撰文/吳洪亮  陳文琳 (合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院)

       熊飛 (長城汽車股份有限公司技術(shù)中心)

三明治復(fù)合材料又稱樹脂復(fù)合減振板，是一種新型的阻尼減振輕量化材料。復(fù)合減振板是由普通鋼板和高分子聚合物組成的一種新型阻尼減振材料，在保證強(qiáng)度和剛度的同時，能達(dá)到減振降噪的目的，并減少減振零件數(shù)量來滿足日益增強(qiáng)的輕量化需求。因此三明治材料作為一種不增加重量而達(dá)到減振降噪效果的新型材料，成為汽車應(yīng)用的一個發(fā)展方向。對該材料的研究，如成形性能及減振性能研究越來越受到重視，在汽車行業(yè)的應(yīng)用也得到越來越廣泛的關(guān)注。 

三明治材料的結(jié)構(gòu)

三明治材料的分類

三明治材料通常有約束型與非約束型，而本文研究的是一種典型的約束型阻尼結(jié)構(gòu)。約束型阻尼結(jié)構(gòu)是在保證強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能提高減振效果。三明治材料根據(jù)不同適用需求和結(jié)構(gòu)，大致分為如下幾種：

從阻尼的布置形式分：有三層阻尼和多層阻尼；對稱分布和非對稱布置形式。從阻尼層厚度分：有薄夾心阻尼層結(jié)構(gòu)和厚夾心阻尼層結(jié)構(gòu)。本文研究的是薄夾心三層阻尼減振板。

典型結(jié)構(gòu)

最通用的三明治材料是由上下對稱的普通鋼板與中間的高聚物樹脂組成，中間層被上下基板約束，形成約束阻尼結(jié)構(gòu)，如圖1所示。中間層是具有較高損耗因子的高聚物樹脂，如聚酯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龍(NY)及聚三甲基戊烯(TXP)等。基板的厚度一般為0.15~1.6mm，中間層的厚度一般為0.03~0.1mm。普通鋼板提供強(qiáng)度及剛度，中間高聚物層吸收振動和噪聲。

減振原理

根據(jù)機(jī)械振動理論，機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在激振力作用下，當(dāng)激勵頻率與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率相同時將會有諧振現(xiàn)象發(fā)生，系統(tǒng)的阻尼是唯一可以減振的因素。阻尼減振就是依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼(材料阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼、接觸阻尼)將振動轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩_(dá)到減振的目的。彈性材料可以存儲能量，卻不具備消耗能量的功能，粘性材料無存儲功能但可以耗損能量。粘彈性材料是一種既具有某些粘性液體同時具有彈性固體特性的高分子聚合物材料，具有二者性質(zhì)，既能存儲能量，又能耗損能量，即振動阻尼的作用。衡量材料阻尼效果的性能指標(biāo)是結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子，損耗因子越大其阻尼效果越顯著，對于絕大多數(shù)材料，結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子大致為0.001~0.1，接觸阻尼損耗因子一般大致為0.01~0.05。提高材料阻尼的有效方法之一是通過將粘彈阻尼材料與金屬結(jié)構(gòu)材料的結(jié)合，使其損耗因子達(dá)到0.1~0.5，從而能顯著提高零件的阻尼。 

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

二十世紀(jì)80年代，三明治材料開始出現(xiàn)，美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家開始對樹脂復(fù)合板進(jìn)行研究。Y. Yutori等人通過基本的成形試驗，介紹了減振板的機(jī)械性能及成形性，并與等厚度的鋼板進(jìn)行了對比。M.Yoshida等人研究樹脂復(fù)合減振板的彎曲，指出并證實了減振板在彎曲時會出現(xiàn)反向彎曲，即“鷗翼”現(xiàn)象。Makinouchi等人較早運用三層模型對減振板的成形進(jìn)行了模擬，預(yù)測了成形過程中缺陷的位置。Kopp和 Abratis通過一系列的試驗，論述了減振板的回彈角較等厚度鋼板的回彈角小，減振板的成形極限圖低于等厚度普通鋼板。Cheng, H. S.等人研究了減振板的起皺趨勢，減振板的抗起皺能力較強(qiáng)。Corona等人通過實驗和數(shù)值模擬的方法得出經(jīng)過壓彎的減振板的兩翼反向彎曲角隨沖頭行程的增加而減小，同時反向彎曲角隨時間的增加而逐漸減小直至不變。Liu. W.等人運用abaqus商業(yè)軟件模擬了兩種不同中間層的球形件拉深，并研究了各層的性質(zhì)與減振板成形性的關(guān)系。目前，國外的研究內(nèi)容豐富詳細(xì)，并推動了三明治材料在汽車、建筑及電子等行業(yè)運用。尤其在日本，樹脂復(fù)合減振鋼板已廣泛運用于體育館的地板、頂棚及郵袋傳輸滑道上。

二十世紀(jì)90年代中期，國內(nèi)一些高校、研究所及企業(yè)開始研究復(fù)合減振鋼板。香港大學(xué)的Kim等人總結(jié)了各種復(fù)合鋼板(包括樹脂復(fù)合減振鋼板)的成形性及成形工藝對成形的影響。程嫻等人研究了不同粘結(jié)劑粘結(jié)的薄鋼板組成的層合板的力學(xué)性能及成形性。You-Min H.等人運用彈塑性有限元法模擬了復(fù)合減振鋼板的彎曲，并與實驗結(jié)果進(jìn)行了比較分析。康永林等人運用ANSYS分析了樹脂復(fù)合輕質(zhì)板的彎曲成形，分析了彎曲后各層的錯動及剪切應(yīng)力分布。呂成和張立文等人運用MSC軟件對不同厚度的基板的拉深成形進(jìn)行了仿真模擬研究，分析了內(nèi)外層的錯動量。黃勝等人較為系統(tǒng)地總結(jié)了三明治材料的成形性，較深入地分析了三明治材料的成形機(jī)理。在仿真模擬方面，總結(jié)前人的基礎(chǔ)上，提出了修正的粘聚力材料模型。雖然國內(nèi)在三明治材料的研究方面做了較多工作，但是三明治材料在國內(nèi)的使用范圍仍然有一定的局限。 
在汽車上的應(yīng)用

減振板在保證強(qiáng)度、剛度的基礎(chǔ)上，具有等厚度鋼板不具備的優(yōu)異阻尼減振特性。三明治材料不僅具有結(jié)構(gòu)作用，更具有減振的功能，可以減少隔音吸音附件，起到功能輕量化。從二十世紀(jì)90年代，樹脂復(fù)合減振鋼板開始受到發(fā)達(dá)國家的廣泛關(guān)注并成功運用于部分的汽車沖壓零部件。目前，減振鋼板在國外車型上應(yīng)用較多，且其零部件的工藝及技術(shù)已相當(dāng)成熟，尤其日本、美國已實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。在國內(nèi)減振的應(yīng)用還處于起步階段，只在部分零部件得到應(yīng)用，且應(yīng)用還受到一定的限制。在汽車上，減振鋼板主要應(yīng)用于機(jī)油盤、發(fā)動機(jī)罩蓋、正時齒輪蓋、曲軸、箱罩蓋、水泵支架、搖臂罩、擋泥板、輪罩等零部件上。表1是復(fù)合減振鋼板在一些汽車品牌上的應(yīng)用。

汽車發(fā)動機(jī)罩的應(yīng)用

以聚甲基丙烯酰亞胺硬質(zhì)結(jié)構(gòu)為芯層的三明治結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)成功運用于汽車發(fā)動機(jī)罩。該芯層材料具有優(yōu)異的耐高溫及機(jī)械強(qiáng)度。由于這種材料，使很薄的三明治材料也可以實現(xiàn)輕質(zhì)高強(qiáng)。與普通發(fā)動機(jī)罩相比，重量從原來的9kg降到3kg，減重效果高達(dá)70%，同時能夠滿足靜載工況(模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲)和行人保護(hù)頭部碰撞等性能方面的要求。

汽車前圍板的應(yīng)用

傳統(tǒng)的前圍板采用厚度為0.8mm的DC04普通鋼板，再加上相應(yīng)的隔音/吸音墊和減振瀝青板構(gòu)成普通鋼板前圍板系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的重量大約為18.7kg。采用厚度為0.8mm的樹脂復(fù)合減振板作為前圍板時，能夠降低車內(nèi)噪聲2dB左右。該前圍板減振系統(tǒng)直接取消了吸音墊和瀝青板，實現(xiàn)了前圍板的輕量化。圖2是試制成功的長城某款車型的前圍板。

三明治材料是由性能差別較大的材料組成，它不僅具有等厚鋼板的強(qiáng)度、剛度，更具有減振、降噪的特性，是一種環(huán)保、節(jié)能的新型輕量化材料。由于三明治材料的獨特結(jié)構(gòu)，對其材料及工藝特性如成形性能、仿真模擬等還處在初期階段，從而限制了三明治材料的大量應(yīng)用。隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，對于該材料的研究不斷深入，三明治材料必將得到更廣泛的應(yīng)用。