Investigation of Thermal and Acoustic Performance of Hybrid Composites Developed to be Used in Cabin Insulation of Heavy-Duty Vehicles

Yıl 2024, Cilt: 5 Sayı: 2, 354 - 368, 20.12.2024

Sena Arslan , Öznur İskender , Tuğay Sevinç

https://doi.org/10.55546/jmm.1562715

Öz

Composite structures are used in heavy-duty vehicles, such as trucks and lorries, to improve driving comfort by reducing noise and heat transmission from the engine compartment into the passenger area. This study develops such structures using phenolic felt in the upper and lower layers for sound and impact insulation, with aerogel, ceramic fabric, and glass fabric in the intermediate layer to enhance acoustic and thermal resistance. The composite structures were fabricated using a flat mold at 185 °C and 170 bar pressure, employing glass fabric and various combinations of materials. Their sound absorption coefficients were measured with an impedance tube, and thermal conductivity coefficients were determined using a thermal conductivity meter. The results were then compared for performance evaluation. The results showed that hybrid composite structure 5, which included phenolic felt, glass fabric, aerogel powder, and phenolic felt between two coating interlinings, achieved stable sound absorption across a wide frequency range. Additionally, structure 3, made with phenolic felt and aerogel powder, offered the best thermal insulation. Structure 5 was also identified as a promising option for providing both acoustic and thermal insulation benefits. Overall, the study demonstrates that composite structures can effectively enhance both acoustic and thermal insulation in heavy-duty vehicles, contributing to improve in-cabin comfort.

Anahtar Kelimeler

Thermal conductivity, Acoustic, Composite, Insulation material, Aerogel

Teşekkür

This study was carried out within the R&D Center of Formfleks Automotive Inc. The authors would like to thank R&D Leader Mr. İbrahim AYDIN for her valuable contributions.

Ağır Hizmet Araçlarının Kabin İçi İzolasyonunda Kullanılmak Üzere Geliştirilen Hibrit Kompozitlerin Termal ve Akustik Performanslarının İncelenmesi

Öz

Kamyon, tır vb. ağır hizmet araçlarında sürüş konforunu artırmak ve motor bölgesinde ortaya çıkan ses ve yüksek sıcaklığın kabin içerisine geçişini engellemek amacıyla, kompozit yapılar kullanılmaktadır. Bu çalışmada, kamyon, tır vb. gibi ağır hizmet araçlarında, motor bölgesinde ortaya çıkan ses ve yüksek sıcaklığın ortamlar arası geçişini engelleyip, kabin içi sürüş konforu sağlamak üzere, ses ve darbe izolasyonu sağlamakla görevli alt ve üst katmanda fenolik keçe, akustik ve termal dayanımı arttırmakla görevli ara katmanda aerojel, seramik kumaş, cam kumaş ve kombinasyonları kullanılarak düz kalıpta, 185 °C sıcaklıkta ve 170 bar basınç altında hibrit kompozit yapılar oluşturulmuş ve bu yapıların empedans tüpünde ses yutum katsayıları, ısıl iletkenlik ölçüm cihazında ısıl iletkenlik katsayıları ölçülerek birbiriyle karşılaştırılmıştır. Akustik performans test sonuçları incelendiğinde, geniş frekans aralığında kararlı bir ses yutum performansı gösteren hibrit kompozit yapının ısı üreten yapıya bakacak yönde iki kaplama telası arası fenolik keçe, cam kumaş, toz formda aerojel ve fenolik keçe içeren malzeme kompozisyonu 5 olduğu tespit edilmiştir. Termal izolasyon performansı en yüksek hibrit kompozit yapının ise sırayla, iki kaplama telası arası fenolik keçe, toz formda aerojel ve fenolik keçe içeren malzeme kompozisyonu 3 ve iki kaplama telası arası fenolik keçe, cam kumaş, toz formda aerojel ve fenolik keçe içeren malzeme kompozisyonu 5 olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen veriler göz önüne alındığında hem akustik hem de termal izolasyon performansını bir arada sunabilecek kompozit yapı malzeme kompozisyonu 5 ile sağlanmıştır.

Anahtar Kelimeler

Isıl iletkenlik, Akustik, Kompozit, Yalıtım malzemesi, Aerojel

Teşekkür

Bu çalışma, Formfleks Otomotiv A.Ş- Ar-Ge Merkezi bünyesinde gerçekleştirilmiştir. Yazarlar değerli katkılarından dolayı Ar-Ge Lideri Sn. İbrahim AYDIN’a teşekkür eder.

Kaynakça

• Aegerter M. A., Leventis N., Koebel M. M., Steiner S. A. I., Springer Handbook of Aerogels, 2022.
• Ağırgan M., Otomotiv endüstrisinde kompozit malzeme kullanımı, Electronic Journal of Vocational Colleges 13(2), 51-64, 2023.
• Ahmed N. T., Otomotiv endüstrisinde karbon elyaf uygulamaları ile ilgili gelişmeler ve sürdürülebilirlik yaklaşımları, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2023.
• Alan S., Gökçen Akkurt G., Akkurt S., Sezer H.Ç., Çam A., Aerojel Yalıtım Keçelerinin Isıl ve Higrotermal Karakterizasyonu, Harran Üniversitesi Mühendislik Dergisi, 6(Özel sayı): 58-69, 2021.
• Aydın İ., Otomobillerde kullanılan izolasyon malzemelerinin emme katsayılarının ölçülmesi ve uygun malzeme kalınlığının belirlenmesi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2008.
• Aydın İ., Arslan S., Akduman M. Ç., Çay D., İskender Ö., Ağır hizmet araçlarının gürültü kalkanı parçasının akustik ve mekanik dayanım performansının incelenmesi, Journal of Advanced Research in Natural and Applied Sciences 10(2), 300-311, 2024.
• Batmaz İ., Aydın İ. Taşıtlarda Kullanılan Yalıtım Malzemelerinin Ses Yutma Katsayılarının Belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 27(4), 2013.
• Begum H., Xue Y., Bolton J. S., Horoshenkov K. V., The acoustical absorption by air-saturated aerogel powders, The Journal of the Acoustical Society of America 151(3), 1502-1515, 2022.
• Caps R., Fricke J., Aerogels for thermal insulation. In Sol-Gel Technologies for Glass Producers and Users, 349-353, 2004.
• Cebe E., İrez A. B., Elektrikli araçlarda batarya kutusu imali için termal özellikleri iyileştirilmiş hibrit polimer kompozitlerin geliştirilmesi ve mekanik özelliklerinin incelenmesi, International Journal of Advances in Engineering and Pure Sciences 36(3), 224-234, 2024.
• Chang K. J., Wang Y. Z., Peng K. C., Tsai H. S., Chen J. R., Huang C. T., Lien W. F., Preparation of silica aerogel/polyurethane composites for the application of thermal insulation. Journal of Polymer Research 21, 1-9, 2014.
• Danyıldız F. E., Hibrit fiber kompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin deneysel olarak incelenmesi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2023.
• Doğru T., Otomotiv iç trim malzemelerinde akuıstik özelliklerin ısı iletimi ile ilişkisinin araştırılması, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2020.
• European Environment Agency., Monitoring CO2 Emissions from New Passenger Cars and Vans in 2017. EEA Technical Report, 15, 1-35, 2018.
• Göz S., Elyaf dizilişinin karma kompozitlerin mekanik özellikleri üzerindeki etkisi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2016.
• Hu S., Wang D., Večerník J., Křemenáková D., Militký J., Electromagnetic interference (EMI) shielding and thermal management of sandwich-structured carbon fiber-reinforced composite (CFRC) for electric vehicle battery casings. Polymers 16(16), 2291, 2024.
• Hung WC., Horng R.S., Shia RE. Investigation of thermal insulation performance of glass/carbon fiber-reinforced silica aerogel composites, Journal of Sol-Gel Science and Technology 97, 414-421, 2021.
• Gündoğdu İ., Aerojel Takviyesinin Farklı Metotlarla Tekstil Materyaline Aktarılması, Termal ve Akustik Yalıtım Özelliklerinin Incelenmesi, Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2023.
• Karabulut C., Konvansiyonel malzemeler için aerojel takviyesi ile düşük termal iletkenlik, düşük akustik iletkenlik ve iyi mekanik özelliklere sahip süper yalıtım keçelerin geliştirilmesi, Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2022.
• Kaw K., Mechanics of Composite Materials, CRC press, 2005.
• Kawaoka S., Oya N., Sugiura K., Preparation and Characterization of Silica-Fiber/Aerogel Composite Heat Insulations, Journal of Mechanical Engineering Research and Developments 43(1), 228-234, 2020.
• Kaya A. İ., Dalgar T., Ses Yalıtımı Açısından Doğal Liflerin Akustik Özellikleri, Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 8(Özel (Special) 1), 25-37, 2017.
• Kazan H., Hybrid Single Shot Manufacturing of MultiMaterials Structure for Automotive Applications. Phd Thesis of Clemson University, 2019.
• Keskin E. N., Farklı monomer karışım oranları ile üretilen poliüretanların yüzey ve akustik özelliklerinin incelenmesi, Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2023.
• Koebel M., Rigacci A., Achard P., Aerogel-based thermal superinsulation: an overview, Journal of sol-gel science and technology 63, 315-339, 2012.
• Köken A., Kanık M., Aerojellerle Isı Yalıtımı ve Tekstil Uygulamaları. Tekstil ve Mühendis 29(128), 249-260, 2022.
• Li Y., Zhu Q., Yeung K. W., Influence of Thickness and Porosity on Coupled Heat and Liquid Moisture Transfer in Porous Textiles, Textile Research Journal 72(5), 435-446, 2002.
• Mazraeh-shahi Z. T., Shoushtari A. M., Bahramian A. R., A New Approach for Synthesizing the Hybrid Silica Aerogels. Procedia Materials Science 11, 571575, 2015.
• Meti P., Wang Q., Mahadik D. B., Lee K. Y., Gong Y. D., Park H. H., Evolutionary Progress of Silica Aerogels and Their Classification Based on Composition: An Overview. Nanomaterials 13(9), 1498, 2023.
• Nayak R., Padhye R., Acoustic textiles: an introduction, Acoustic Textiles, 1-32, 2016.
• Nurzyński J., Is Thermal Resistance Correlated with Sound Insulation? Energy Procedia 78, 152-157, 2015.
• Shao J., Lv Y., Xue Z., Pan Y., Liu J., Dai M., Qiu F., Preparation and Acoustic Performance of Porous Aerogel Composites of Graphene Oxide and Cellulose, Coatings 14 (4), 441, 2024.
• Variyenli H. İ., Arslan C., Sıvıların ve Gazların Isıl İletkenlik Katsayısını Belirleyebilmek için Laboratuvar Tipi Bir Deney Cihazının Tasarımı, İmalatı ve Test Edilmesi, Politeknik Dergisi 20(3), 599-605, 2017.
• Zuo L., Zhang Y., Zhang L., Miao Y. E., Fan W., Liu T., Polymer/carbon-based hybrid aerogels: preparation, properties and applications. Materials 8(10), 6806-6848, 2015.