汽車機(jī)械基礎(chǔ)第4章-非金屬材料課件

1、第1篇 汽車工程材料 金屬材料的力學(xué)性能第1章常用金屬材料 第2章汽車典型零件材料的選擇 第3章非金屬材料第4章第4章 非金屬材料 高分子材料4.1陶瓷材料 4.24.4復(fù)合材料能力訓(xùn)練與拓展4.3汽車玻璃車用燃料 4.5 思考題4.1高分子材料高分子材料是指以分子量一般在5000以上的有機(jī)化合物為主要組成物的材料。高分子化合物分為天然和人工合成兩大類。它具有以下特點(diǎn)：相對分子質(zhì)量巨大；化學(xué)組成簡單；構(gòu)成高分子化合物的每一個(gè)分子不完全一樣大；具有長鏈。本章主要有：4.1.1 塑料 4.1.2 橡膠 4.1.3膠粘劑4.1.4 高分子材料在汽車上的應(yīng)用4.1.1 塑料目前塑料一般以合成樹脂為基礎(chǔ)

2、，添加各種添加劑而制成。塑料在汽車上塑料具有的優(yōu)點(diǎn)主要有：輕質(zhì)（僅有鋼的1/8）、比強(qiáng)度高、可實(shí)現(xiàn)車身輕量化、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、絕緣性好、耐磨性好、消聲吸振性好、易加工成型。其使用量逐年增加，進(jìn)口汽車已經(jīng)達(dá)到（重量構(gòu)成比/輛）12%15%，并且還有繼續(xù)增加的趨勢。塑料的分類塑料的分類方法較多，常用的有下面兩種。（1）根據(jù)材料受熱后的性質(zhì)不同分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料是線型分子結(jié)構(gòu)可反復(fù)進(jìn)行加熱冷卻塑制成一定的形狀；熱固性塑料的分子結(jié)構(gòu)是體型結(jié)構(gòu)，在受熱時(shí)也發(fā)生軟化，可以塑制成一定形狀后，再加熱也不會變軟和改變形狀。（2）根據(jù)塑料的用途不同分為通用塑料和工程塑料。4.1.2橡膠橡

3、膠是一種具有高彈性的高分子材料。由于它具有高彈性，優(yōu)良的伸縮性、吸震性、絕緣性、耐磨性、隔音性，因此應(yīng)用廣泛，例如，在一輛汽車上，橡膠件占全車整備質(zhì)量的6%10%。橡膠的主要缺點(diǎn)是易老化，耐油能力差。橡膠的分類橡膠是以生膠為基礎(chǔ)，加入適量的配合劑（硫化劑、活性劑、軟化劑、填充劑、防老劑等）而組成的高分子材料。配合劑的作用是為了提高和改善橡膠的性能。根據(jù)生膠的來源不同，可分為天然橡膠和合成橡膠兩類。4.1.3 膠黏劑膠黏劑是一種靠界面作用（化學(xué)力或物理力）把各種固體材料牢固的黏接在一起的物質(zhì)，又叫黏接劑或膠合劑，簡稱“膠”。膠黏劑和物體接觸，潤濕表面，然后通過一定的方式鏈接兩個(gè)物體并使之具有一定

4、的機(jī)械強(qiáng)度的過程稱為膠結(jié)。膠黏劑的組成膠黏劑主要由基料、固化劑和促進(jìn)劑、偶聯(lián)劑、稀釋劑、填料、增塑劑與增韌劑及其他組分（添加劑）組成?；鲜悄z黏劑的主要成分，大多為合成高聚物，起黏合作用，要求有良好的黏附性與濕潤性。固化劑和促進(jìn)劑：固化劑是膠黏劑中最主要的配合材料，它直接或者通過催化劑與主體聚合物反應(yīng)，固化結(jié)果是把固化劑分子引進(jìn)樹脂中，使分子間距離、形態(tài)、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性等都發(fā)生了明顯的變化，使樹脂由熱塑型轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。促進(jìn)劑是一種主要的配合劑，它可加速膠黏劑中主體聚合物與固化劑的反應(yīng)，縮短固化時(shí)間、降低固化溫度。4.1.4 高分子材料在汽車上的應(yīng)用名 稱符 號汽車中的用途丙烯脂一丁二烯

5、一苯乙烯ABS儀表盤、控制箱體、燈殼、擋泥板、變速桿、散熱器護(hù)柵聚酰胺（尼龍）PA冷卻風(fēng)扇葉、濾網(wǎng)、把手、散熱器副油箱聚碳酸酯PC保險(xiǎn)杠、刻度盤、殼體、水泵葉輪聚乙烯PE車廂內(nèi)飾、油箱、擋泥板、發(fā)動機(jī)罩、空氣導(dǎo)管酚醛樹脂PF制動襯片、離合器摩擦片、分電器蓋聚甲醛POM轉(zhuǎn)向器襯套、各種手柄、萬向節(jié)軸承聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）PMMA燈罩、油杯、鏡片、遮陽板、標(biāo)牌聚丙烯PP接線板、轉(zhuǎn)向盤、保險(xiǎn)杠、風(fēng)扇罩、散熱柵格、燈罩、電線敷皮聚氨酯樹脂PU主要內(nèi)飾件材料，如密封條、頭枕、儀表板、方向盤、車門扶手等聚氯乙烯PVC占車用塑料的20%，如方向盤、坐墊套、儀表板、操縱桿蓋、車門內(nèi)板等表4-1 汽車中

6、常用的塑料名稱、符號及用途4.1.4 高分子材料在汽車上的應(yīng)用類 別名稱（代號）主 要 性 能用 途 舉 例通用橡膠丁苯橡膠（SBR）較好的耐磨性、耐熱性、耐老化性、耐臭氧性；使用溫度不得高于100汽車輪胎、膠帶、膠管、膠布等氯丁橡膠（CR）耐油、耐溶劑、耐氧化、耐酸堿、耐熱、耐燃燒、耐撓曲、通氣性好等性能，但耐寒性較差、密度大。最高使用溫度為120制作電線、電纜包皮、膠管、輸送帶、墊圈、汽車門窗嵌條等順丁橡膠（BR）具有優(yōu)異的耐磨性、耐老化性、耐寒性和高彈性，易于金屬黏合，到哪強(qiáng)度差。最高使用溫度為120制作輪胎、V帶、橡膠彈簧、減震器、運(yùn)輸帶、墊圈、耐熱膠管等特殊橡膠丁腈橡膠（NBR）耐油

7、性、耐熱性、氣密性、耐磨性。但耐臭氧性、耐寒性、加工性較差，電絕緣性差。最高使用溫度為150耐油膠管、耐油密封圈、皮碗、O形圈、儲油槽等聚氨酯橡膠（UR）耐磨性優(yōu)異，具有優(yōu)良的耐油性、彈性、氣密性，但耐水、耐酸堿性能差。最高使用溫度為80制造膠輪、實(shí)心輪胎、耐磨制品、各種墊圈聚丙烯酸酯橡膠（AR）具有良好的耐熱性與耐油性，可在180以下的熱油中使用；耐老化、耐臭氧、耐紫外線、氣密性好，但耐寒、耐磨性、彈性、電絕緣性和加工性較差用作耐油、耐熱、耐老化的制品，如汽車的耐熱密封墊、油封、耐熱軟管和耐熱、耐油海綿制品等表4-2常用橡膠的種類、性能特點(diǎn)及用途4.1.4 高分子材料在汽車上的應(yīng)用類 別牌

8、號主 要 特 性用 途 舉 例環(huán)氧膠黏劑E-7耐熱性好，密封性好、使用溫度150。固化條件：100，3h可膠結(jié)金屬、玻璃等多種材料J-19A膠結(jié)強(qiáng)度和韌性較高，但耐水水星差。使用溫度60120。固化條件：180，3h可膠結(jié)金屬、玻璃、母材、陶瓷等材料914固化迅速，使用方便，耐油、耐水，膠結(jié)力強(qiáng)；耐熱性和韌性差。固化條件：室溫，3h適用于各種材料的快速黏結(jié)、固定和修補(bǔ)酚醛膠黏劑J-03膠結(jié)輕度高，彈性、韌性好，耐疲勞，使用溫度60150。固化條件：165，3h可膠結(jié)金屬、玻璃鋼、陶瓷等，特別適用于金屬蜂窩狀夾層結(jié)構(gòu)的膠結(jié)JSF-2黏結(jié)強(qiáng)度高，韌性好，耐疲勞，良好的抗老化性，使用溫度：6060。

9、固化條件：150,1h可膠結(jié)金屬、夾層塑料、玻璃、木材、皮革等聚氨酯膠黏劑JQ-1膠膜柔軟、耐油，但對水特別敏感，使用溫度低。固化條件：140,1h適用于未硫化的天然橡膠、丁腈橡膠等與金屬的膠結(jié)101膠膜柔軟，絕緣性好，耐磨、油性好，耐熱性差，使用溫度低可膠結(jié)金屬、塑料、陶瓷、橡膠、皮革、木材等厭氧膠Y150工藝學(xué)好，毒性小，固化后的抗蝕性、耐熱性、耐寒性差好，使用溫度：40150。膠液填入結(jié)合面空隙，隔絕空氣后13d即可固化，加入固化劑1h即可固化用于防止螺釘松動、軸承的固定、凸緣及螺紋連接頭密封和防漏，填塞縫隙，也可用于膠結(jié)表4-3常用膠黏劑種類、牌號、性能特點(diǎn)及用途4.2 陶瓷材料陶瓷材

10、料的共同優(yōu)點(diǎn)在于取材方便，硬度高、耐高溫、耐腐蝕、抗壓強(qiáng)度大，并且具有優(yōu)良的絕緣、隔熱及耐磨性能。一些特種陶瓷還具有導(dǎo)電、導(dǎo)磁、導(dǎo)熱、超高頻導(dǎo)電等特殊性能。陶瓷材料常用的分類方法陶瓷材料常用的分類方法有兩種：按成分和組成，陶瓷分為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷等；按用途不同，陶瓷分為工程結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類。前者主要利用材料的力學(xué)性能，承受各種載荷；后者利用材料的熱、電、磁、光、聲等方面的性能特點(diǎn)，應(yīng)用于各種場合。4.2.1 工程結(jié)構(gòu)陶瓷主要介紹以下三種：（1）氧化鋁陶瓷，又稱剛玉瓷，是用途最廣泛，原料最豐富，價(jià)格最低廉的一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。汽車上各種發(fā)動機(jī)中的火

11、花塞使用Al2O3陶瓷。4.2.1 工程結(jié)構(gòu)陶瓷主要介紹以下三種：（2）氧化鋯陶瓷。有純氧化鋯、穩(wěn)定氧化鋯和部分穩(wěn)定氧化鋯，其性能相差很大，分別用于不同的地方。汽車制造中，利用穩(wěn)定ZrO2的氧離子傳導(dǎo)特性，可制成氧氣傳感器，進(jìn)行氧濃度的檢測；部分穩(wěn)定ZrO2陶瓷在目前所研制的陶瓷發(fā)動機(jī)中用于制造汽缸內(nèi)壁、活塞、缸蓋板、氣門座和氣門導(dǎo)桿，其中某些部件是與金屬復(fù)合而成的。4.2.1 工程結(jié)構(gòu)陶瓷主要介紹以下三種：（3）氮化物陶瓷。它具有高的高溫強(qiáng)度。在美國的陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)劃中，采用了常壓燒結(jié)Si3N4或反應(yīng)燒結(jié)Si3N4作轉(zhuǎn)子、定子和渦形管。無水冷陶瓷發(fā)動機(jī)中，采用熱壓Si3N4做活塞頂蓋。4.2

12、.2 特種陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用1陶瓷在汽車發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用新型陶瓷是碳化硅、氮化硅的等無機(jī)非金屬燒結(jié)而成。與以往使用的氧化鋁陶瓷相比，強(qiáng)度是其三倍以上，能耐1000以上高溫，新材料推進(jìn)了汽車上新用途開發(fā)。如：采用隔熱性能好的陶瓷材料圍住燃燒室進(jìn)行隔熱2特種敏感陶瓷在汽車傳感器上的應(yīng)用3陶瓷在汽車制動器上的應(yīng)用4陶瓷在汽車減震器上的應(yīng)用5陶瓷材料在汽車噴涂技術(shù)上的應(yīng)用6智能陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用4.3 汽車玻璃汽車玻璃是汽車車身附件中必不可少的，是汽車被動安全設(shè)施之一，因此通常選用安全玻璃。所謂安全玻璃就是由無機(jī)材料與有機(jī)復(fù)合材料所構(gòu)成的產(chǎn)品，當(dāng)其受撞擊時(shí)，不管其是否破壞，與普通玻璃相比，可以減

13、少對人體傷害的可能性。安全玻璃是由原片玻璃經(jīng)二次深加工而成，主要分為夾層玻璃和鋼化玻璃兩大類1汽車安全玻璃構(gòu)造（1）夾層玻璃。夾層玻璃是由兩層或兩層以上的玻璃原片用一層或數(shù)層透明的黏結(jié)材料黏合而成的玻璃制品。其中，夾層玻璃原片，既可以是普通玻璃，也可以是鋼化玻璃、半鋼化玻璃、鍍膜玻璃、吸熱玻璃、熱彎玻璃等；黏結(jié)層可用PVB膠片（聚乙烯醇縮丁醛），也可用甲基丙烯酸甲酯、有機(jī)硅、聚氨酯等。（2）鋼化玻璃。鋼化玻璃分為物理鋼化玻璃和化學(xué)鋼化玻璃，我們通常所說的鋼化玻璃均指物理鋼化玻璃。具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，主要具有很強(qiáng)的抗沖壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，鋼化玻璃的抗沖擊強(qiáng)度是相同厚度普通玻璃的58倍；抗彎強(qiáng)度比普

14、通玻璃高35倍具有良好的熱穩(wěn)定性，熱穩(wěn)定性是指玻璃能承受劇烈溫度變化而不破壞的性能，鋼化玻璃可承受溫度變化范圍為150320，安全性能好，鋼化玻璃破碎時(shí)碎片成蜂窩狀鈍角小顆粒，不易傷人。2我國汽車玻璃的安全規(guī)定汽車安全玻璃（GB 96562003）是汽車安全玻璃的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，其中對汽車安全玻璃材料的安全性能要求為強(qiáng)制性要求。4.4 復(fù)合材料在滿足安全使用要求下，汽車輕量化要求其結(jié)構(gòu)材料具有高彈性模量、高強(qiáng)度、低密度和高可靠性。而這些只有復(fù)合材料才能滿足，因此復(fù)合材料正日益受到國內(nèi)外汽車界的青睞。4.4.1 復(fù)合材料簡介4.4.2 復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用4.4.1 復(fù)合材料簡介1復(fù)合材料的特點(diǎn)復(fù)合

15、材料是各向異性的非均質(zhì)材料，與其他材料相比有以下突出特點(diǎn)。（1）比強(qiáng)度與比模量高。（2）能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展（3）在熱塑性塑料中摻入少量的短切碳纖維耐磨性大大地提高，其增加的倍數(shù)可為原來的好幾倍。（4）化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良。（5）耐高溫?zé)g性好。（6）工藝性與可設(shè)計(jì)性好。2常用復(fù)合材料的特點(diǎn)及用途由于復(fù)合材料優(yōu)異的性能和特點(diǎn)，在航空、汽車、輪船、壓力容器、管道、傳動零件以及生活用品各方面得到廣泛應(yīng)用。汽車上應(yīng)用的復(fù)合材料主要是纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料（FRP）和金屬基復(fù)合材料（MMC）。4.4.2 復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用1汽車中的金屬基復(fù)合材料（MMC）MMC用于汽車工業(yè)的主要是顆粒增強(qiáng)和短纖維

16、增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。MMC具有高的比強(qiáng)度和比剛度、耐磨性好、導(dǎo)熱性好及熱膨脹系數(shù)低等特性，已在工業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用于汽車工業(yè)的MMC為鋁或鎂基質(zhì)加粉末或碎屑纖維增強(qiáng)。在汽車制動盤、制動鼓、制動鉗、活塞、傳動軸以及輪胎螺栓上，已使用MMC。2汽車中塑料基復(fù)合材料玻璃纖維（GMT）片材在汽車工業(yè)中的應(yīng)用，已達(dá)40多種，主要有座椅骨架、保險(xiǎn)杠、儀表板、發(fā)動機(jī)罩、電池托架、腳踏板、前端、地板、護(hù)板、后牽門、車頂棚、行李托架、遮陽板、備用輪胎架等部件。3復(fù)合材料與未來汽車未來的汽車是屬于適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的綠色汽車，復(fù)合材料能提高材料性能，延長使用期，加強(qiáng)功能性，這些都是對環(huán)境有利的特性。但應(yīng)認(rèn)真

17、對待并努力克服復(fù)合材料的再生問題，使復(fù)合材料朝著環(huán)境協(xié)調(diào)化的方向發(fā)展。4.5 車用燃料在車輛運(yùn)行過程中，使用或消耗的材料，稱為汽車運(yùn)行材料。按其對汽車運(yùn)行的作用和消耗方式不同可分為三種：車用燃料、車用潤滑油、車用工作液。其中后兩者在本書第三篇中介紹，這里主要介紹車用燃料。4.5.1 汽油1汽油的性能為保證汽油機(jī)的順利起動、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮汽油機(jī)的動力性能，對汽油的主要要求有：（1）適宜的蒸發(fā)性。蒸發(fā)性好的汽油，汽化后與空氣混合均勻，燃燒速度快且燃燒完全，這樣發(fā)動機(jī)起動容易，加速及時(shí)，各工況間轉(zhuǎn)換靈敏柔和，機(jī)械磨損減少，汽油消耗較低。4.5.1 汽油1汽油的性能為保證汽油機(jī)的順利起動、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)

18、，充分發(fā)揮汽油機(jī)的動力性能，對汽油的主要要求有：（2）良好的抗爆性。燃效不均勻時(shí)，會形成局部的多個(gè)燃燒中心，這些燃燒中心造成局部區(qū)域壓力和溫度瞬間急劇升高，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，這就稱為爆燃。發(fā)動機(jī)過度的爆燃現(xiàn)象發(fā)生會造成氣缸蓋、活塞頂、氣缸壁、連桿、曲軸等機(jī)件的負(fù)荷增加，產(chǎn)生變形甚至損壞。為避免爆燃現(xiàn)象的出現(xiàn)，應(yīng)盡量使用抗爆性好的汽油。4.5.1 汽油1汽油的性能為保證汽油機(jī)的順利起動、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮汽油機(jī)的動力性能，對汽油的主要要求有：（3）良好的氧化安定性，且對機(jī)件等無腐蝕性。汽油的氧化安定性是指汽油在儲存和使用過程中，抵抗氧化而保持自身性質(zhì)不發(fā)生永久性變化的能力。氧化安定性良好的汽油

19、，長期儲存不會發(fā)生顯著的質(zhì)量變化。汽油發(fā)動機(jī)如果使用氧化安定性不好的汽油，會產(chǎn)生許多不良后果。（4）汽油本身的清潔性，且對環(huán)境無害。汽油中存在的機(jī)械雜質(zhì)和水分一般是在運(yùn)輸、儲存和使用過程中受外界污染而混入的。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定汽油中不允許有機(jī)械雜質(zhì)和水分。可采用下面的方法作簡單判斷：將汽油注入清潔干燥的量筒中，靜置一定時(shí)間后觀察，如果油色透明并且沒有懸浮物和沉淀物以及水分，則認(rèn)為汽油中不含機(jī)械雜質(zhì)和水分，該汽油質(zhì)量合格。4.5.1 汽油1汽油的性能為保證汽油機(jī)的順利起動、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮汽油機(jī)的動力性能，對汽油的主要要求有：（4）汽油本身的清潔性，且對環(huán)境無害。汽油中存在的機(jī)械雜質(zhì)和水分一般是在

20、運(yùn)輸、儲存和使用過程中受外界污染而混入的。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定汽油中不允許有機(jī)械雜質(zhì)和水分。4.5.1 汽油2汽油的標(biāo)號及選用汽油的選擇車用汽油的選擇一般應(yīng)遵循以下原則：（1）按汽車的使用說明書規(guī)定或國家相關(guān)權(quán)威部門的推薦選用汽油牌號。壓縮比越大，使用的汽油牌號一般也越高。（2）在汽油的供應(yīng)上，若一時(shí)不能滿足需要時(shí)，可以用牌號相近的汽油暫時(shí)代用，但必須對汽油機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。用辛烷值較低的汽油代替辛烷值較高的汽油時(shí)，應(yīng)適當(dāng)推遲點(diǎn)火提前角；用辛烷值較高的汽油代替辛烷值較低的汽油時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提前點(diǎn)火提前角。4.5.1 汽油2汽油的標(biāo)號及選用汽油的選擇車用汽油的選擇一般應(yīng)遵循以下原則：（3）裝有三元催化轉(zhuǎn)化

21、器和氧傳感器的汽車盡量選擇不含鉛或含鉛量低的汽油。（4）推廣使用加入汽油清凈劑的汽油。（5）注意季節(jié)變化、車輛使用地區(qū)變化等外界條件改變對汽油選擇的影響。例如，冬季應(yīng)選擇蒸氣壓較大的汽油，夏季應(yīng)選擇蒸氣壓較小的汽油，高原地區(qū)應(yīng)選擇蒸氣壓較小的汽油。4.5.2 柴油1柴油的性能為了保證柴油發(fā)動機(jī)正常、高效工作，且滿足國家排放要求，對柴油的主要性能要求有：（1）合適的流動性能。這主要包括兩個(gè)方面：良好的低溫流動性和合適的黏度。（2）柴油的安定性和腐蝕性。柴油的安定性一般是用總不溶物和10%蒸余物殘?zhí)縼碓u定的。柴油的腐蝕性主要由于柴油含硫造成的。（3）柴油本身的清潔性。影響柴油潔凈度的物質(zhì)主要是水分和機(jī)械雜質(zhì)。精制良好的柴油一般不含水分和機(jī)械雜質(zhì)2柴油的牌號及選用按凝點(diǎn)我國將車用柴油分為10號、5號、0號、10號、20號、35號和50號7種牌號。牌號使用范圍（風(fēng)險(xiǎn)率為10%）5適用于最低氣溫在8以上的地區(qū)0適用于最低氣溫在4以上的地區(qū)10適用于最低氣溫在5以上的地區(qū)20適用于最低氣溫在14以上的地區(qū)35適用于最低氣溫在29以上的地區(qū)表4-4 幾種柴油牌號使用的溫度區(qū)域4.5.3 車用替代燃料車用替代