CN1720569A - 超轻装饰复合材料 - Google Patents

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Abstract

一种超轻、用于降低噪声的复合材料(1)，它由一层衬垫层(5)和一层气流阻滞层(4)以及处于二者之间的一层声透明轻薄膜(6)构成。通过平衡该复合材料(1)的(吸收和声传导性能，可以相当容易的调整该复合材料的声学特性。气流阻滞层(4)的气流阻力处于500Ns/m3和10000Ns/m3之间，其面积质量处于200g/m2和3000g/m2之间。衬垫层(5)的刚度在100Pa到100000Pa之间。轻薄膜(6)可以由一种合成薄片构成，其厚度最好为0.01mm。

Description

超轻装饰复合材料
本发明涉及一种用于减少机动车噪声的超轻装饰复合材料，该装饰复合材料具有在权利要求1的前述部分的几种特性。
文献WO98/18656公开了这种装饰复合材料的相关信息，并概要叙述了一种轻型材料结构及其性能(该材料特性提供了一种确定的吸收性能)。特别的，这种吸收性能主要受开放泡孔的气流阻滞(AFR)层的面积重量和气流阻滞特性参数的影响，同样，它也受到多孔的衬垫层(或称隔离层)厚度的影响。引入此概念是为了用确定的吸收特性补偿复合材料的传导损失的降低(由于与传统的质量阻隔型隔离***相比重量减轻)。
起初，在将这个概念进行产业化的过程中，共振纤维层被同时应用于AFR层和多孔的衬垫层，这已被证明是行之有效的。当研究继续进行，以利用其他材料如聚氨酯泡沫材料来进一步实现该概念时，在确定一些具有成本效益的工艺程序以生产出符合上述专利的指导性原则的产品过程中遇到了困难。特别是当把泡沫材料直接附加到纤维状的AFR层上时，它将充满整个纤维从而在实际上封闭AFR层的孔洞，结果形成了吸收性能很差的结构，该结构具有非常高的、处于先前给出的目标范围之外的气流阻力。
类似的多层轻型产品在本领域中业已存在，例如，文献EP-B-0384420中便公开了该类产品的一些信息。根据该文献介绍，该产品包括了一层声效层，该有效层由两层组合而成：至少一层多孔的人造层(其面积质量在150g/m2到1500g/m2之间)，以及一层绒毛层(其面积质量大约在50g/m2到300g/m2之间)。该绒毛层被附加泡沫衬或是在被附加泡沫衬之前被覆盖了一层致密薄片和/或一层重材料层。该文献没有提及声效层的气流阻力或声效层的厚度这两个与优化装饰产品的声学性能相关的参数。
所有这些已知的轻型产品都较难于制造。因此，当要将这些产品用于不同目的或应用而需要将它们的声学特性稍作改变的场合，生产成本将会变得很高。
因而，本发明的目的是为了找到一种超轻装饰复合材料，该复合材料具有的结构使得人们容易调整其声学性能。即要能以一种不昂贵或低成本的生产方式大量生产许多种具有预定声学性能的产品。
通过开发如权利要求1中所叙述的装饰复合材料，特别是通过平衡一种产品中的吸收和声传导性能可以实现上述目的。该产品包含第一层声效层(即AFR层)，其气流阻力在500Ns/m3到10000Ns/m3之间，最好是在500Ns/m3到5000Ns/m3之间，特殊情况下可处于500Ns/m3到2500Ns/m3之间；其面积质量mA在200g/m2到3000g/m2之间，特殊情况下可处在200g/m2到1600g/m2之间)。该AFR层由一种致密的纤维毡构成，特别是由微纤维组成。此外，该AFR层也可以由穿孔薄片、泡沫材料、金属泡沫材料或其他任何合适材料构成。通过改变AFR层的厚度(一般为0.5至8mm，特殊情况下为0.5至6mm，最好是2mm)或是改变其纤维成分，可以容易的对材料的吸收性能进行最优化。根据目前的发明，该多层产品还包括由泡沫材料构成的第二衬垫层。根据ISO(国际化标准组织)标准，DIN(德国工业标准)或是ASTM(美国材料实验协会)标准，该衬垫层具有非常低的压力挠度(CFD)系数。而且，作为隔离物的该弹性第二衬垫层的刚度典型值在100Pa和100000Pa之间。该隔离物可以由任何合适的材料，特别是多孔的泡沫材料或是凝胶材料构成。除此之外，本发明的多层产品还包含了一层声透明的非常薄和轻的薄膜，该薄膜被安放在衬垫层，即第二层泡沫材料层与第一层用于吸收声波的AFR层之间。这种声透明的薄膜可以由任何热塑性材料，特别是PVOH(聚乙烯醇)，PET(聚酯)，EVA(乙烯-醋酸乙烯树脂)，PE(聚丙烯)，PP(聚乙烯)薄片或是由PE/PA(聚酯/聚酰胺)双层薄片构成。该薄片与衬垫层结合在一起，形成了一种薄片吸声材料。具体而言，该薄片可由一层粘性层或仅由一泡沫板的表层构成。上述衬垫层的抗压刚度SD与薄膜厚度影响了本发明产品的声学性能。不难理解，该薄膜可被打孔，在特殊情况下还可打上微孔以加强材料的吸收性能，或者，它也可以不打孔，以增加该复合材料产品的传导损失。可以通过一种加泡沫衬(backfoaming)工序或是通过附加一块带有封闭或开放泡孔的有孔表层的泡沫板来构成衬垫层。
本发明的优选实施例包括后附的权利要求书所述的特征。本发明的优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。取决于所想要的声学性能，通过改变第一层的AFR参数值和改变薄膜上孔的大小和数量，以及/或者通过改变泡沫材料的表面结构，能够容易地、低成本地组装出相应的产品。
此外，在回收利用时，可以很容易地将该复合材料的泡沫部分与纤维毡部分分离开。
以下讨论本发明的超轻复合材料结构的耐久性，以及提供容易地调整的吸收和传导损失性能。
图1是表示本发明的一种复合材料产品的示意图。
图2表示本发明的一种典型复合材料产品的吸收和声传导损失特性。
本发明的超轻装饰复合材料产品由性能类似声学的弹簧-质量***的若干层组合而成，即它包含至少一层类似于弹簧2的部分和至少一层用于吸收声波的AFR层4，该AFR层在该声学弹簧-质量***中起类似于质量3的作用。这个用于吸收声波的AFR层4最好由纤维材料或是由纤维材料和泡沫切片的组合构成。
该复合材料的主要特点是处于泡沫层5和AFR层4之间的一层声透明的(声学上“不可见”的)薄膜6，该薄膜可以防止AFR层的纤维材料中的泡沫饱和。而柔软的泡沫衬垫层5最好具有与AFR层4相似的抗压刚度特性。该复合材料可能还含有一层装饰层或毯毡层7，该层被视为气流阻滞吸收层8的一部分。
受当前的加工技术限制，直接发泡到纤维的AFR层4时将会导致泡沫化学成分充满AFR层4的纤维材料，这样便关闭了AFR层4，结果造成该复合材料的气流阻力变得很高，其吸收性能相应地变差。
为了防止AFR层纤维材料的饱和，在生产过程中，一层对声波“透明”的最好是无孔洞的薄膜6被***到AFR层4与泡沫层5之间。容易看出，对于厚度约为0.01mm或者更薄的薄膜6来说，声波在其中的传导损失可以忽略不计，因而该种薄膜可以被视作是对声波“透明”的。于是根据文献WO 98/18656，当这种薄膜与上述超轻复合材料组合到一起时，它将允许足够的入射声波通过并消散在多孔的衬垫层处。最终结果是，该复合材料的吸收性能的轻微下降。
对于一个25mm厚的泡沫衬垫层与一个包含有0.0125mm厚薄膜的泡沫衬垫层，模拟了它们的正常入射吸收特性，并将模拟结果与阻抗管(impedance tube)测量结果进行了比较。之后，经验证的泡沫材料和薄膜的模型被用来确定***在AFR层和泡沫衬垫层之间的薄膜层的相关性质，以确保该复合材料具有尽可能最佳的吸收性能。
对于这种复合材料(带薄膜)，分别对其薄膜厚度在1mm、0.1mm、0.01mm、0.001mm时的不同情形进行了模拟。当薄膜厚度为1mm时，吸收性能一般而言比较差。而模拟结果也表明，当使用厚度小于0.01mm的薄膜时，性能仅会得到少许改善。
测量了该复合材料在薄膜厚度改变时的声传导特性。当频率较低时，带有0.091mm薄膜的复合材料与不带薄膜的复合材料相比，其声传导损失(TL)仅有少许下降。但当频率超过300Hz时，观察到比不带有薄膜的复合材料有大约2-3dB的整体改善。在机动车应用中，减少低频部分的声传导损失并不是关注的重点，因为在低频部分，与结构相关的噪声比空气传播的噪声更为严重，而且该复合材料的传导损失对这种类型的扰动并无显著贡献。
总之，薄膜的关键尺寸-厚度应当大约为0.01mm，以使得复合材料的吸收性能和声传导性能两者之间取得足够的平衡。该复合材料(带薄膜)的吸收性能的任何变差可由声传导性能的少许提升加以补偿。
在确定无孔薄膜的厚度的同时，也可以明确泡沫衬垫层5的抗压刚度，以使得该复合材料具有与已知的复合材料相似的声传导性能。
具体而言，该轻型复合材料结构与传统的基于质量的***相比，对多孔的泡沫衬垫层的抗压刚度更为敏感。这一点在模拟一种已知的复合材料和本发明的复合材料(其泡沫衬垫层刚度被分别增加到原来的5倍、10倍和20倍)的声传导损失特性时得到验证。从模拟结果可清楚看出，增加衬垫层刚度将会把复合材料的夹层结构的谐振推移至更高的频率。其风险是夹层结构谐振有可能与车辆局部的面板振动一致，使复合材料变成一个有效的噪声辐射体或传播体。
因此，对于一些具有同等厚度和重量的***，用于本发明的泡沫衬垫层的泡沫抗压刚度应与已知装置中的谐振的毛毡衬垫的抗压刚度相似，以使得本发明的复合材料具有相似的声传导性能。
这可从另一测量得到验证，在该测量中按照本发明对谐振的毛毡层和泡沫垫层的25mm厚的试样的负载-力-偏转(LFD)作了测量。这些曲线表明材料的刚度如何随材料的变形而发生变化。从这些曲线的完全松弛的线性弹性区域部分(拉伸或变形小于5％)的曲线斜率之中可以得到材料的抗压刚度。泡沫层和谐振的毛毡垫层的曲线斜率是相似的，这说明两种材料具有可比的抗压刚度值，即这两种材料具有相似的声传导损失性能。
本发明的泡沫衬垫层的主要声学特性是，其抗压刚度较软(这是其之所以成为超轻复合材料的组成部分的原因)，与典型的聚亚胺酯泡沫(PU)材料相比则更软，而与所谓更重的粘弹性泡沫的抗压刚度相近。
可用传导比(传导率)信息(多层复合材料顶部与其底部的移动之比)来进一步强调上述断言。已经确定了本发明的复合材料和其他一些夹层材料结构(其泡沫衬垫层刚度在减少到原来的0.5倍，以及增加到原来的5倍、10倍、20倍不同情况时)的模拟传导比。在这些测量中，凸现了夹层材料谐振频率以及在发生的较高频率上的其它材料谐振。正如预料的那样，对于包括轻型AFR层的结构，使用抗压性能“软”的泡沫衬垫层对于去除超轻复合材料的处于敏感的400Hz-1000Hz频率范围以下的夹层谐振是有效的。从而，通过进一步减少衬垫层的刚度(这可以通过选择发泡成分和加工工艺来实现)，可以提高复合材料的性能。
最后，给定的AFR层重量，可以从平均传导比等值线导出一组对于本发明泡沫衬的允许刚度值范围的规范。这里，计算了在不同的AFR层重量和衬垫层抗压刚度值情况下含有2mm厚AFR层和25mm厚多孔衬垫层的超轻复合材料的传导比，并且将该结果在三次倍频带(10Hz-2000Hz)上进行了平均。
利用上述信息，可以给出以下关于超轻复合材料的一般技术规范：AFR层面积重量应大于0.2kg/m2，泡沫材料抗压刚度应小于50000Pa(当前使用的泡沫材料和典型的谐振毡垫的抗压刚度值约为20000Pa)。
正如先前所描述的那样，直接将衬垫泡沫附着到AFR纤维层将会封闭后者，并导致复合材料的吸收性能显著变差。通过在AFR层和泡沫材料层之间放置一层薄膜，同时使用抗压“软”的泡沫衬垫层，本发明的复合材料将在其吸性能和声传导性能之间，取得与传统的复合材料(包含更重材料层的弹簧-质量***)类似的平衡，即其吸收性能将有少许下降，其声传导性能将有少许提高。
如图2所示，(我们)可以比较容易的调整本发明的复合材料的声学性能，特别是通过在本发明的复合材料1的薄膜层6上打孔，这是出于这样的考虑：泡沫衬垫层5和薄膜6会以一种声箔吸收体9的方式相互作用。基于上述概念，使用打孔的薄片6和/或使用带有或不带开放泡孔表层的泡沫板(对于取得良好的效果)是有利的。众所周知，本领域技术人员可使用泡孔开放或封闭的泡沫材料。研究结果表明，在低频率上使用表层加重的泡沫板时，吸收性能将会有所提高。而在高频区使用带有开放泡孔表层的泡沫材料将会使吸收性能得到提升。
当然，本发明的复合材料不限于用在机动车领域，还可用在任何使用降音面板的技术领域，例如用于建筑工程、机械工业或者任何交通工具。

Claims (11)

1.一种超轻装饰复合材料(1)，含有第一声效层(4)和第二衬垫层(5)，其特征在于：为了在吸收和声传导性能之间取得平衡，第一声效层(4)具有500Ns/m3和10000Ns/m3之间的气流阻力R，其面积质量mA在200g/m2和3000g/m2之间，第二衬垫层(5)具有很低的压力挠度系数，即其刚度值SD在100Pa和100000Pa之间；在第二衬垫层(5)和第一声效层(4)之间还包括一层对声音透明的、很薄很轻的薄膜(6)，该薄膜与衬垫层(5)以声箔吸收体(9)的方式相互作用。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述第二衬垫层(5)是加泡沫衬的层。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述第二衬垫层(5)由一泡沫板构成。
4.如权利要求3所述的复合材料，其特征在于，所述泡沫板包含一开放泡孔表层。
5.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述薄膜(6)上打了孔，以提高吸收性能。
6.如权利要求5所述的复合材料，其特征在于，所述薄膜(6)上打了微孔。
7.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述薄膜(6)上未打孔，以增加传导损失。
8.如以上任一项权利要求所述的复合材料，其特征在于，所述第一声效层(4)具有0.5mm至8.0mm的厚度。
9.如权利要求8所述的复合材料，其特征在于，所述第一声效层(4)具有约1kg/m2的面积重量。
10.如以上任一项权利要求所述的复合材料，其特征在于，所述第二衬垫层(5)用作隔离层，其厚度约为20mm。
11.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述薄膜层具有约0.01mm到1.0mm的厚度。
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