特征非常明显，能不能提取表面的微结构特征，把这个特征表面做成非光滑的，看看它对材料的吸声性能是不是有影响，影响大不大。我们试着做了几种三角尖劈、梯形棱文、梯形凹坑、圆柱凸起、矩形凸起表面，这些非光滑表面材料都申请了专利。
这个表是我们测得的不同吸声材料流阻率，矩形凸起这种材料流阻率是24.7kPas/m2，它是最大的。这是我们仿真建立的模型，非光滑表面的模型，这是仿真得到的不同表面多孔材料吸声系数的对比曲线。当然我们不可能所有的非光滑表面都用实验实现，因为太多了，所以我们建立了很多的模型，去分析它对性能的影响。
前面我们提到植物纤维具有改性的作用，它对吸声性能会有影响，我们找了一些相关的纤维，因为有研究显示竹叶、麦秆等，不同大小的纤维对吸声性能有一个不同程度的影响，我们就做了一些，比如1-2毫米、2-3毫米、3-4毫米这些纤维，把它复合到聚氨酯泡沫当中，这是我们做的不同含量的聚氨酯的发泡材料。
a是纯聚氨酯泡沫，b是6%含量1-2毫米竹叶，c是6%含量2-3毫米的竹叶。d是6%含量3-4毫米竹叶。下面是麦秆，a是1%，b是1.5%，c是2%，d是2.5%，这是它的孔隙的特征，这是纯聚氨酯的泡沫，b是加入了竹叶，c是加入了竹叶的秸秆，最右边这个图是它的孔径的分布。我们得到一个结论，纯聚氨酯泡沫泡孔都是开孔，相邻泡孔紧密相连，平均孔径是0.144毫米。竹叶聚氨酯泡孔分布均匀度下降，竹叶或者秸秆的存在使其周围泡孔生长，限制泡孔继续长大，使泡孔不均匀。
这是竹叶秸秆对聚氨酯复合泡沫微观结构的影响，1-2毫米以及不同的竹叶含量孔的分布。我们通过这些得到了一个结论，它降低了平均孔径，竹叶含量的增加使得泡孔数量增多。它基本上先增大，后减小再增大，这是随着竹叶添加量的变化呈现的变化趋势，这是流阻率的变化，当竹叶3-4毫米竹叶秸秆的时候，流阻率是先增大后减小，和其他两个稍微有所不同。
下面是竹叶的添加对吸声性能的影响，这几幅图大家可以看一下，这是对吸声性能的影响曲线，通过分析我们可以看出，当长度为3-4毫米竹叶秸秆添加量为6%的时候，在全频段范围内有最佳的吸声性能，吸声系数是0.652。这是对隔声性能的影响，曲线上下波动比较大这个添加量对隔声性能影响非常大。我们可以得出结论，长度为2-3毫米竹叶添加量为8%的时候，聚氨酯复合泡沫在全频段内隔声量最大，达到18.9分贝的平均隔声量。
这是麦秆，我们国家也非常多，以前我记得我小时候在家基本上都是可以去割麦子，现在基本上都是联合收割，你想弄到麦秆也不是那么容易的，通常收割完就成肥料了。这是它的一个孔径的分布，A是麦秆含量为1%，B麦秆含量是1.5%，C是2%，D是2.5%。随着麦秆含量的增加，孔径分布越来越分散，孔径大小不均匀度随之增加，平均孔径呈现先减小后增加的趋势。这是麦秆对吸声性能的影响，第二个图是流阻率的变化，整体呈增大的趋势，这是吸声系数，最后是隔声量，我们看在高频的时候，影响非常大，对于吸声系数麦秆含量在1.5-2%的时候，吸声性能有明显的提高。这是竹叶麦秆聚氨酯复合泡沫吸声性能的对比，通过这两幅图对比我们可以看出，添加了纤维之后，吸隔声性能明显提高，麦秆对聚氨酯泡沫吸声性能提升最为明显，并且在2%含量的时候，聚氨酯复合泡沫拥有最佳的吸声性能。
我们在做多孔材料的时候，由于我们要用到它的参数，比如孔隙率、流阻率，这都是一些小的测量仪器，但是国内没有卖的，国外有，但是非常的昂贵，非常小这个东西，大家可以看一下这是我们自己设计的测量孔隙率的一个小仪器。以后我们把它完善之后，看能不能把仪器在行业里面推广一下，下面这个图是我们设计的软件的界面，当然我们还有一些需要完善的地方。
还有一个是流阻率，流阻和什么有关系？和空气的流速还有材料上下表面的压力有关系，通常多孔材料流阻率的范围在103到107之间。如果流阻率过低会因为摩擦力、粘滞力引起声能损耗降低，也会导致吸声性能的下降。我们针对流阻也设计了一个小的设备，同样这个东西非常贵，我相信贵到大家觉得比较离谱，大家有可能不太相信，小东西基本上都在10万以上，这是我们开发的，这是软件的界面。
聚氨酯复合材料的应用范围就非常广了。这是聚氨酯复合材料在汽车上的应用，应用的范围非常广，非常多。当然，随着我们对材料的开发，轻质、绿色、环保的聚氨酯复合材料在不久的将来我们一定能用到。
这是天然纤维在车上的应用，用的非常多的就是麻纤维，还有玉米秸秆，马老师在用玉米做环保的结构材料做的也非常好。我们在做出材料之后，要把它应用在汽车上，我们建立了整车的统计能量分析模型，并将声学包装在模型中应用，把我们做的材料放在统计能量分析模型中，可以分析它对车内噪声的影响，这几个图是防火墙的吸隔声性能，以及应用多孔材料前后吸声性能的对比。最右边这个图是我们做的一个对比，从这个图我们可以看出总声压级降低0.86分贝。材料在汽车上的应用要求越来越严格，随着开发的不断深入，我相信它的性能也会越来越好，我就介绍这么多，谢谢各位！
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