汽車機(jī)械基礎(chǔ)（第2版）課件：汽車常用非金屬材料

《汽車機(jī)械基礎(chǔ)》

汽車常用非金屬材料【本章內(nèi)容】4.1工程材料的性能及其在汽車中的應(yīng)用4.2其他非金屬與材料及其在汽車中的應(yīng)用4.1工程材料的性能及其在汽車中的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)：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(yīng)用；

3.熟悉符合材料的種類、特性及應(yīng)用。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(jī)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(fù)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(qiáng)度、韌性和耐磨性較好的，具有價(jià)廉、耐蝕、降噪、美觀、質(zhì)輕等特點(diǎn)，可用于汽車保險(xiǎn)杠、汽車內(nèi)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(qiáng)度的高分子材料，如尼龍、聚酯等，用于汽車坐墊、安全帶、內(nèi)飾件等。橡膠具有高的彈性和回彈性，一定的強(qiáng)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(diǎn)，用于制造汽車的輪胎、內(nèi)胎、防振橡膠、軟管、密封帶、傳動(dòng)帶等零部件。一、工程塑料的性能及在汽車中的應(yīng)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(zhì)輕、比強(qiáng)度高。化學(xué)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(shí)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(shù)塑料只能在100℃左右使用，少數(shù)品種可在200℃左右使用；易老化，導(dǎo)熱性差，約為金屬的1／500；熱膨脹系數(shù)大，約為金屬的3至10倍。2、主要熱塑性塑料的性能及應(yīng)用材料名稱特征應(yīng)用情況優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)聚丙烯塑料（PP）1.剛硬有韌性?？箯潖?qiáng)度高，抗疲勞、抗應(yīng)力開裂2.質(zhì)輕3.在高溫下仍保持其力學(xué)性能1.在00C以下易變脆2.耐候性差主要用于通風(fēng)采暖系，發(fā)動(dòng)機(jī)的某些配件以及外裝件，汽車轉(zhuǎn)向盤，儀表板，前、后保險(xiǎn)杠，加速踏板，蓄電池殼，空氣過濾器，冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇護(hù)罩，散熱器隔柵，轉(zhuǎn)向機(jī)套管，分電器蓋，燈殼，電線覆皮等。聚氨酯（PU）耐化學(xué)腐蝕性好、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度高、壓縮變形小、回彈性好由于添加增塑劑之類非反應(yīng)性助劑，產(chǎn)品經(jīng)過一定的使用時(shí)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(xiǎn)杠、擋泥板、前端部、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等大型部件。聚氯乙烯塑料（PVC）耐化學(xué)腐蝕性好，難燃自熄，耐磨，消聲減震，強(qiáng)度較高，價(jià)廉熱穩(wěn)定性差，變形后不能完全復(fù)原，低溫下變硬用于汽車座墊、車門內(nèi)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(jī)溶劑3.介電性能很好4.成本低，成型加工方便1.膠結(jié)和印刷困難；2.自熄性差用于制造汽車油箱、擋泥板、轉(zhuǎn)向盤、各種液體儲(chǔ)罐、車廂內(nèi)飾件以及襯板等。ABS樹脂（ABS）1.力學(xué)性能和熱性能均好，硬度高，表面易鍍金屬2.耐疲勞和抗應(yīng)力開裂、沖擊強(qiáng)度高3.耐酸堿等化學(xué)腐蝕4.價(jià)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(hù)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(xué)性極好，耐候性好，能耐紫外線和耐日光老化比無機(jī)玻璃易劃傷，不耐有機(jī)溶劑燈玻璃類。聚酰胺（PA）高強(qiáng)度和良好的沖擊強(qiáng)度；耐蠕變性好和疲勞強(qiáng)度高；耐石油、潤(rùn)滑油和許多化學(xué)溶劑與試劑；耐磨性好吸水性大，在干燥環(huán)境下沖擊強(qiáng)度降低用于制造燃燒油過濾器、空氣過濾器、機(jī)油過濾器、水泵殼、水泵葉輪、風(fēng)扇、制動(dòng)液罐、動(dòng)力轉(zhuǎn)向液罐、白葉窗等。聚甲醛（POM）抗拉強(qiáng)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(shù)小；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(diào)器閥門等）、各種葉輪（水泵葉輪、暖風(fēng)器葉輪、油泵輪等）、各種電器開關(guān)及電器儀表上的小齒輪、各種手柄及門銷等。4.2其他非金屬材料及在汽車中的應(yīng)用一、橡膠材料橡膠是一種有機(jī)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(zhǎng)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(shí)不會(huì)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(yīng)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(rùn)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(yīng)用陶瓷是所有無機(jī)非金屬材料的簡(jiǎn)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(diǎn)，決定了它具有杰出的耐熱性。（3）高化學(xué)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(chǎn)物，如粘土、長(zhǎng)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(dú)特的性能，能滿足工程結(jié)構(gòu)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(yīng)用

柴油機(jī)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(jī)中采用新型陶瓷渦輪增壓器，正進(jìn)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(fù)合材料及其在汽車中的應(yīng)用復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種固體材料。復(fù)合材料綜合了各組成材料的優(yōu)點(diǎn)，且具有單一材料無法達(dá)到的優(yōu)良綜合機(jī)械性能。1.復(fù)合材料的分類（1）按用途：復(fù)合材料按用途可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要用于制作承力結(jié)構(gòu)。功能復(fù)合材料指具有除力學(xué)性能以外其他物理性能的復(fù)合材料，即具有各種電學(xué)性能、磁學(xué)性能、光學(xué)性能、聲學(xué)性能、摩擦性能、阻尼性能以及化學(xué)分離性能等的復(fù)合材料。（2）按基體材料類型分：復(fù)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(fù)合材料、鐵基復(fù)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(qiáng)材料種類分：按增強(qiáng)材料種類復(fù)合材料分為玻璃纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料、金屬纖維材料、陶瓷纖維復(fù)合材料。（4）按增強(qiáng)材料形態(tài)分：按增強(qiáng)材料的形態(tài)不同分為連續(xù)纖維復(fù)合材料、短纖維復(fù)合材料、粒狀填料復(fù)合材料和編織復(fù)合材料。2.復(fù)合材料的性能（1）比強(qiáng)度和比剛度較高。（2）力學(xué)性能可以設(shè)計(jì)，便于實(shí)現(xiàn)具有最佳性價(jià)比的汽車構(gòu)件的開發(fā)和制造。（3）抗疲勞性能好。復(fù)合材料疲勞斷裂是從基體開始的，逐漸擴(kuò)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(qiáng)復(fù)合材料的基體中有成千上萬根獨(dú)立的纖維，構(gòu)件超載時(shí)，少量纖維斷裂不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件短時(shí)間內(nèi)喪失承載能力。（6）成型工藝簡(jiǎn)單，成型固化后殘余應(yīng)力小。3.汽車常用復(fù)合材料（1）纖維增強(qiáng)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(jī)物微球。碳纖維增強(qiáng)塑料玻璃纖維增強(qiáng)塑料陶瓷短纖維增強(qiáng)塑料①碳纖維增強(qiáng)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(hù)柵、帶加強(qiáng)筋的發(fā)動(dòng)機(jī)罩、配電盤、車頂蓋、保險(xiǎn)杠等。②玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）。GFRP俗稱玻璃鋼，是一種以玻璃纖維為增強(qiáng)不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂為基體材料的復(fù)合材料。汽車中利用GFRP制作的零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋、軸承、齒輪、儀表盤、前后車燈、空氣調(diào)節(jié)器葉片等。2.金屬基復(fù)合材料（MMC）金屬基復(fù)合材料是以陶瓷（連續(xù)長(zhǎng)纖維、短纖維、晶須及顆粒）為增強(qiáng)材料，金屬（如鋁、鎂、鈦、鎳、鐵、桐等）為基體材料而制備的。應(yīng)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。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(jīng)拉制或壓制而成的。汽車玻璃是汽車的車身附件，起到防護(hù)作用。汽車玻璃是由玻璃原片經(jīng)過二次加工而成的。汽車的玻璃都是安全玻璃，其可見性、強(qiáng)度和耐磨性等由相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)的高分子材料）。當(dāng)玻璃碎裂時(shí)，PVB膠片會(huì)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(jī)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(shí)進(jìn)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(shí)，不會(huì)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(shí)會(huì)化為一堆碎末兒，像瀑布一般瀉落，阻斷司機(jī)的視線，不利于應(yīng)急處理情況，因此不宜作前風(fēng)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(shí)，有的部分碎片大，有的部分碎片小。用它作汽車的前風(fēng)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(nèi)部充有干燥劑的空心鋁管等隔離，同時(shí)中空部分充入干燥空氣或惰性氣體，并進(jìn)行密封處理的一種特殊玻璃。是一種隔熱、隔音的新產(chǎn)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(yīng)用于高檔客車的側(cè)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(jīng)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(wǎng)板印刷制法將導(dǎo)電性膠印制在玻璃上，在玻璃加熱成型時(shí)黏附，印刷電路可加熱玻璃起到除霜作用。（4）調(diào)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(shí)現(xiàn)遮擋太陽能、適當(dāng)?shù)夭晒?、隱蔽保護(hù)等功能。典型的調(diào)光玻璃有鍍鉻