2018年12月7日-8日，以“創(chuàng)新驅(qū)動、技術(shù)引領(lǐng)”為主題的2018第六屆“汽車與環(huán)境”創(chuàng)新論壇在上海·安亭正式舉辦。本次論壇完整覆蓋汽車行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的研討，旨在進(jìn)一步促進(jìn)整車企業(yè)與零部件企業(yè)之間對技術(shù)發(fā)展趨勢的探討、加強(qiáng)汽車行業(yè)專家之間的交流互動、增強(qiáng)整車與零部件企業(yè)的交流、搭建合作平臺，通過活動促進(jìn)汽車零部件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新轉(zhuǎn)型升級、打造更具競爭力的整零協(xié)同創(chuàng)新關(guān)系，助力實現(xiàn)向汽車強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。以下是吉林大學(xué)教授陳書明的發(fā)言：

 吉林大學(xué)教授 陳書明

我今天跟大家分享的是多孔材料在汽車輕量化及NVH中的應(yīng)用。多孔材料無論在我們?nèi)粘Ｉ钪羞€是在汽車上用的非常多，比如汽車的內(nèi)飾，不管是軟內(nèi)飾還是硬內(nèi)飾基本上都是在多孔材料材料范疇內(nèi)。多孔材料顧名思義就是孔多，這是它的特點，這個孔通常我們可以按照孔徑的大小進(jìn)行區(qū)分，基本上多孔材料屬于納米級的，一般小于2個納米的材料我們把它稱為微孔材料，2個納米到50納米之間我們稱為介孔材料，大于50納米我們稱為大孔材料。我們研究的多孔材料基本上是大孔材料，甚至可以說是超大孔材料。上午馬老師也介紹了，馬老師現(xiàn)在主編一本微結(jié)構(gòu)材料方面的書，我也有幸參加到這個書的編寫過程當(dāng)中。多孔材料上午我們也提到微結(jié)構(gòu)材料有可能是輕量化最終解決方案，這個還有待進(jìn)一步的研究和考證。我們今天圍繞的主題是輕量化，這是我們四化當(dāng)中最重要的一化，輕量化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化，還有現(xiàn)在的共享化等等，甚至可能以后還會出來更多的化。

下面我主要從以下這幾個方面介紹一下，首先是對多孔材料做一個簡單的介紹。其次是聚氨酯組份的優(yōu)化以及聲學(xué)性能分析，還有植物纖維復(fù)合材料制備及性能分析，多孔材料參數(shù)測試設(shè)備開發(fā)，最后我們簡單的介紹一下它在汽車聲學(xué)包裝上的應(yīng)用。

多孔材料有非常多的優(yōu)點，輕質(zhì)，密度低是其中一個非常重要的優(yōu)點，質(zhì)量小、密度低而且還能夠吸收很多的能量，尤其用在吸聲材料的時候，顯現(xiàn)出的優(yōu)勢非常明顯。多孔材料大概有這么幾大類，一個是纖維類、泡沫類、顆粒類。纖維和泡沫在我們車上用的非常多，纖維包括有機(jī)的纖維和無機(jī)的纖維，泡沫有開孔的和閉孔的，有機(jī)纖維有動物纖維、化學(xué)纖維、植物纖維，無機(jī)纖維，比如說玻璃、礦渣棉、金屬等等。開孔的有金屬、塑料還有其它的一些復(fù)合材料。閉孔的有塑料、玻璃、鋁。

多孔材料我們也提到它質(zhì)輕，當(dāng)然還有其它的顯著的作用，比如說它可以起到緩沖的作用，做緩沖件，吸收能量，還可以做結(jié)構(gòu)件，很多多孔材料、微結(jié)構(gòu)材料都可以做一些結(jié)構(gòu)件，承載件等。它還可以隔熱、減震、過濾，還有非常重要的一點它可以做吸聲材料。

通常這個材料它怎么吸聲呢？大家應(yīng)該都清楚，聲波入射到材料表面的時候，有一部分聲波經(jīng)過反射，一部分被材料吸收，還有一部分透射出去，我們希望材料吸收的聲能越多越好。

多孔材料本身就是一種輕量化，設(shè)計材料也就是輕量化的一種設(shè)計，今天上午我們前面很多專家的報告都提到，輕量化可以節(jié)油，節(jié)能減排，這是必然的發(fā)展趨勢。除了我剛剛提到的材料之外，還有現(xiàn)在用的比較多的泡沫金屬，也有很多非常好的優(yōu)點，比如說質(zhì)輕、密度小、熱導(dǎo)率低、恢復(fù)性強(qiáng)、可修復(fù)。在汽車上也有很多應(yīng)用的案例。

關(guān)于輕量化我們提到的無非就是這么幾個途徑，一個是結(jié)構(gòu)、材料、工藝，再有三個結(jié)合起來，結(jié)構(gòu)、材料、工藝一體化的設(shè)計或者是多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計。結(jié)構(gòu)優(yōu)化其實最早我們課題組在2006年那個時候就開始做結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的工作，那個時候只是停留在做結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)輕量化，隨后做材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，再到后來做結(jié)構(gòu)、材料和工藝一體化的設(shè)計，目前復(fù)合材料，尤其是碳纖維復(fù)合材料在車上應(yīng)用研究非常多，實際應(yīng)用由于工藝還有成本各方面的限制還沒有大范圍的使用。這個表是一個關(guān)于發(fā)泡塑料我做的統(tǒng)計，它有硬脂的，還有軟脂的，包括開孔、閉孔等等有很多類。

我們在做輕量化的時候它對汽車的性能尤其車身的性能有很大的影響，尤其是對我們的安全具有非常大的影響，還有制造工藝、成本、疲勞強(qiáng)度，更重要的是對我們的NVH性能有很大的影響。

我們做輕量化的時候勢必要充分考慮對車身性能所帶來的這些影響，比如說還有可能會使我們的吸隔聲能力下降，還有可能會造成聲輻射的降低。總之我們盡量使輕量化達(dá)到最優(yōu)的時候，不損失其它的性能，或者損失很小一部分性能，實現(xiàn)最終的輕量化。

多孔纖維材料，一般可以做填料，把纖維放在多孔材料當(dāng)中，實現(xiàn)性能的提升。現(xiàn)在用的比較多的就是聚氨酯材料，它除了輕量化這方面比較顯著之外，在吸聲隔聲方面性能也比較好。車內(nèi)聲學(xué)包裝是NVH控制的主要途徑，當(dāng)然現(xiàn)在我們除了這些被動控制之外，還有目前比較流行的噪聲主動控制，聲學(xué)包裝包括吸聲材料、隔聲材料、阻尼材料、密封材料。現(xiàn)在對車內(nèi)環(huán)境也要求環(huán)保。大家都有開新車的經(jīng)驗，我們最怕一進(jìn)車，車?yán)锩娴臍馕斗浅５碾y聞，尤其是車放了一晚上第二天不敢直接進(jìn)去，先開窗通風(fēng)一分鐘再進(jìn)去。

我們能不能做一種內(nèi)飾材料，能夠發(fā)出我們想要的氣味，有沒有這種可能？比如說馬老師喜歡橘子味的，我們定制一個橘子味的內(nèi)飾，比如說朱教授喜歡榴蓮味的，我們做一個榴蓮味的內(nèi)飾，不是不可能。我們完全可以做到環(huán)保，最起碼對人身體是無害的。

天然纖維在我們國家分布非常廣，尤其是植物纖維用的非常多，開發(fā)輕質(zhì)可降解的高性能、多孔聲學(xué)包裝材料，是我們追求的一個目標(biāo)。下面我介紹一下聚氨酯泡沫優(yōu)化和聲學(xué)性能分析。這兩個表是我們制備的原材料，從原材料大家可以看到，最重要的一個就是多元醇，現(xiàn)在基本上還是用的石油基的，并不環(huán)保，所以現(xiàn)在我們在用植物多元醇代替石油基的多元醇，可以提高材料的綠色成分，并且實現(xiàn)最優(yōu)異的性能。

我們的基礎(chǔ)材料做出來之后想使其性能發(fā)揮到最優(yōu)，我們就選了幾個組份，去離子水、三乙醇胺、硅油、催化劑A33，用最優(yōu)的組合實現(xiàn)最優(yōu)的性能。我們設(shè)計了一個正交表，用了9次實驗，對材料的吸聲系數(shù)和隔聲量做了一個測試，上面這個圖是吸聲系數(shù)，尤其在315赫茲以上變化還是比較明顯的，這是由于組份的變化所帶來的吸聲性能的變化。下面是隔聲量，這個變化就更大了，最小的在5分貝以下，最大的達(dá)到了15分貝，尤其在整個頻段內(nèi)變化都非常明顯，所以說組份對隔聲性能影響非常大。

這個是我們通過優(yōu)化得到的最終方案設(shè)計，我們看這個結(jié)果，上面的是優(yōu)化前后吸聲的對比，從低頻100赫茲一直到2500赫茲，優(yōu)化后曲線都比優(yōu)化前要大，而且要大很多，所以優(yōu)化效果非常好。平均吸聲系數(shù)從0.48提升到了0.61，提升的幅度還是比較大的。下面是優(yōu)化前后隔聲量的對比，優(yōu)化后的結(jié)果在低頻改善稍微大一些。

自然界給了我們很多的啟發(fā)，比如說根據(jù)鳥的飛行我們制造了飛機(jī)，根據(jù)穿山甲體表的特征，我們制造了耐磨的結(jié)構(gòu)材料。由于貓頭鷹翅膀的空氣動力學(xué)靜音特征非常明顯，能不能提取表面的微結(jié)構(gòu)特征，把這個特征表面做成非光滑的，看看它對材料的吸聲性能是不是有影響，影響大不大。我們試著做了幾種三角尖劈、梯形棱文、梯形凹坑、圓柱凸起、矩形凸起表面，這些非光滑表面材料都申請了專利。

這個表是我們測得的不同吸聲材料流阻率，矩形凸起這種材料流阻率是24.7kPas/m2，它是最大的。這是我們仿真建立的模型，非光滑表面的模型，這是仿真得到的不同表面多孔材料吸聲系數(shù)的對比曲線。當(dāng)然我們不可能所有的非光滑表面都用實驗實現(xiàn)，因為太多了，所以我們建立了很多的模型，去分析它對性能的影響。

前面我們提到植物纖維具有改性的作用，它對吸聲性能會有影響，我們找了一些相關(guān)的纖維，因為有研究顯示竹葉、麥稈等，不同大小的纖維對吸聲性能有一個不同程度的影響，我們就做了一些，比如1-2毫米、2-3毫米、3-4毫米這些纖維，把它復(fù)合到聚氨酯泡沫當(dāng)中，這是我們做的不同含量的聚氨酯的發(fā)泡材料。

a是純聚氨酯泡沫，b是6%含量1-2毫米竹葉，c是6%含量2-3毫米的竹葉。d是6%含量3-4毫米竹葉。下面是麥稈，a是1%，b是1.5%，c是2%，d是2.5%，這是它的孔隙的特征，這是純聚氨酯的泡沫，b是加入了竹葉，c是加入了竹葉的秸稈，最右邊這個圖是它的孔徑的分布。我們得到一個結(jié)論，純聚氨酯泡沫泡孔都是開孔，相鄰泡孔緊密相連，平均孔徑是0.144毫米。竹葉聚氨酯泡孔分布均勻度下降，竹葉或者秸稈的存在使其周圍泡孔生長，限制泡孔繼續(xù)長大，使泡孔不均勻。

這是竹葉秸稈對聚氨酯復(fù)合泡沫微觀結(jié)構(gòu)的影響，1-2毫米以及不同的竹葉含量孔的分布。我們通過這些得到了一個結(jié)論，它降低了平均孔徑，竹葉含量的增加使得泡孔數(shù)量增多。它基本上先增大，后減小再增大，這是隨著竹葉添加量的變化呈現(xiàn)的變化趨勢，這是流阻率的變化，當(dāng)竹葉3-4毫米竹葉秸稈的時候，流阻率是先增大后減小，和其他兩個稍微有所不同。

下面是竹葉的添加對吸聲性能的影響，這幾幅圖大家可以看一下，這是對吸聲性能的影響曲線，通過分析我們可以看出，當(dāng)長度為3-4毫米竹葉秸稈添加量為6%的時候，在全頻段范圍內(nèi)有最佳的吸聲性能，吸聲系數(shù)是0.652。這是對隔聲性能的影響，曲線上下波動比較大這個添加量對隔聲性能影響非常大。我們可以得出結(jié)論，長度為2-3毫米竹葉添加量為8%的時候，聚氨酯復(fù)合泡沫在全頻段內(nèi)隔聲量最大，達(dá)到18.9分貝的平均隔聲量。

這是麥稈，我們國家也非常多，以前我記得我小時候在家基本上都是可以去割麥子，現(xiàn)在基本上都是聯(lián)合收割，你想弄到麥稈也不是那么容易的，通常收割完就成肥料了。這是它的一個孔徑的分布，A是麥稈含量為1%，B麥稈含量是1.5%，C是2%，D是2.5%。隨著麥稈含量的增加，孔徑分布越來越分散，孔徑大小不均勻度隨之增加，平均孔徑呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。這是麥稈對吸聲性能的影響，第二個圖是流阻率的變化，整體呈增大的趨勢，這是吸聲系數(shù)，最后是隔聲量，我們看在高頻的時候，影響非常大，對于吸聲系數(shù)麥稈含量在1.5-2%的時候，吸聲性能有明顯的提高。這是竹葉麥稈聚氨酯復(fù)合泡沫吸聲性能的對比，通過這兩幅圖對比我們可以看出，添加了纖維之后，吸隔聲性能明顯提高，麥稈對聚氨酯泡沫吸聲性能提升最為明顯，并且在2%含量的時候，聚氨酯復(fù)合泡沫擁有最佳的吸聲性能。

我們在做多孔材料的時候，由于我們要用到它的參數(shù)，比如孔隙率、流阻率，這都是一些小的測量儀器，但是國內(nèi)沒有賣的，國外有，但是非常的昂貴，非常小這個東西，大家可以看一下這是我們自己設(shè)計的測量孔隙率的一個小儀器。以后我們把它完善之后，看能不能把儀器在行業(yè)里面推廣一下，下面這個圖是我們設(shè)計的軟件的界面，當(dāng)然我們還有一些需要完善的地方。

還有一個是流阻率，流阻和什么有關(guān)系？和空氣的流速還有材料上下表面的壓力有關(guān)系，通常多孔材料流阻率的范圍在103到107之間。如果流阻率過低會因為摩擦力、粘滯力引起聲能損耗降低，也會導(dǎo)致吸聲性能的下降。我們針對流阻也設(shè)計了一個小的設(shè)備，同樣這個東西非常貴，我相信貴到大家覺得比較離譜，大家有可能不太相信，小東西基本上都在10萬以上，這是我們開發(fā)的，這是軟件的界面。

聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)用范圍就非常廣了。這是聚氨酯復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用，應(yīng)用的范圍非常廣，非常多。當(dāng)然，隨著我們對材料的開發(fā)，輕質(zhì)、綠色、環(huán)保的聚氨酯復(fù)合材料在不久的將來我們一定能用到。

這是天然纖維在車上的應(yīng)用，用的非常多的就是麻纖維，還有玉米秸稈，馬老師在用玉米做環(huán)保的結(jié)構(gòu)材料做的也非常好。我們在做出材料之后，要把它應(yīng)用在汽車上，我們建立了整車的統(tǒng)計能量分析模型，并將聲學(xué)包裝在模型中應(yīng)用，把我們做的材料放在統(tǒng)計能量分析模型中，可以分析它對車內(nèi)噪聲的影響，這幾個圖是防火墻的吸隔聲性能，以及應(yīng)用多孔材料前后吸聲性能的對比。最右邊這個圖是我們做的一個對比，從這個圖我們可以看出總聲壓級降低0.86分貝。材料在汽車上的應(yīng)用要求越來越嚴(yán)格，隨著開發(fā)的不斷深入，我相信它的性能也會越來越好，我就介紹這么多，謝謝各位！

轉(zhuǎn)自：蓋世汽車網(wǎng)