نویسنده : فهیمه زارع، سمیه عبدی

استفاده از کامپوزیت‌های ترموپلاستیکی در قطعات داخلی خودرو به‌سرعت رو به رشد است. استفاده از این کامپوزیت‌ها، بیشتر در قطعاتی مانند سقف کاذب خودروها و همچنین سیستم‌های صوتی/ تصویری و دیگر لوازم الکترونیکی، روبه افزایش است. تکنولوژی پایه‌ای مرسومی که امروزه از آن استفاده می‌شود در صورتی که بخواهد مطابق قوانین FMVSS201 عمل کند، بسیار پرهزینه خواهد شد. در این مقاله، توسعه نوعی ماده کامپوزیتی ترموپلاستیکی جدید با خواص نیمه‌ساختاری و آکوستیکی بهبودیافته، معرفی می‌شود. این ماده جدید Glass/pp با استفاده از فرایندی خاص ساخته‌شده و در وزن‌ها و مقادیر الیاف شیشه مختلف، در دسترس است. این ماده به هر شکل موردنظر قالب‌گیری شده و خاصیت لافتینگ خاص این کامپوزیت، به قطعات اجازه تولید با ضخامت‌های مختلف را در یک شات می‌دهد، این موضوع باعث انعطاف‌پذیری بیشتر در طراحی می‌شود زیرا خواص اکوستیکی و سختی، می‌توانند در جهت مطابقت با نیازمندی‌های تغییرات امروزی در قطعات داخلی خودرو، کنترل شوند. این کامپوزیت جدید، معمولاً در سه وزن 800 و 100 و 1200 gsm ساخته می‌شود. البته ساخت آن در وزن‌های سبک‌تر و سنگین‌تر، بسته به نیاز، امکان‌پذیر است. این کامپوزیت، معمولاً با لایه نازک پارچه‌ای در یک طرف آن و لایه فیلم چسبی در طرف‌دیگر، تهیه می‌شود. سقف کاذب خودرویی که از این کامپوزیت ساخته می‌شود، دارای ساختاری به‌مراتب ساده‌تر از سقف‌های کاذب پلی‌اورتانی رایج است.
نوع فیلم چسبی می‌تواند با توجه به هسته مرکزی مورد استفاده و یا نوع کاربرد خاص آن، تغییر کند. این ماده، قابل شکل‌دهی با حرارت بوده و دارای قابلیت قالبگیری در قالب‌هایی با گوشه‌های تیز و یا عمق‌دار است.
این کامپوزیت را می‌توان توسط اکثر روش‌های حرارتی مرسوم، حرارت‌دهی کرد. حتی با استفاده از فشار هوا و روش‌های حرارتی IR می‌توان به سیکل‌های زمانی مناسب‌تری نیز دست یافت.

شکل 1: مقایسه کامپوزیت و سقف‌های کاذب‌ساخته توسط DPU

فرایند تولید کامپوزیت‌های آکوستیک جدید
تولید کامپوزیت موردبحث، در مقایسه با دیگر فرایندهای لمینه کردن، روشی آسانتر تلقی می‌شود. ورقه‌ای که می‌توان آن را توسط روش‌های حرارتی IR، فشار و یا حرارت‌های تماسی، حرارت‌دهی کرد، همراه با هسته مرکزی (Glass/PP) در داخل قالب قرار داده می‌شود. قالب، معمولاً در دمای 110 درجه فارنهایت شروع به‌کارمی‌کند. این موضوع باعث می‌شود تا فرایندی یکنواخت در اختیار ما باشد. سپس قطعه را می‌توان توسط روش‌های اتوماتیک نظیر Water jet rimming، شکل‌دهی کرد. شکل 2 نشان‌دهنده مقایسه فرایند تولید سقف کاذب کامپوزیتی و پلی‌اورتانی است.

شکل 2: مقایسه فرایندهای تولید سقف کاذب

خواص لافتینگ (پف کردگی)
یکی از خصوصیات منحصر به‌فرد این کامپوزیت، قابلیت لافتینگ آن است. گرچه در تهیه این ماده، ضخامت کامپوزیت از 4 تا 7 میلی‌متر تغییر می‌کند، اما در جریان حرارت‌دهی، این ماده تا بیش از 2 برابر ضخامت اصلی خود، پف می‌کند. این خصوصیت، امکان تهیه قطعه‌ای با ضخامت‌های عرضی متفاوت، در یک شات را به ما می‌دهد.
جدول 1، ضخامت قطعه پس از پف کردن را در مقایسه با ضخامت اولیه کامپوزیت در وزن‌های مختلف نشان می‌دهد.

جدول 1: میزان لافتینگ کامپوزیت پس از اعمال حرارت

ساختار دیفرانسیلی
این کامپوزیت برای تهیه سقف‌های کاذب خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد به‌طوری‌که از قسمت‌های مختلف قطعه، بتوان خواص مختلفی به‌دست آورد. مثلاً، در مکان‌هایی خاص که به مقاومت در برابر ضربه بیشتری نیاز است، قطعه را با ضخامت بیشتر تولید می‌کنند و در قسمت‌های نازکتر، اعمال استحکام مدول بیشتر برای متصل نگه‌داشتن قطعات اتصالی، امکان‌پذیر است. شکل 3 نمونه پف‌نکرده این کامپوزیت را در وزن پایه 1000 gsm نشان می‌دهد. در این شکل، ضخامت ورق اولیه، پس از لمینه‌شدن با لایه چسب و پارچه کرباسی با هسته مرکزی Glass/Polypropylene و در شکل 4، ورق کامپوزیت مشابه، پس از پف کردن در دمای 390 درجه فارنهایت نشان داده شده است.

 شکل 3: ضخامت کامپوزیت 1000 gsm در حالت لافتینگ نشده

شکل 4: ضخامت کامپوزیت 1000 gsm در حالت لافتینگ شده

خواص مکانیکی کامپوزیت
این کامپوزیت، به‌گونه‌ای تهیه می‌شود که تفاوت بین خواص، درجهت دستگاه و درجهت مخالف آن، به حداقل می‌رسد. این امر می‌تواند بزرگترین مزیت در تمام مراحل تولید و مونتاژ محسوب شود. جدول 2 خواص قالب‌گیری نمونه‌ای 800 gsm از کامپوزیت را در جهت‌های دستگاه و مخالف آن- زمانی‌که به‌منظور اندازه‌گیری مدول خمشی مطابق J949 تست شده است- را نشان می‌دهد.

جدول 2: مدول خمشی کامپوزیت در دو جهت دستگاه و مخالف آن

در اغلب موارد از روش J949 اصلاح شده برای اندازه‌گیری سختی محصول استفاده می‌شود. این روش اصلاح شده، سختی را در واحد N/mm به‌دست می‌دهد.
مقادیر نوعی برای قطعات قالب‌گیری شده از کامپوزیت جدید و پلی‌اورتان خشک، در جدول 3 نشان داده شده‌اند. درشکل 5، گراف مربوطه قابل مشاهده است.

جدول 3: سختی کامپوزیت جدید در مقایسه با DPU نوعی

شکل 5: مقایسه سختی کامپوزیت PP/Glass و DPU

خواص آکوستیکی کامپوزیت
این کامپوزیت را می‌توان با دربر گرفتن بازه‌ای از خواص آکوستیکی، تهیه کرد. با اصلاح خواصی نظیر وزن و فرمول مواد، خواص آکوستیکی مختلفی می‌توان بسته به نیازهای کاربردی خاص به‌دست آورد. شکل 6، تفاوت در ضریب جذب سطحی ضمنی نرمال را بین کامپوزیت 1000 gsm و 800 gsm نشان می‌دهد.

شکل 6: ضریب جذب ضمنی نرمال وزن‌های مختلف کامپوزیت

شکل 7: کامپوزیت با فیلم‌های چسبی مختلف

شکل 8: ارزیابی کابین آلفا از کامپوزیت در وزن‌های مختلف

به‌طور کلی، این کامپوزیت دارای خواص عبور جریان هوای بسیار خوبی است. در موارد کاربردی خاص، ممکن است غیرقابل نفوذ کردن آن نسبت به هوا موردنیاز باشد که این خصوصیت، با استفاده از فیلم‌های سدی و مانع انتخاب شده و روش‌های ساخت خاص به‌دست آید. به این‌ترتیب، کامپوزیت می‌تواند در کاربردهایی که در آنها نیاز به نفوذ هوا نیست، بخوبی مواردی که در آنها عبور جریان هوا مدنظر است، به‌کار رود. این کامپوزیت نه‌تنها می‌تواند درجهت دستگاه و درجهت مخالف آن استفاده شود بلکه در جهت Z که خواص آکوستیکی بهبودیافته را به‌دست می‌دهد نیز به‌کار می‌رود.
شکل 7، نشان می‌دهد که چگونه این کامپوزیت، چه با فیلم چسبی مشبک و چه با فیلم چسبی غیرمشبک تهیه شده باشد، خواص آکوستیکی خوبی از خود نشان می‌دهد. فیلم A مشبک و فیلم B غیرمشبک است.
این کامپوزیت با خاصیت پف‌کردگی بالا و در وزن‌های بالا، زمانی‌که در کابین مطابق ASTM C423 تست می‌شود، خاصیت جذبی خوبی نشان می‌دهد که این مطلب در شکل 8 قابل مشاهده است.

نتیجه‌گیری
کامپوزیت جدید که ماده‌ای نیمه‌ساختاری Glass/PP با چگالی پایین و قابلیت قالب‌گیری است- طی فرایندهای مختلف و متنوع- قابل استفاده در سقف‌های کاذب خودرو می‌باشد. سهولت استفاده و سادگی فرایند، سبب می‌شود که این کامپوزیت، انتخابی مناسب برای کاربردهای متعدد باشد. انعطاف‌پذیری ساختار و فرمولاسیون، این کامپوزیت جدید را ماده‌ای سازگار و مناسب برای کاربردهای آکوستیکی و نیمه‌ساختاری معرفی می‌کند.

منابع:
1. SAE J949 Test method for Determinig stiffnessof fiberboards Aug1981
2. ASTM E 1050 - 90 Test method for impedance and absorption of acoustical materials using a tube two microphones digital frequency analysis system
3. ASTM C423 Test method for sound absorption coefficients by the reverberation room method
4. ASTM C384 - 95 Test method for impedance cand absorption of acoustical materials by the impedance tube method
5. Bies D.A. Hansen C.H Engineering Noise control theory and practice NY E&FN Spon