Automobile Technology & Material
汽车内饰顶棚隔热性能与材料结构优化试验研究
刘磊 刘伟军 丁秀朋01620） （上海工程技术大学，上海
1 前言
随着汽车技术的日益成熟，汽车竞争力逐渐从汽车动力性能，安全性能与经济性能等向舒适性方面转移，汽车乘员舱舒适性尤其是热舒适性是人体可以直观感受到的。汽车热舒适性作为人们选择现代汽车的另一指标越来越受到消费者的青睐，消费者在最短时间内接触和感受到的信息均来自于汽车内饰，汽车顶棚作为整车内饰的重要组成部分[1]，对提高汽车竞争力有着不可或缺的作用，其功能也在发生着变化，不仅是提高车内的装饰性，更要求顶棚具有良好的隔热效果以及降低车内噪声等作用。然而由于汽车乘员舱内外部环境极其复杂，影响温度场和气流的因素过多，包括车内空调运行，车内开窗情况和有无天窗，车内人员自身的散热以及多变的太阳辐射等等。国内
1992—）, , ,作者简介：刘磊（ 男硕士学位研究方向为轿车内饰保温材料的结构及其性能研究。 外有关汽车隔热材料方面的研究如美国的防火隔( )热玻璃纤维及反射层铝箔 膜 组成的多层柔性材料[1]以及窝蜂夹层结构[2]，俄罗斯的聚酞亚胺镀金属柔性多层材料[3]，日本的隔热复合膜[4]以及中国的 AI/PI/SIO2多层隔热膜[5]和奇瑞PU发泡板顶棚结构。而有关汽车隔热计算及试验多关注于乘员舱的流场情况以及汽车空调的结构设计优化以及降低空调的负荷，很少有人从汽车结构如顶棚上的材料入手探讨并进行相关隔热材料与隔热层的设计优化。
影响隔热层的隔热指标是其综合传热系数，其与太阳的辐射，各层材料间的热传导以及材料与空气的对流密切相关。而材料本身的隔热保温性能的关键影响指标是导热系数，导热系数越小材料的隔热保温性能也越好。因此，选择导热系SIO2数较小的硬聚氨酯和 膜以及强的反射热波辐射功能的铝箔纸等作为车顶棚保温基材，依据车模中不同顶棚结构与材料隔热保温性能的综合分析与试验测试，提出新型车顶棚优化材料与结构，
摘要：介绍了常用汽车内饰顶棚的基本结构与性能要求，提出顶棚多层隔热材料的结构设计方法和隔热理论基础，利用瞬态平面热源法测得基材和复合材料导热系数，优选导热系数小及反射热波能力强的材料制成复合隔热材料，借助于汽车乘员舱模型中的多种复合材料隔热性能试验比较，给出汽车内饰顶棚最优复合材料构成。试验结果表明，优选复合隔热材料与某10%原有车用材料的热流透过率相比可以减少超过 。关键词：顶棚 多层隔热 导热系数 反射热波U465.6 B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20170193中图分类号： 文献标识码：
研究结果可以为车企改进汽车内饰结构设计提供一些理论和试验依据。
2 汽车顶棚的结构组成及基本性能
顶棚一般由装饰层和基材构成，通过热压方式复合成型。其中装饰层面向乘客，常用材料为无纺
PU（布、针织面料等；基材构成可分为 聚氨酯）发泡
PP（板、 聚丙烯）纤维板及麻纤维板等[6]。以某款汽
PU 1车 发泡板型顶棚为例，具体结构见图 。此款车顶棚运用了多孔的聚氨酯材料具有一定的隔音与隔热性能，但顶棚总体的隔热性能一般，顶棚虽然开始注意到一些保温材料应用导热系数偏低的材料但未考虑到各层材料堆叠顺序应该遵循沿热传输方向导热系数增大递增为最佳，传热方向性对于顶棚整体隔热也是至关重要。而要研究汽车顶棚每层材料的传热特性就必须对其进行导热系数的研究。
汽车内饰尤其是顶棚应具有好的吸声降噪、防污、透气、阻燃、抗菌、抗老化、防静电、强度、尺寸稳定性、色牢度和耐磨等性能，同时追求出色的隔热耐温性能[7]。根据某款车的整车暴晒试验数据，在太阳曝晒的条件下，汽车顶篷外壁最高温度可达77.3 ℃
。因此，汽车乘员舱的隔热性能要求越来越高，研究与开发更优的隔热结构与材料显得更加重要。在高低温介质间的传热有传导、对流和辐射三
, ,种方式介质间的温差越大这三种传热方式进行的就越剧烈[7]。在确定的冷热介质和温差下，使这三
,种传热尽可能减少即传热热阻减小，多层隔热材料正是从有效地阻止这三种传热方式入手设计。多层隔热被认为是当前隔热性能较好的一种热防护,形式它的原理是把高发射率的材料如铝箔镀铝涤
( ),纶薄膜等作为防辐射屏亦称反射屏 阻隔热射线穿透隔热层，为了减少防辐射屏之间的固体热传导， ,需要在其间加入导热率很小的材料作为间隔物能有效地降低由于固体材料产生的热传导。由传热学的基本定律可知，辐射传热与反射屏表面发射率
,成正比与冷热壁间的反射屏数目成反比，为了阻止
,冷热壁间的辐射传热采用多层反射屏结构，且反射屏表面具有高的反射率，低的吸收率，使屏吸收的
,热量减小从而使辐射传热量趋于最小值；固体接触
, ,传热量与其热导率成正比与接触热阻成反比为了防止反射屏间的接触而形成短路，在反射屏间加入,低热导率结构疏松的材料作为间隔物可使固体接触传热趋于最小。
3 复合隔热材料的优选3.1 隔热材料的导热系数测试方法
衡量导热性能强弱的一个标准参数是导热系数[8]。导热系数是影响热交换过程的一个重要因素，然而导热系数根据不同种类材料的成分、结构和温度的变化都不一样，用试验的方法测量导热系数是研究物质导热性能的一个很好的途径。目前测量物质导热系数的方法依据温度和时间的关系可分为稳态法和非稳态法两大类。稳态法一般分为热流计法和比较法，其特点是原理简单、计算方便、精度较高，但对于样品的规格等要求较高但试验时间较长；瞬态法一般分为平板法、热线法、探针法，其特点是测量时间比稳态法要短得多，并且对样品的尺寸规格要求较低，选择某公司提供
DRE- III的基于瞬态法的 导热系数测试仪器测试样品的导热系数，测试的样品为传统顶棚常用材料以及本文提出的改进材料，样品的测试厚度统
20 mm， 15 ℃，一为 测试试验室室温 相对湿度为75%
。3.2 隔热材料的导热系数结果与优选比较性研究要求，选择了包括原车用材料在7内的 种隔热材料进行导热系数测定，试验结果如1 2表 和表 所示。1 7从表 中的 种基材导热系数可以看出新型PU SIO2硬和 纤维膜类材料导热系数比较低，新型PU , PU+硬 导热系数最低 原车软 无纺布导热系数
③ ④最高。此外原车的第 层以及第 层中的无纺布①应用已经很成熟了，因此重点对原车顶棚的 和② 1#（①+②+③+层进行隔热层优化。以原车材料④ 1 ）为对比材料，对表中的多种基材进行选择性2 4复合，得到表 中种复合材料优化方案，分别为2#( ⑤ + ⑦ + ③ + ④) ，3#（ ⑤+⑦+⑤+③+④ ，4#（ ⑥+ ） ②+③+④ ，5#（ ⑤+⑥+②+③+④ 2# ） ）。 主要将原车1#的玻纤牛皮纸用铝箔纸替换，因为其导热系数比玻纤牛皮纸低并具有较强反射热波辐射的能3# 2#力； 在 的基础上增加一层铝箔纸，构成铝箔纸4# 1#夹层结构以便更好的反射热波辐射； 将 原车SIO2的玻纤牛皮纸用导热系数比其优越一倍多的5# 4#纤维膜替换； 在 的基础上增加了一层铝箔纸， SIO2以保护薄的 纤维膜层使其不易脱落并增强反射热波辐射能力。复合材料优化过程导热系数测2试结果见表 。 2 5从表 由此可以看出 种复合材料组合方案2#<3#<4#<5#<1#导热系数由小到大依次为： 。导2# 0.059 W/(m · K)， 1#热系数最小的为 为 最大的为0.124 W/(m · K)其导热系数为 。依据导热系数优2#(⑤+⑦+③+④)劣，选择 。
4 车辆乘员舱模型隔热性能试验4.1 模型结构与试验方法
TB/T 1537- 1997参照 保温车隔热性能试验评定方法[9]进行车辆乘员舱模型化试验，首先根据某1:5款有无天窗的原车乘员舱按 比例缩小设计模拟562 mm， 287.6 mm，模型，即乘员舱模型长 宽 高231.718 mm， 2 3按照全封闭模型图 、半封闭模型图 4 4示意图制作出汽车乘员舱模型实物，如图 所示，图1 mm，实物的模型材料为某种钢，其厚度统一为 可拆卸式的地板方便隔热材料安装。需要注意的是除了顶棚位置材料每次试验更换，其它位置材料保持不变，每次试验材料厚度保持不变，乘员舱模型各3，个位置所占面积以及其所占模型的比例详见表 两4个模型各个部位相关隔热材料具体安装位置见表 。
15 ℃， 75%试验室温度基本控制在 湿度为 左右，其次将热电阻温度传感器以及热流密度传感器安装到乘员舱模型的各个测点位置上，包括顶棚内外位置，前后挡风内外位置以及侧围和地板
4 60 W内外位置。 个 的白炽灯构成的辐射模拟装置在试验箱内模拟太阳辐射，当恒温恒湿试验箱
60 ℃，升温到 试验箱停止升温，将乘员舱模型快速
1 min放进试验箱内并关闭箱门，统一等待 使其内部温度稍微稳定后立即开启辐射模拟装置，同时温度采集仪和热流计开始记录乘员舱模型各个测点的温度与热流密度情况。恒温恒湿试验箱内部测试布置如图 所示，乘员舱模型化隔热试验现场
6见图 。 Agilent34970a HFM- 215N箱、 温度采集仪、 多通道PT100热流计、 热电阻、辐射模拟装置等。试验主5要仪器及其主要参数如表 所示。
5 试验结果及分析 5.1 热材料对于乘员舱模型温度的影响
为了考察顶棚复合材料的隔热性，全封闭以及半封闭乘员舱模型每次试验只是改变顶棚位置的材料，故试验关注的重点是顶棚内表面以及乘7员舱内部空间位置的温度变化规律。从图 全封5闭乘员舱模型 种顶棚方案温升曲线可以看出，试70 min验时间在 内驾驶员及副驾驶员中间位置处4#对应的顶棚内表面温升最高的是 方案，其最高64 ℃， 3#温度可达到 温升最低的为 方案，其最高59.7 ℃， 5温度可达到 可见，种顶棚方案温升差别4.3 ℃ 8最大的温度相差 。从图 全封闭乘员舱模型5种顶棚方案驾驶员位置的温升速率曲线可以看5 15 min出：种顶棚方案驾驶员位置前 温升迅速， 15 min 30 min 5后温升逐渐变缓， 后 种方案温升速30 min率趋于一致，前 温升速率由小到大的依次3#<2#<5#<4#<1#关系为 。分析可知，导热系数较小并具有反射热波辐射材料的复合顶棚内表面温升低，空间位置温升速率越低，其隔热性能也就更3#加优越，因此 方案隔热性能最佳。2从图 全封闭及半封闭乘员舱模型 种顶棚方案温升曲线可以看出，同样条件下由于半封闭模型中玻璃的存在，进入到模型内的热量较全封闭模型多，使得驾驶员及副驾驶员中间位置处对应的顶棚内表面温度上升也较高， 半封闭最高