汽車機械基礎 第3版 課件 第5章 汽車常用非金屬材料

《汽車機械基礎》

第5章汽車常用非金屬材料【本章內容】5.1工程材料的性能及其在汽車中的應用5.2其他非金屬與材料及其在汽車中的應用5.1工程材料的性能及其在汽車中的應用學習目標：1.掌握非金屬材料的概念及分類；

2.熟悉工程塑料的種類、特性及應用；

3.熟悉符合材料的種類、特性及應用；4.能識別汽車中應用的各種工程材料。非金屬材料指工程材料中除金屬材料以外的其他一切材料。機械工程中常用的非金屬材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和復合材料。高分子材料又分為工程塑料、合成纖維、橡膠、膠粘劑、涂料。工程塑料合成纖維橡膠顆粒三元催化陶瓷載體碳纖維工程塑料主要指強度、韌性和耐磨性較好的，具有價廉、耐蝕、降噪、美觀、質輕等特點，可用于汽車保險杠、汽車內飾件、高檔車用安全玻璃、儀表板等零部件。合成纖維是指單體聚合而成具有很高強度的高分子材料，如尼龍、聚酯等，用于汽車坐墊、安全帶、內飾件等。橡膠具有高的彈性和回彈性，一定的強度，優(yōu)異的抗疲勞，良好的耐磨、絕緣、隔聲、防水、緩沖、吸振等特點，用于制造汽車的輪胎、內胎、防振橡膠、軟管、密封帶、傳動帶等零部件。一、工程塑料的性能及在汽車中的應用常用工程塑料包括熱塑性工程塑料（PE、PP、PVC、ABS、PS、PA、POM、PC等）和熱固性工程塑料（酚醛樹脂PF、氨基樹脂UF、環(huán)氧樹脂EP等）。1、工程塑料的特性質輕、比強度高?；瘜W穩(wěn)定性好。優(yōu)異的電絕緣性。減摩、耐磨性好。消聲和吸振性好。塑料軸承和齒輪工作時平穩(wěn)無聲，大大減小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。成形加工性好。.耐熱性差。多數塑料只能在100℃左右使用，少數品種可在200℃左右使用；易老化，導熱性差，約為金屬的1／500；熱膨脹系數大，約為金屬的3至10倍。2、主要熱塑性塑料的性能及應用材料名稱特征應用情況優(yōu)點缺點聚丙烯塑料（PP）1.剛硬有韌性。抗彎強度高，抗疲勞、抗應力開裂2.質輕3.在高溫下仍保持其力學性能1.在00C以下易變脆2.耐候性差主要用于通風采暖系，發(fā)動機的某些配件以及外裝件，汽車轉向盤，儀表板，前、后保險杠，加速踏板，蓄電池殼，空氣過濾器，冷卻風扇，風扇護罩，散熱器隔柵，轉向機套管，分電器蓋，燈殼，電線覆皮等。聚氨酯（PU）耐化學腐蝕性好、拉伸強度和撕裂強度高、壓縮變形小、回彈性好由于添加增塑劑之類非反應性助劑，產品經過一定的使用時間之后，隨著助劑的揮發(fā)，其性能有所變化

用于制造汽車座墊、儀表板、扶手、頭枕等緩沖材料，保險杠、擋泥板、前端部、發(fā)動機罩等大型部件。聚氯乙烯塑料（PVC）耐化學腐蝕性好，難燃自熄，耐磨，消聲減震，強度較高，價廉熱穩(wěn)定性差，變形后不能完全復原，低溫下變硬用于汽車座墊、車門內板及其他裝飾覆蓋件上。聚乙烯（PE）1.密度小2.耐酸堿及有機溶劑3.介電性能很好4.成本低，成型加工方便1.膠結和印刷困難；2.自熄性差用于制造汽車油箱、擋泥板、轉向盤、各種液體儲罐、車廂內飾件以及襯板等。ABS樹脂（ABS）1.力學性能和熱性能均好，硬度高，表面易鍍金屬2.耐疲勞和抗應力開裂、沖擊強度高3.耐酸堿等化學腐蝕4.價格較低5.加工成型、修飾容易1.耐候性差2.耐熱性不夠理想散熱器護柵、駕駛室儀表盤、控制箱、裝飾類、燈殼、嵌條類。丙烯酸樹脂（PMMA）光學性極好，耐候性好，能耐紫外線和耐日光老化比無機玻璃易劃傷，不耐有機溶劑燈玻璃類。聚酰胺（PA）高強度和良好的沖擊強度；耐蠕變性好和疲勞強度高；耐石油、潤滑油和許多化學溶劑與試劑；耐磨性好吸水性大，在干燥環(huán)境下沖擊強度降低用于制造燃燒油過濾器、空氣過濾器、機油過濾器、水泵殼、水泵葉輪、風扇、制動液罐、動力轉向液罐、白葉窗等。聚甲醛（POM）抗拉強度較一般尼龍高，耐疲勞，耐蠕變；尺寸穩(wěn)定性好；吸水性比尼龍??；介電性好；可在1200C正常使用；摩擦系數??；彈性極好沒有自熄性；成型收縮率大各種閥門（排水閥門、空調器閥門等）、各種葉輪（水泵葉輪、暖風器葉輪、油泵輪等）、各種電器開關及電器儀表上的小齒輪、各種手柄及門銷等。5.2其他非金屬材料及在汽車中的應用一、橡膠材料橡膠是一種有機高分子材料。橡膠種類有：天然橡膠和合成橡膠兩大類，其中汽車上常使用的合成橡膠有：苯乙烯丁二烯橡膠（SBR)、丁腈橡膠（NBR)、氯丁橡膠（CR）、聚氨脂橡膠（CR）、乙丙橡膠等。橡膠的特性：1.耐熱性.即在高溫下長期使用，其性能保持基本不變的特性稱耐熱性。2.耐候性。能在各種氣候條件下（日曬、雨淋、霜、霧等）其性能保持不變的特性稱耐候性，氯丁橡膠、硅橡膠等具有良好的耐候性。3.耐油性。橡膠在各種油漬中工作時不會引起橡膠性能的惡化或破壞稱耐油性。4.緩沖、吸振性。橡膠具有一定的彈性，可以吸收能量，因此能起緩沖、吸振作用。5.耐磨和耐彎折性。橡膠在汽車上的應用廣泛。車身橡膠制品多用于減振和密封，如制作油封、密封條、防塵套、橡膠墊片、彈簧等。橡膠是輪胎的主要材料，載重汽車的輪胎以天然橡膠為主，轎車輪胎則以合成橡膠為主。車用膠管包括水、氣、燃油、潤滑油、液壓油等的輸送管通常采用丁腈橡膠、氯丁橡膠等材料制造。二、陶瓷材料特性及在汽車中的應用陶瓷是所有無機非金屬材料的簡稱，主要指陶瓷和玻璃。金屬、工程塑料和陶瓷是現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱材料。1.陶瓷的特性（1）高硬度，決定了它具有優(yōu)異的耐磨性、不易變形。（2）高熔點，決定了它具有杰出的耐熱性。（3）高化學穩(wěn)定性，決定了它具有良好的耐蝕性、絕緣性好。（4）脆性大。2.陶瓷的分類按原料不同，陶瓷分為普通陶瓷和特種陶瓷；普通陶瓷也稱傳統(tǒng)陶瓷，其原料是天然的硅酸鹽產物，如粘土、長石、石英等。這類陶瓷又稱硅酸鹽陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、等。特種陶瓷原料是人工合成的金屬氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等，具有一些獨特的性能，能滿足工程結構的特殊需要。日用陶瓷氧化鋁特種陶瓷3.陶瓷在汽車中的應用

柴油機中使用了陶瓷活塞，提高了熱效率，改善了噪聲和排放情況。汽油機中采用新型陶瓷渦輪增壓器，正進行研究有：采用新型陶瓷活塞銷活塞環(huán)等。

陶瓷傳感器陶瓷插座陶瓷耐高溫示寬燈三、復合材料及其在汽車中的應用復合材料是指由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合起來而得到的一種固體材料。復合材料綜合了各組成材料的優(yōu)點，且具有單一材料無法達到的優(yōu)良綜合機械性能。1.復合材料的分類（1）按用途：復合材料按用途可分為結構復合材料和功能復合材料。結構復合材料主要用于制作承力結構。功能復合材料指具有除力學性能以外其他物理性能的復合材料，即具有各種電學性能、磁學性能、光學性能、聲學性能、摩擦性能、阻尼性能以及化學分離性能等的復合材料。（2）按基體材料類型分：復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鐵、鎂、銅、鈦及其合金，如鋁基復合材料、鐵基復合材料等。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。（3）按增強材料種類分：按增強材料種類復合材料分為玻璃纖維復合材料、有機纖維復合材料、金屬纖維材料、陶瓷纖維復合材料。（4）按增強材料形態(tài)分：按增強材料的形態(tài)不同分為連續(xù)纖維復合材料、短纖維復合材料、粒狀填料復合材料和編織復合材料。2.復合材料的性能（1）比強度和比剛度較高。（2）力學性能可以設計，便于實現(xiàn)具有最佳性價比的汽車構件的開發(fā)和制造。（3）抗疲勞性能好。復合材料疲勞斷裂是從基體開始的，逐漸擴展到纖維和基體的界面上，沒有突發(fā)性的變化，提高了安全性。（4）減振性能好，耐高溫。（5）安全性好。在纖維增強復合材料的基體中有成千上萬根獨立的纖維，構件超載時，少量纖維斷裂不會導致整個構件短時間內喪失承載能力。（6）成型工藝簡單，成型固化后殘余應力小。3.汽車常用復合材料（1）纖維增強塑料（FRP）。FRP是汽車輕量化的重要材料。FRP由纖維、樹脂及填充料三部分組成。其中纖維包括玻璃纖維、碳纖維、陶瓷短纖維等；樹脂包括聚丙烯塑料（PP）、聚乙烯塑料（PVC）、聚二烯塑料（PE）、ABS等不飽和熱塑性樹脂；填充料常用中空的玻璃微球、陶瓷微球和有機物微球。碳纖維增強塑料玻璃纖維增強塑料陶瓷短纖維增強塑料①碳纖維增強塑料（CFRP）。利用CFRP制作的汽車部件有車身外板零件、擋泥板、行李箱蓋、散熱器裝飾護柵、帶加強筋的發(fā)動機罩、配電盤、車頂蓋、保險杠等。碳纖維車頂蓋碳纖維引擎蓋碳纖維保險杠②玻璃纖維增強塑料（GFRP）。GFRP俗稱玻璃鋼，是一種以玻璃纖維為增強不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂為基體材料的復合材料。汽車中利用GFRP制作的零部件有發(fā)動機汽缸蓋、軸承、齒輪、儀表盤、前后車燈、空氣調節(jié)器葉片等。玻璃鋼儀表板玻璃鋼彈簧③SMC復合材料

SMC復合材料即片狀模塑料，屬于一種玻璃鋼。主要原料由GF(專用紗)、UP(不飽和樹脂)、低收縮添加劑、MD(填料)及各種助劑組成。SMC汽車前保險杠SMC新能源汽車電池盒SMC汽車車頂行李箱2.金屬基復合材料（MMC）

金屬基復合材料是以陶瓷（連續(xù)長纖維、短纖維、晶須及顆粒）為增強材料，金屬（如鋁、鎂、鈦、鎳、鐵、桐等）為基體材料而制備的。應用FRM制作的汽車零部件主要有氣缸體、連桿、活塞環(huán)、活塞銷等。

復合材料副車架復合材料輪轂復合材料油底殼汽車用發(fā)泡材料

發(fā)泡材料是一種具有空氣孔隙的材料，可以在制造過程中產生氣泡并增大體積，屬于一種復合材料。它具有低密度、輕質、隔熱、吸音等特點。

汽車工業(yè)中應用的發(fā)泡材料主要有PU泡沫、EPP（發(fā)泡聚丙烯）、交聯(lián)PE發(fā)泡材料、橡膠發(fā)泡材料（CR泡棉、EPDM泡棉）、硅膠發(fā)泡材料、泡沫鋁等。泡沫鋁材料汽車上的泡沫鋁防撞梁四、車用玻璃玻璃是一種非晶態(tài)固體，它是以石英砂、純堿、石灰石等為主要原料，并加入某些金屬氧化物等輔料在1550-1600℃高溫下熔融后經拉制或壓制而成的。汽車玻璃是汽車的車身附件，起到防護作用。汽車玻璃是由玻璃原片經過二次加工而成的。汽車的玻璃都是安全玻璃，其可見性、強度和耐磨性等由相關的國家標準和行業(yè)標準規(guī)定。汽車安全玻璃分為夾層玻璃、鋼化玻璃和區(qū)域鋼化玻璃三種。1.夾層玻璃夾層玻璃是由兩層或兩層以上玻璃膠合而成的，它之所以安全是由于在玻璃之間有一層PVB膠片（一種粘合性、柔韌性很強的高分子材料）。當玻璃碎裂時，PVB膠片會把玻璃碎片粘片在一起，使玻璃碎片不致散落而傷人，并保證司機有一定的視野來片理緊急情況。2.鋼化玻璃

鋼化玻璃是由原片玻璃加熱到接近軟化溫度時進行驟冷淬火而成的玻璃制品。鋼化玻璃遇有破壞性外力沖擊，造成玻璃破裂時，不會形成鋒利的刀口，而是碎裂為許許多多的小碎片。3.區(qū)域鋼化玻璃普通鋼化玻璃由于破碎時會化為一堆碎末兒，像瀑布一般瀉落，阻斷司機的視線，不利于應急處理情況，因此不宜作前風擋。區(qū)域鋼化玻璃是分區(qū)域控制鋼化程序的鋼化玻璃，破壞時，有的部分碎片大，有的部分碎片小。用它作汽車的前風擋，安全性不如夾層玻璃，但成本較低。4.特殊夾層玻璃（1）中空玻璃。中空玻璃由兩片或多片玻璃組成，玻璃間用內部充有干燥劑的空心鋁管等隔離，同時中空部分充入干燥空氣或惰性氣體，并進行密封處理的一種特殊玻璃。是一種隔熱、隔音的新產品，如果用鍍膜中空玻璃，則可獲得冬暖夏涼的最佳效果，一般應用于高檔客車的側窗上。（2）防彈玻璃。防彈玻璃是兩層以上的玻璃（或鋼化玻璃）經過夾層而獲得的一種具有防子彈穿透功能的專用玻璃。（3）除霜玻璃。除霜玻璃采用網板印刷制法將導電性膠印制在玻璃上，在玻璃加熱成型時黏附，印刷電路可加熱玻璃起到除霜作用。（4）調光夾層玻璃。光夾層玻璃是一種光的透射率和散射度可變的玻璃，能實現(xiàn)遮擋太陽能、適