現(xiàn)代汽車新材料種類及應(yīng)用

PAGE18PAGE17隨著汽車技術(shù)發(fā)展的日益成熟，汽車的功能日益完善，汽車的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的汽車通常由幾千個(gè)零件組成，現(xiàn)代高級(jí)矯車由幾萬個(gè)零部件組成。為滿足汽車節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適的要求，實(shí)現(xiàn)輕量化、高強(qiáng)度、高性能的目標(biāo)，構(gòu)成汽車的材料也發(fā)生了巨大的變化。通常按照材料的成分，將汽車材料分為金屬材料和非金屬材料兩大類。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，未來汽車材料除金屬材料、非金屬材料外，復(fù)合材料和納米材料也將獲得廣泛應(yīng)用。比如全鋁合金、鈦合金、陶瓷合金、碳纖維材料等等越來越多的新材料應(yīng)用在汽車上。第一章．車身新材料的種類█新型結(jié)構(gòu)材料1.高強(qiáng)度鋼板從前的高強(qiáng)度鋼板，拉延強(qiáng)度雖高于低碳鋼板，但延伸率只有后者的50％，故只適用于形狀簡(jiǎn)單、延伸深度不大的零件?，F(xiàn)在的高強(qiáng)度鋼板是在低碳鋼內(nèi)加入適當(dāng)?shù)奈⒘吭?，?jīng)各種處理軋制而成，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)420N/mm2，是普通低碳鋼板的2～3倍，深拉延性能極好，可軋制成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要材料。到2000年，其用量已上升到50%左右。中國(guó)奇瑞汽車公司與寶鋼合作，2001年在試制樣車上使用的高強(qiáng)度鋼用量為262kg，占車身鋼板用量的46%，對(duì)減重和改進(jìn)車身性能起到了良好的作用。美國(guó)轎車材料構(gòu)成要有含磷冷軋鋼板、烘烤硬化冷軋鋼板、冷軋雙相鋼板和高強(qiáng)度1F冷軋鋼等，車身設(shè)計(jì)師可根據(jù)板制零件受力情況和形狀復(fù)雜程度來選擇鋼板品種。含磷高強(qiáng)度冷軋鋼板：含磷高強(qiáng)度冷軋鋼板主要用于轎車外板、車門、頂蓋和行李箱蓋升板，也可用于載貨汽車駕駛室的沖壓件。主要特點(diǎn)為：具有較高強(qiáng)度，比普通冷軋鋼板高15％～25％；良好的強(qiáng)度和塑性平衡，即隨著強(qiáng)度的增加，伸長(zhǎng)率和應(yīng)變硬化指數(shù)下降甚微；具有良好的耐腐蝕性，比普通冷軋鋼板提高20％；具有良好的點(diǎn)焊性能；烘烤硬化冷軋鋼板：經(jīng)過沖壓、拉延變形及烤漆高溫時(shí)效處理，屈服強(qiáng)度得以提高。這種簡(jiǎn)稱為BH鋼板的烘烤硬化鋼板既薄又有足夠的強(qiáng)度，是車身外板輕量化設(shè)計(jì)首選材料之一；冷軋雙向鋼板：具有連續(xù)屈服、屈強(qiáng)比低和加工硬化高、兼?zhèn)涓邚?qiáng)度及高塑性的特點(diǎn)，經(jīng)烤漆后強(qiáng)度可進(jìn)一步提高。適用于形狀復(fù)雜且要求強(qiáng)度高的車身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如車門加強(qiáng)板、保險(xiǎn)杠等；超低碳高強(qiáng)度冷軋鋼板：在超低碳鋼（C≤0.005％）中加入適量鈦或鈮，以保證鋼板的深沖性能，再添加適量的磷以提高鋼板的強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)了深沖性與高強(qiáng)度的結(jié)合，特別適用于一些形狀復(fù)雜而強(qiáng)度要求高的沖壓零件。汽車材料應(yīng)用部件輕量化迭層鋼板：迭層鋼板是在兩層超薄鋼板之間壓入塑料的復(fù)合材料，表層鋼板厚度為0.2～0.3mm，塑料層的厚度占總厚度的25％～65％。與具有同樣剛度的單層鋼板相比，質(zhì)量只有57％。隔熱防振性能良好，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、車身底板等部件。2.鋁合金與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度小（2.7g/cm3）、比強(qiáng)度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、可回收再生等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟。德國(guó)大眾公司的新型奧迪A2型轎車，由于采用了全鋁車身骨架和外板結(jié)構(gòu)，使其總質(zhì)量減少了135kg，比傳統(tǒng)鋼材料車身減輕了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奧迪A8通過使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數(shù)量從50個(gè)減至29個(gè)，車身框架完全閉合。這種結(jié)構(gòu)不僅使車身的扭轉(zhuǎn)剛度提高了60%，還比同類車型的鋼制車身車重減少50%。由于所有的鋁合金都可以回收再生利用，深受環(huán)保人士的歡迎。根據(jù)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，采用激光束壓合成型工藝，將不同厚度的鋁板或者用鋁板與鋼板復(fù)合成型，再在表面涂覆防腐蝕材料使其結(jié)構(gòu)輕量化且具有良好的耐腐蝕性。鋁合金已成為僅次于鋼材的汽車用金屬材料，能夠?yàn)槠囂峁└鞣N鋁合金鑄件、沖壓結(jié)構(gòu)件和拉制的鋁型材。鋁合金主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、活塞、進(jìn)氣支管、氣缸蓋、變速器殼體、矯車的骨架、車身、座椅支架、車輪等部件。3.鎂合金和鈦合金鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35％，鋁材密度的66％。此外它的比強(qiáng)度、比剛度高，阻尼性、導(dǎo)熱性好，電磁屏蔽能力強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定性好，因此在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鎂的儲(chǔ)藏量十分豐富，鎂可從石棉、白云石、滑石中提取，特別是海水的鹽分中含3.7%的鎂。近年來鎂合金在世界范圍內(nèi)的增長(zhǎng)率高達(dá)20％。鑄造鎂合金的車門由成型鋁材制成的門框和耐碰撞的鎂合金骨架、內(nèi)板組成。另一種鎂合金制成的車門，它由內(nèi)外車門板和中間蜂窩狀加強(qiáng)筋構(gòu)成，每扇門的凈質(zhì)量比傳統(tǒng)的鋼制車門輕10kg，且剛度極高。隨著壓鑄技術(shù)的進(jìn)步，已可以制造出形狀復(fù)雜的薄壁鎂合金車身零件，如前、后擋板、儀表盤、方向盤等。鈦的比重為4.6g/cm3，僅是鐵的1/2，但強(qiáng)度和硬度超過了鋼，且不易生銹。用鈦合金鑄造的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件更輕、更堅(jiān)固和更耐腐蝕，鈦合金車身可以承受更大的作用力。4.泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其特點(diǎn)是密度小，僅為0.4～0.7g／cm3，彈性好，當(dāng)受力壓縮變形后，可憑自身的彈性恢復(fù)原料形狀。泡沫合金板種類繁多，除了泡沫鋁合金板外，還有泡沫鋅合金、泡沫錫合金、泡沫鋼等，可根據(jù)不同的需要進(jìn)行選擇。由于泡沫合金板的特殊性能，特別是出眾的低密度、良好的隔熱吸振性能，深受汽車制造商的青睞。目前，用泡沫鋁合金制成的零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋等。5.蜂窩夾芯復(fù)合板蜂窩夾芯復(fù)合板是兩層薄面板中間夾一層厚而極輕的蜂窩組成。根據(jù)夾芯材料的不同，可分為紙蜂窩、玻璃布蜂窩、玻璃纖維增強(qiáng)樹脂蜂窩、鋁蜂窩等；面板可以采用玻璃鋼、塑料、鋁板和鋼板等材料。由于蜂窩夾芯復(fù)合板具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度和比剛度高、抗振、隔熱、隔音和阻燃等特點(diǎn)，故在汽車車身上獲得較多應(yīng)用，如車身外板、車門、車架、保險(xiǎn)杠、座椅框架等。英國(guó)發(fā)明了一種以聚丙烯作芯，鋼板為面板的薄夾層板用以替代鋼制車身外板，使零件質(zhì)量減輕了50%~60%，且易于沖壓成型。6.工程塑料與通用塑料相比，工程塑料具有優(yōu)良的機(jī)械性能、電性能、耐化學(xué)性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等特點(diǎn)，且比要取代的金屬材料輕、成型時(shí)能耗少。二十世紀(jì)七十年代起，以軟質(zhì)聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩沖材料等塑料在汽車工業(yè)中被廣泛采用。福特公司開發(fā)的LTD試驗(yàn)車，塑料化后的車身取得了輕量化方面的明顯成果（見表2）。福特LTD試驗(yàn)車的輕量化效果中國(guó)工程塑料工業(yè)普遍存在工藝落后、設(shè)備陳舊、規(guī)模小、品種少、質(zhì)量不穩(wěn)定的狀況，而且價(jià)格高，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。工程塑料在汽車上的應(yīng)用僅相當(dāng)于國(guó)外上世紀(jì)八十年代的水平。如上海桑塔納轎車塑料用量?jī)H為2.86kg/輛，紅旗CA7228型轎車為2.4kg/輛，而日本轎車平均為14kg/輛，寶馬則更高，為35.64kg/輛。但這種局面將很快被打破，由上海普利特復(fù)合材料有限公司投資新建、國(guó)內(nèi)最大的汽車用高性能ABS工程塑料生產(chǎn)基地日前在上海建成投產(chǎn)。此項(xiàng)目引進(jìn)了世界先進(jìn)的工程塑料生成線和試驗(yàn)檢測(cè)儀器等設(shè)備，形成了年產(chǎn)15,000噸高性能ABS工程塑料的能力。工程塑料用于汽車可實(shí)現(xiàn)輕量化和節(jié)能，且可回收和循環(huán)利用。目前六大類的塑料：PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE在汽車上得到廣泛的應(yīng)用，通常用于制造車身覆蓋件、車門門襤、車身內(nèi)外裝飾件和水箱面罩、保險(xiǎn)杠和車輪護(hù)罩等。7.高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料復(fù)合材料是一種多相材料，是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬和金屬等原材料復(fù)合而成。目前玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料在汽車上已經(jīng)獲得成功的應(yīng)用。玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料耐腐蝕、絕緣性好，特別是有良好的可塑性，對(duì)模具要求較低，對(duì)制造車身大型覆蓋件的模具加工工藝較簡(jiǎn)易，生產(chǎn)周期短，成本較低。在矯車和客車上，采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料制造的矯車車身覆蓋件、客車前后圍覆蓋件和貨車駕駛室等零部件。高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料，特別是碳纖維復(fù)合材料（CFRP），因其質(zhì)量小，而且具有高強(qiáng)度、高剛性，有良好的耐蠕變與耐腐蝕性，因而是很有前途的汽車用輕量化材料。碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用，美國(guó)開展的最好。二十世紀(jì)八十年代后期，復(fù)合材料車身外覆件得到大量的應(yīng)用和推廣，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、車門、車頂板、導(dǎo)流罩、車廂后擋板等，甚至出現(xiàn)了全復(fù)合材料的卡車駕駛室和轎車車身。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐美等國(guó)汽車復(fù)合材料的用量約占本國(guó)復(fù)合材料總產(chǎn)量的33％左右，并繼續(xù)呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，復(fù)合材料作為汽車車身的外覆件來說，無論從設(shè)計(jì)還是生產(chǎn)制造、應(yīng)用都已成熟，并已從車身外覆件的使用向汽車的內(nèi)飾件和結(jié)構(gòu)件方向發(fā)展。圖2為法國(guó)SORA公司為雷諾汽車公司開發(fā)的全復(fù)合材料轎車車身和重型卡車駕駛室。上海通用柳州汽車公司和東風(fēng)公司計(jì)劃推出全復(fù)合材料車身的家庭用小轎車。8.陶瓷材料由于陶瓷本身具有的特殊力學(xué)性能以及對(duì)熱、電、光等的物理性能，陶瓷材料特別是特種陶瓷在汽車上的應(yīng)用日益受到人們的重視。我國(guó)已成功研制鈦酸鋁陶瓷-鋁合金復(fù)合排氣管、氮化硅陶瓷柴油機(jī)渦輪增壓轉(zhuǎn)子和球軸承等汽車部件。汽車的構(gòu)造材料可反映人類所應(yīng)用材料的技術(shù)水平。目前，6類主要材料如鋼﹑鐵﹑塑料﹑鋁﹑橡膠﹑玻璃共占轎車質(zhì)量的90%，其余10%為其他多種材料，包括有色金屬（銅、鉛、鋅、錫等），車中裝備的液體（燃油、潤(rùn)滑劑、其他油品和水基液等），油漆、纖維制品。如富康轎車用料為鋼55%，鑄鐵12%，塑料12%，鋁6%，橡膠3%。常見汽車材料的構(gòu)成如下圖所示。汽車材料構(gòu)成█新型功能材料1.稀土材料中國(guó)稀土資源豐富，居世界前列。世界已探明的稀土儲(chǔ)量中國(guó)占世界已探明資源的80%，為我國(guó)大力開發(fā)稀土材料提供了得天獨(dú)厚的條件。使用汽車廢氣凈化催化劑是控制汽車廢氣排放、減少污染的最有效的手段。含稀土的汽車廢氣凈化催化劑價(jià)格低、熱穩(wěn)定性好、活性較高，使用壽命長(zhǎng)，引起了人們的廣泛關(guān)注。汽車廢氣凈化稀土催化劑所用的稀土成分主要是氧化鈰、氧化鑭和氧化鐠等。用于汽車廢氣凈化催化劑的載體通常為蜂窩陶瓷，稀土還可以作為陶瓷載體的穩(wěn)定劑以及活性涂層材料等。2.納米材料納米科技是21世紀(jì)科技產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容之一，它是高度交叉的綜合性學(xué)科，包括物理、化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)和電子學(xué)。它不僅包含以觀測(cè)、分析和研究為主線的基礎(chǔ)學(xué)科，還有以納米工程與加工學(xué)為主線的技術(shù)科學(xué)，所以納米科學(xué)與技術(shù)也是一個(gè)融前沿科學(xué)和高技術(shù)于一體的完整體系。納米技術(shù)將在汽車上的結(jié)構(gòu)材料、節(jié)能、環(huán)保等方面獲得廣泛的應(yīng)用。納米陶瓷材料的耐磨性和質(zhì)量減小、穩(wěn)定性增強(qiáng)。納米陶瓷軸已經(jīng)應(yīng)用在奔弛等高級(jí)矯車上，使機(jī)械轉(zhuǎn)速加快、質(zhì)量減小、穩(wěn)定性增強(qiáng)、使用壽命延長(zhǎng)。納米汽油是一種利用現(xiàn)代最新納米技術(shù)開發(fā)的汽油微乳化劑，納米汽油可以降低油耗10%-20%，可降低廢氣中有害氣體含量50%～80%。納米潤(rùn)滑劑是采用納米技術(shù)改善潤(rùn)滑油分子結(jié)構(gòu)的石油產(chǎn)品，它不對(duì)任何潤(rùn)滑油添加劑、穩(wěn)定劑、處理劑、發(fā)動(dòng)機(jī)增潤(rùn)劑或減磨劑等產(chǎn)生不良作用，只是在零件金屬表面自動(dòng)形成純烴類單個(gè)原子厚度的一層薄膜。納米增強(qiáng)增韌塑料可以代替金屬材料，由于它們比重小重量輕，因此廣泛用于汽車上可以大幅度減輕汽車重量，達(dá)到節(jié)省燃料的目的?？梢杂糜谄嚿系谋ｋU(xiǎn)杠、座椅、翼子板、頂蓬蓋、車門、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、行李艙蓋以及變速器箱體、齒輪傳動(dòng)裝置等一些重要部件?？棺贤饩€老化塑料能夠吸收和反射紫外線，比普通塑料的抗紫外線能力提高20倍以上，能有效延長(zhǎng)其使用壽命。無機(jī)納米抗菌塑料加工簡(jiǎn)單，廣譜抗菌，24h接觸殺菌率達(dá)90%，無副作用，可以用在車門把手、方向盤、座椅面料、儲(chǔ)物盒等易污部件。第二章．車身新材料應(yīng)用的現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)外車身輕量化的研究方向是開發(fā)具有較高強(qiáng)度的輕質(zhì)高性能新材料及設(shè)計(jì)新的輕量化結(jié)構(gòu)。通過多年的探索，已取得了新的進(jìn)展。德國(guó)大眾九十年代末開發(fā)的路波TDI車型就是采用新設(shè)計(jì)、新材料、新工藝的綜合成果。TDI所有車身部件都是輕質(zhì)金屬制成，包括前擋泥板、車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和尾門，其中尾門的金屬外層是鋁質(zhì)，內(nèi)板是鎂制成。汽車的內(nèi)部設(shè)備許多也是輕質(zhì)金屬制成的，如，座椅的框架由鋁制成，方向盤的內(nèi)骨架是鎂制成。乘客艙和發(fā)動(dòng)機(jī)室之間組合隔板是鋁質(zhì)的。支撐結(jié)構(gòu)通常也是由高強(qiáng)度的薄板金屬制成的。為解決新材料的防腐蝕保護(hù)和連接，大眾采用創(chuàng)新的沖孔鉚接法、迭邊壓接、激光釬焊等技術(shù)，這一技術(shù)一直被沿用至今。直到現(xiàn)在他解決了不少在汽車焊接過程中出現(xiàn)的許多問題。路波TDI自重為830kg，包括417kg(50.5％)的鋼、136kg輕質(zhì)金屬(16.4％，包括3.7kg的鎂)、116kg塑料(14.0％)。在保證車身抗扭剛度、使用壽命和安全性的前提下，車身的重量減輕了50kg，汽車的總重減輕了154kg。由于汽車自重大幅度減輕，使得百公里油耗降至2.99升，總能量消耗只是傳統(tǒng)汽車的一半。這意味著二氧化碳的排放量也將減少一半，碳?xì)浠衔锏呐欧帕拷档剿姆种?，是典型的環(huán)保型轎車，也是世界上批量生產(chǎn)的最經(jīng)濟(jì)轎車之一。路波TDI自重為830kg第三章．新材料應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)1．新材料回收再用性的研究研究汽車新材料的最終處置問題至關(guān)重要，從某種程度上講，關(guān)系到它的生存與發(fā)展。目前，汽車上約占自重25％的材料無法回收再用，其中三分之一為各種塑料，三分之一為橡膠，還有三分之一為玻璃、纖維。鑒于這種情況，世界各國(guó)都花費(fèi)大量的人力、物力進(jìn)行材料的回收再生問題的研究。現(xiàn)在可以通過三種途徑進(jìn)行回收：顆?；厥眨匦履肽?；化學(xué)回收，高溫分解；能源回收，將廢棄物作為燃料。德國(guó)在回收塑料等材料的法規(guī)是世界上最為完善的，其管理方式非常明確，即首先是避免產(chǎn)生，然后才是“循環(huán)使用”和“最終處理”。1991年規(guī)定回收塑料中的60％必須是機(jī)械性回收，另有40％可以機(jī)械回收，也可以采用填埋或能量回收的方式。通過十年的努力，現(xiàn)在的回收率已高達(dá)87％。日本是循環(huán)經(jīng)濟(jì)立法最全面的國(guó)家，其目的是建立一個(gè)資源“循環(huán)型社會(huì)”。為此，日本對(duì)廢舊塑料的回收利用一直保持積極態(tài)度。此外，日本還大力支持以廢塑料為主的工業(yè)垃圾發(fā)電事業(yè)。計(jì)劃到2010年在全國(guó)建立150個(gè)廢塑料發(fā)電設(shè)備。2．減少材料的品種未來汽車在工程塑料類型的選擇上將會(huì)發(fā)生巨大的變化。目前汽車使用的塑料由幾十種高分子材料組成，當(dāng)前世界各大汽車公司致力于減少車用塑料種類，并盡量使其通用化。這將有利于材料的回收再生和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。3．降低成本制約汽車車身新材料應(yīng)用的重要因素是價(jià)格。作為主要新材料的高強(qiáng)度鋼、玻璃纖維增強(qiáng)材料、鋁和石墨增強(qiáng)，其成本分別為普通碳鋼的1.1倍、3倍、4倍和20倍。所以只有大幅度降低這些新材料的制造成本，才可能使諸多新材料進(jìn)入批量生產(chǎn)。如玻璃纖維增強(qiáng)材料將在成本上成為鋼材的有力競(jìng)爭(zhēng)者，雖然它的重量減輕有限，但價(jià)格卻能為用戶接受。石墨合成材料盡管性能良好，但因其成本居高不下，目前它在汽車工業(yè)上很難有所作為。4．先進(jìn)的制造工藝的研發(fā)采用新材料與先進(jìn)的制造工藝是相輔相成的，汽車工業(yè)正在努力開發(fā)新的制造方法，對(duì)傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行更新。例如：適用于輕量化設(shè)計(jì)的連接工藝今年來有所發(fā)展，如德國(guó)某汽車公司在大批生產(chǎn)的轎車上采用CO2激光束焊接，與傳統(tǒng)的焊接工藝相比，焊接成的高強(qiáng)度鋼板車身的強(qiáng)度提高了50％。又如，一些復(fù)合材料的SMC殼體的材料較厚，大約為2.5～3mm，限制了輕量化的幅度。法國(guó)諾公司采用新的A級(jí)表面精度的SMC模壓技術(shù)和低密度填料，減薄了零件厚度，使轎車殼體重量比普通SMC工藝下降了30％。5．車身設(shè)計(jì)方法的革命據(jù)歐洲汽車界人士預(yù)測(cè)，在今后十年中，轎車自身質(zhì)量還將減輕20％，除了大量采用復(fù)合材料和輕質(zhì)合金外，車身設(shè)計(jì)方法也將發(fā)生重大變化。由于大量采用新型材料，傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法可能不再適用，取而代之的是一種基于生物學(xué)增長(zhǎng)規(guī)律的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)法，這種設(shè)計(jì)方法即能減少零件質(zhì)量，又延長(zhǎng)了零件的使用壽命。此外，采用新的設(shè)計(jì)方法還能使車身零件數(shù)大幅度減少。如某車型的零件數(shù)已由400個(gè)減少到75個(gè)，質(zhì)量減輕30％。美國(guó)克萊斯勒汽車公司尚未投放市場(chǎng)的概念車由于采用了創(chuàng)新的優(yōu)化設(shè)計(jì)法，使整車自重降至544kg。這說明輕量化設(shè)計(jì)具有極大的潛力。6.汽車典型零件的用材說明。典型的汽車材料主要用灰口鑄鐵和鋁合金構(gòu)成用在缸體、和缸蓋還有飛輪變速箱等主要部件。耐磨的合金鑄鐵高磷鑄鐵用在汽缸套上。塑料主要用在內(nèi)飾和應(yīng)力較小的部件如儀表系統(tǒng)部件、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部件等。纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料主要用在彈簧懸架、保險(xiǎn)杠、車輪、各種罩子和保護(hù)架等。橡膠主要是用在輪胎上，少部分用于座墊。陶瓷材料主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，以及一些傳感器等。以下理出起主要用途：汽車材料應(yīng)用部件1）缸體和缸蓋缸缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架和外殼，在缸體內(nèi)外安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件。缸體在工作中承受氣壓力的拉伸和氣壓力與慣性力聯(lián)合作用下的傾覆力矩的扭轉(zhuǎn)和彎曲以及螺栓預(yù)緊力的綜合作用。在這些大小、方向變化的力和力矩作用下，使機(jī)體產(chǎn)生橫向和縱向的變形，變形超過許用值使將影響與機(jī)座相聯(lián)零部件的可靠性和工作能力，尤其是活塞、連桿和等零件的工作可靠性和耐磨性會(huì)受到嚴(yán)重影響，并導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。因此缸體材料必須滿足下列要求：（1）有足夠的強(qiáng)度和剛度。特別是要有足夠的剛度，以減小變形，保證尺寸的穩(wěn)定造性（2）良好的鑄造性和和切削性。（3）價(jià)格低廉。缸體常用的材料有灰鐵和鋁合金兩種。鋁合金的密度小，但鋼度差、強(qiáng)度低及價(jià)格貴。所以除了某些發(fā)動(dòng)機(jī)為減輕重量而采用外，一般均用灰鑄鐵作為鋼體材料。灰口鑄鐵在汽車上應(yīng)用較為廣泛，還可用以制造飛輪、飛輪殼、變速箱殼及蓋、離合器殼及壓板、進(jìn)排氣支管、制動(dòng)鼓以及液壓制動(dòng)總泵和分泵的缸體等。缸蓋只要用來封閉氣缸構(gòu)成燃燒室。缸蓋承受燃?xì)獾母邷?、高壓作用，機(jī)械負(fù)荷（如氣壓力使缸蓋承受彎曲，缸蓋螺栓的預(yù)緊力等）和熱負(fù)荷的作用。由于溫度高、形狀復(fù)雜、受熱不均勻使使缸蓋上的熱應(yīng)力很大，嚴(yán)重時(shí)可造成缸蓋甚至出現(xiàn)裂紋。根據(jù)上述工作條件，缸蓋應(yīng)用導(dǎo)熱性好、高溫機(jī)械強(qiáng)度高、能承受反復(fù)熱應(yīng)力、鑄造性能良好的材料來制造。目前使用的缸蓋材料有兩種：一是灰鑄鐵或合金鑄鐵；另一種是鋁合金。鑄鐵缸蓋具有高溫強(qiáng)度高、鑄造性能好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，但是導(dǎo)熱性差、重量大。鋁合金缸蓋的主要優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好、重量輕，但是高溫強(qiáng)度低，使用中容易變形、成本較高。2）缸套發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)是在氣缸內(nèi)完成的。氣缸內(nèi)與活塞接觸的內(nèi)壁面，由于直接承受燃?xì)獾臎_刷，并與活塞存在著具有一定壓力的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使氣缸內(nèi)壁受到強(qiáng)烈的摩擦，造成磨損。氣缸內(nèi)壁的過量磨損是造成發(fā)動(dòng)機(jī)大修的主要原因之一，根據(jù)氣缸內(nèi)壁工作條件的這一特殊性應(yīng)選用相應(yīng)的材料，即缸體用普通鑄鐵或鋁合金，而氣缸工作面則用耐磨材料，制成缸套鑲?cè)霘飧?。常用缸套材料為耐磨合金鑄鐵，主要有高磷鑄鐵、硼鑄鐵、合金鑄鐵等。為了提高缸的耐磨性，可以用鍍鉻、表面淬火、噴鍍金屬鉬或其他耐磨合金等辦法對(duì)缸套進(jìn)行表面處理。3）汽車用塑料塑料在汽車中的應(yīng)用發(fā)展很快，從機(jī)械、熱應(yīng)力較小的內(nèi)飾件和小機(jī)件，發(fā)展到大型結(jié)構(gòu)件，如車身、車架懸掛彈簧等，從20世紀(jì)80年代以來已逐步發(fā)到進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，用于制造連桿、活塞銷、進(jìn)氣門等配件。用塑料取代金屬制造汽車配件，可以直接取得汽車輕量化的效果，還可以改善汽車的某些性能，如防腐、防銹蝕、減振、抑制噪聲、耐磨等。a.汽車內(nèi)飾用塑料用于汽車內(nèi)飾件的材料要求具備吸振性能好、手感好、耐磨性好的特點(diǎn)，以滿足安全、舒適、美觀的目的。在20世紀(jì)80年代塑料已是汽車的主要內(nèi)飾材料。內(nèi)飾用主要材料品種為聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）和ABS等年。內(nèi)飾塑料制品，主要有：座墊、儀表板、扶手、頭枕、門內(nèi)襯板、頂棚襯里、地毯、控制箱、轉(zhuǎn)向盤等。（1）聚氨酯泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐油、耐寒、防振和隔音等特點(diǎn)，成為汽車的一種主要內(nèi)飾材料。聚氨酯泡沫塑料在汽車上一般用于制造汽車坐墊、汽車儀表板、扶手、枕頭等。其緩沖材料大部分都使用半硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料制品。（2）聚氨酯塑料聚氨酯除了用作泡沫塑料外，還可以采用不同配方制成熱塑料型聚氨酯塑料。主要用于制造汽車保險(xiǎn)杠、儀表板、擋泥板、前端部、發(fā)動(dòng)機(jī)等。（3）聚氯乙烯其在汽車上的用量約占汽車用塑料總量的20％～30％，主要用于制造各種表皮材料和電線包皮。如：聚氯乙烯人造革用于汽車坐墊、車門內(nèi)板及其他裝飾覆蓋件上。聚氯乙烯地毯用于貨車駕駛室等。b.汽車用工程塑料工程塑料在汽車上主要用作結(jié)構(gòu)件，要求塑料具有足夠的溫度－強(qiáng)度特征和溫度－蠕變特征以及尺寸穩(wěn)定性。工程塑料是能夠滿足這些技術(shù)要求的。汽車上常用的工程塑料有聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚炭酸酯、酚醛樹脂等。（1）聚丙烯一輛汽車的聚丙烯零件可達(dá)70多種，主要用于通風(fēng)采暖系、發(fā)動(dòng)機(jī)的某些配件以及外裝件，如汽車轉(zhuǎn)向盤、儀表板、前、后保險(xiǎn)杠、加速踏板、蓄電池殼、空氣濾清器、冷卻風(fēng)扇、風(fēng)扇護(hù)罩、散熱器格柵、轉(zhuǎn)向機(jī)套管、分電器蓋、燈殼、電線覆皮等。（2）聚乙烯在汽車上，乙烯可用于制造汽油箱、擋泥板、轉(zhuǎn)向盤、各種液體儲(chǔ)蓄罐以及襯板。聚乙烯在汽車上最重要的用途是制造汽油箱，較金屬油箱具有以下優(yōu)點(diǎn)：聚乙烯油箱長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好；沖撞時(shí)不發(fā)生火花，因此不會(huì)發(fā)生燃燒爆炸；設(shè)計(jì)自由度大，可充分利用空間；質(zhì)量輕，較金屬油箱可減輕質(zhì)量1／3～1／2；耐腐蝕性好；成型工藝簡(jiǎn)單，價(jià)廉。（3）聚苯乙烯聚苯乙烯在汽車上主要用作各種儀表外殼、燈罩及電器零件。（4）ABS根據(jù)使用性能的要求，通過改變ABS中三個(gè)單體組分的變化，以及引入第四章組分等方式，可獲得許多新品種，如一般用品種、電鍍用品種、耐熱品種、透明品種等?？梢哉f，在熱塑性塑料中ABS的品種牌號(hào)最多。ABS具有良好的機(jī)械性能，剛性好，耐寒性強(qiáng)，加工性能好，表面光潔，制品表面可以電鍍。（5）聚酰胺（尼龍）尼龍可用于制造燃油濾清器、空氣濾清器、機(jī)油濾清器、正時(shí)齒輪、水泵殼、水泵葉輪。風(fēng)扇、制動(dòng)液灌、動(dòng)力轉(zhuǎn)向液灌、雨刷器齒輪、前大燈殼、百葉窗、軸承保險(xiǎn)架、保險(xiǎn)絲盒、宿舍、速度表齒輪等。以后發(fā)展的還有玻璃纖維強(qiáng)尼龍制造的發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂罩、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油盤、散熱器水箱、蓄電池拖架等。尼龍11和尼龍12可制造曲軸箱通風(fēng)軟管、制動(dòng)軟管、冷卻液軟管、離合器液壓軟管、燃油軟管等。（6）聚甲醛（POM）用POM制造的汽車零件很多，主要有各種閥門，如排水閥門、空調(diào)器閥門；各種葉輪，如水泵葉輪、暖風(fēng)器葉輪、油泵葉輪；軸套及襯套如行星齒輪和半軸墊片、鋼板彈簧吊銷等。在60年代發(fā)展起來的聚甲醛鋼背副戶材料（DX），作為預(yù)潤(rùn)滑材料，在汽車上用作滑動(dòng)軸承材料。（7）飽和聚酯汽車上常用的飽和聚酯有PBT（對(duì)苯二甲酸丁二醇酯）和PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）。PBT與PET耐熱性較好，吸水率很小、耐老化性優(yōu)良。用玻璃纖維增強(qiáng)的PBT與PET可與尼龍、POM、酚醛塑料相競(jìng)爭(zhēng)。用PET制造的汽車零件主要有：后窗通風(fēng)格柵、車尾板通風(fēng)格柵、前擋泥板延伸部分、燈座、車牌支架等車身部分，分電器蓋、點(diǎn)火線圈架、開關(guān)、插座等電器零件，冷卻風(fēng)扇、雨刷器桿、油泵葉輪和殼體、鏡架、各種手柄等機(jī)能結(jié)構(gòu)件。4)汽車外裝及結(jié)構(gòu)件用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料統(tǒng)稱為FRP，是一種纖維和塑料復(fù)合而成的材料。增強(qiáng)用的纖維為玻璃纖維、碳纖維和高強(qiáng)度合成纖維。母體樹脂根據(jù)使用要求，可用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯等。汽車上常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復(fù)合材料。FRP作為汽車用材料具有材質(zhì)請(qǐng)、設(shè)計(jì)靈活、便于一體成型、耐腐蝕、耐化學(xué)藥品、耐沖擊、著色方便等優(yōu)點(diǎn)，但在這種材料用于大批量汽車生產(chǎn)時(shí)，與金屬材料比較還存在著生產(chǎn)效率低、可靠性差、表面加工差、材料回收困難等方面的問題。FRP材料可用于制造汽車頂棚、空氣導(dǎo)流板、前端部、前燈殼、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、擋泥板、后端板、三角窗框、外板等外裝件。用碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制成的汽車零件，還有傳動(dòng)軸、懸掛彈簧、保險(xiǎn)杠、車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)、車門、座椅骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、格柵、車架等。5)汽車用橡膠橡膠具有很好的彈性，是汽車用的一種重要材料。一輛轎車的橡膠件約占轎車整備質(zhì)量的4％～5％。輪胎是汽車的主要橡膠件，此外還有各種橡膠軟管、密封件、減振墊等約300件。輪胎的主要材料有生膠（包括天然橡膠、合成橡膠=再生膠）、骨架材料即纖維材料（包括棉纖維、人造絲、尼龍、聚酯、玻璃纖維、鋼絲等）以及碳黑等。生膠是輪胎最重要的原材料，輪胎用的生膠約占全部原材料質(zhì)量的50％。目前，轎車輪胎以合成橡膠為主，而載重輪胎以天然相交為主。天然橡膠在許多性能方面優(yōu)于通用型合成橡膠，起主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、彈性高，生熱和滯后損失小，耐撕裂，以及有良好的工藝性、內(nèi)聚性和黏著性。用它制成的輪胎耐辭扎，特別對(duì)使用條件苛刻的輪胎，起胎面上層膠大多完全采用天然橡膠。丁苯橡膠主要用于轎車輪胎，以提高輪胎的抗?jié)窕裕ＷC行車安全。順丁橡膠一般都與天然橡膠貨丁苯橡膠并用。隨著順丁橡膠摻用量的增加，耐磨性提高，生熱降低，但抗撕裂和抗?jié)窕詤s隨之降低，為保證行車安全，它的摻用量不宜太高。丁基橡膠是一種特殊合成橡膠。具有優(yōu)良的氣密性和耐老化性。用它制造的內(nèi)胎，氣密性比天然橡膠內(nèi)胎好。出于氣密性好，使用中不必經(jīng)常充氣，輪胎使用壽命相應(yīng)提高。它又是無內(nèi)輪胎密封層的最好材料。6)汽車用陶瓷材料陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕以及在導(dǎo)電與介電方面的特殊性能。利用陶瓷材料制作某些汽車部件，可改善汽車部件的運(yùn)行特征達(dá)到汽車輕量化的效果，因而得到了一定程度的應(yīng)用。這里主要介紹陶瓷材料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上應(yīng)用的情況。日本汽車公司在重型載貨汽車用柴油機(jī)（排量1.5升）的基礎(chǔ)上開發(fā)了陶瓷復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使功率提高10％，燃料消耗率降低30％。日本五十鈴發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)研制的陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，采用Si3N4制造氣閥頭、活塞頂、汽缸套、歧管、蝸輪增壓器葉片、轉(zhuǎn)子、軸承等，能經(jīng)受1200℃高溫，取消了散熱器和冷卻裝置，起熱效率提高48％。美國(guó)通用汽車公司在其所制成的2.3升柴油機(jī)上，采用陶瓷鋼套、氣門頭、燃燒室、排氣門通道、氣缸蓋、活塞頂以及用陶瓷涂鍍的氣門搖臂、氣門挺桿、氣門導(dǎo)管和滑動(dòng)軸承，并已經(jīng)在轎車上作了20290km路試。用Si3N4陶瓷制造的蝸輪葉輪，其熱膨脹系數(shù)是金屬的1／3，利用這一特點(diǎn)，采用熱壓肯和釬焊相結(jié)合的方法把陶瓷葉輪和金屬軸連接起來，使陶瓷葉輪的慣性力矩比金屬葉輪減少了1／3使渦輪增壓器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性提高36%。此外，為了有效地利用陶瓷的耐磨性，開發(fā)了陶瓷凸輪軸和陶瓷搖臂鑲塊。陶瓷凸輪軸的滑動(dòng)部位采用ZrO2或Sic，其他部位用金屬管制成。陶瓷部位與金屬部位的結(jié)合采用硬釬焊和擴(kuò)散法。凸輪接觸面部位融接陶瓷片的鋁搖臂，大大提高了搖臂壽命。陶瓷片是用微米級(jí)的Si3N4粉未在1500℃的高溫下燒結(jié)而成的。長(zhǎng)20mm,寬20mm,厚5mm的帶筋陶瓷片，其筋條插進(jìn)搖臂中。其澆注工藝是把陶瓷片放在搖臂鑄型中，然后澆入600℃鋁溶液，利用鋁的懷固緊鑲片。另外，利用陶瓷的絕緣性、介電性、壓電性等特性制作汽車陶瓷傳感器，已成為汽車電子化的重要方面。第四章、未來的汽車新材料1.碳纖維的大力應(yīng)用隨著現(xiàn)代汽車的不斷發(fā)展，未來汽車也會(huì)不斷地運(yùn)用一些新的材料，比如碳纖維，碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結(jié)構(gòu)組件時(shí)，往往利用其耐拉質(zhì)輕的優(yōu)勢(shì)而避免去做承受側(cè)面沖擊的部分一般。碳纖維的密度為1750kg/立方米，此密度廣泛被使用于大型飛機(jī)，例如空中客車的A350與A380，波音787均利用碳纖維復(fù)合材料來減輕耗油量。另外大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片，賽車、高端自行車的車身均為碳纖維復(fù)合材料需求量增加的重要因素。碳纖維布特點(diǎn)1)、強(qiáng)度極高，能靈活的用于抗彎、封閉箍和抗剪等加固，抗疲勞能力突出。2)、材料自重輕，厚度小，加固后基本不增加基體厚度。3)、具有良好的柔韌性，能包裹復(fù)雜外型的構(gòu)件，適用于各種構(gòu)件表面。但因?yàn)槠鋬r(jià)格不菲所以很少投入現(xiàn)代一般轎車的生產(chǎn)中，不過未來汽車的新材料將會(huì)大力應(yīng)用碳纖維。2.綠色工程材料鎂鎂，最輕的工程金屬材料，其密度僅為1.78g/cm3，是鋁的2/3、鋼的1/4。具有比重輕、比強(qiáng)度及比剛度高、阻尼性及切削加工性好、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)以及減振、降噪性好和易于回收等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足3C(計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子)產(chǎn)品輕、薄、小型化、高集成度以及環(huán)保方面的要求，同時(shí)也可以滿足航空、航天、現(xiàn)代汽車工業(yè)對(duì)減重、節(jié)能的要求。鎂合金也被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。3．綠色內(nèi)飾日本三菱公司與愛知工業(yè)技術(shù)研究所合作開發(fā)出了一種可以用于汽車內(nèi)飾材料的：綠色塑料“。這種塑料是利用植物性樹脂和竹纖維材料混合而成。用這種材料做成的部件將會(huì)使用在三菱預(yù)計(jì)將在明年發(fā)布的新款小型車上。三菱將這種材料成為”綠色塑料“，它具有低污染和高回收利用率的特點(diǎn)。三菱同時(shí)表示，未來將繼續(xù)開發(fā)這類不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染的新材料，并提高這些新材料的實(shí)用性。三菱選擇植物型樹脂和生長(zhǎng)迅速的竹纖維做基本原料主要是希望能最大限度的避免使用石化樹脂和樹木，這不但可以減少石油和森林資源的消耗，而且對(duì)于緩解目前的溫室效應(yīng)也有幫助。據(jù)測(cè)算，這種綠色塑料在制造及使用過程中產(chǎn)生的二氧化碳比石化材料少50%，而有機(jī)揮發(fā)物比木制品更能減少85%4.樹脂新材料日本一些材料制造公司為汽車企業(yè)開發(fā)出了樹脂車窗以及其他汽車樹脂部件。據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》網(wǎng)站報(bào)道，以材料巨頭旭化成和帝人公司為首的日本各大材料制造商為汽車研發(fā)的新型輕型樹脂材料將陸續(xù)開始批量生產(chǎn)。報(bào)道說，帝人公司從今年秋天開始將向歐洲市場(chǎng)提供可以取代車用玻璃的新型高強(qiáng)度透明樹脂。而旭化成公司用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)外圍的高強(qiáng)度樹脂也將于2009年4月1日投產(chǎn)。新研發(fā)的透明樹脂車窗，其堅(jiān)硬強(qiáng)度絲毫不比普通車用玻璃差，經(jīng)過特殊處理的透明樹脂車窗強(qiáng)度甚至要高于玻璃，而透明樹脂透光性也比玻璃更理想。同時(shí)，樹脂特有的延展性讓樹脂不易被擊碎，即使破裂也會(huì)整體粘連在一起。即使是樹脂碎片，其菱角的銳利程度也低于碎玻璃，這使透明樹脂車窗擁有更好的安全性。不僅如此，透明樹脂車窗的重量只有普通玻璃車窗的2/3到1/2，大大降低了整車質(zhì)量。如果說透明樹脂車窗讓人很容易理解和接受的話，高強(qiáng)度樹脂發(fā)動(dòng)機(jī)外殼就有點(diǎn)令人匪夷所思了。樹脂在高溫下經(jīng)過反復(fù)處理于冷卻，可形成不亞于鋼鐵硬度的高強(qiáng)度樹脂。用這類樹脂產(chǎn)品所制作的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)外殼部件