汽车中的复合材料

1、图一：汽车能耗与重量关系复合材料在汽车中的应用一、汽车用复合材料简洁概述随着全球能源危机、环境污染等问题的重视，汽车对于重量、噪声、耗油等方面的要求 的越来越高。另一方面，高档轿车的附加功能越来越多，又会增加轿车质量。汽车的轻量化 会可以降低油耗、节省能源、保护环境、改善汽车性能。图一展现了各类不同汽车的车重和 它们的百公里油耗比照状况。从图中可以看出汽车车重平均削减100kg,汽车的百公里油耗 削减0.7L。值得提示的是，汽车部件的能耗可以从三个方面考察：原材料能耗、加工能耗和 运载能耗，图一所示的只是运载能耗。汽车轻量化设计最有效的途径就是更 换新材料。在现代的众多材料之中，聚合物 基复合

2、材料具有比强度和比模量高、耐疲 惫、本钱低、减振和降噪性能良好、耐腐蚀 和尺寸稳定等优良性能，生产耗能只有钢材 的 50%-60%,是 Al、Mg 材料的 70%80%, 其实不仅是聚合物基复合材料具有以上几 点特点，用复合材料替代传统材料，普遍表 现出质量小、耐腐蚀、易修补、噪声小、燃 油消耗低、成型工艺便利、易回收采用，已 广泛应用与制造汽车车身、车门、发动机罩、 油底壳、保险杠、板弹簧和驱动轴等。例如: 美国的Pontiac Fiero轿车采纳纤维增加塑料 车身，车重削减了 80%o下面概述一下各种复合材料在汽车上 面的应用。金属基复合材料在汽车上的应用：目前应用与汽车工业的金属基复合材

3、料主要有AI或Mg基的颗粒或者短纤维增加的材 料，特点是：比强度和比刚度高，耐磨性好，导热性好，热膨胀系数低。金属基复合材料适 合制造汽车的制动器耐磨件，如制动盘等。现在的汽车制动盘大多采纳铸铁制造，但是用铝 基复合材料替代铸铁可以减重50%-60%,同时制动距离短，提高导热系数，制动过程中的大 量的热量能够散发出去，提高了抗热震性能。在反复连续制动的工况下外表温度基本维持在 450,而铸铁刹车盘外表温度高达700C,止匕外，摩擦系数更为稳定。金属基复合材料还广泛用于制造轻质连杆和活塞。如：四缸发动机具有良好的燃油经济 性能，但是当其排量大于2.0L时，做循环往复运动的连杆和活塞装配件将因平衡

4、不稳定产 生有危害性的振动附加力，用复合材料就能提高构件的刚度，解决这一问题。树脂基复合材料在汽车上面的应用：树脂基复合材料也称为纤维增加塑料，它以合成树脂伟基体，以纤维（玻璃纤维、碳纤 维、芳纶纤维等）为增加材料。玻璃钢是目前汽车上应用最多的树脂基复合材料，常见的有： 聚苯乙烯玻璃钢、尼龙玻璃钢、聚酯树脂玻璃钢等。碳纤维增加塑料是汽车轻量化最抱负的材料，用它替代钢可减重68%,减低油耗40%, 还有特别好的耐疲惫性能和耐久性。但是，它的本钱太高，目前不能实现批量生产。专家推 想，只有碳纤维的本钱降到6611美元/kg之间时，才有可能在汽车工业中推广使用。芳纶纤维增加的复合材料比强度、比模量很

5、高，广泛用于航空航天、舰船领域，同样由于价格太高，目前在汽车领域的应用很少。汽车的内部饰件等处，还可以采纳自然 纤维增 加的树脂基复合材料，加拿大的Motive工业公司甚至用大麻复合材料胜利制造了一个整车 车体，其强度相当于玻璃钢。下列图为局部自然 纤维的力学性能：表2局部天然纤维的力学性能纤维种类 模量/GPa强度/MPa断后延长率5密度/（g . cm*剑麻46700大麻26-30500900亚麻48-858002 000尊麻87 281 594 6422.110.81黄麻10254008001.00 2. 00玻纤 722 2001. 461.331. 481. 541. 502. 54

6、陶瓷基复合材料主要基体有：玻璃陶瓷、氧化铝、氮化硅等。基本的优点是：高温强度好、耐磨性好、 耐腐蚀性高、热膨胀系数低、隔热性能好和密度低。用结构陶瓷代替高强度合金制造的各类 发动机，可以将热效率提高一倍以上。活塞局部使用陶瓷材料，可以使得燃烧室中实现局部 隔热，减小冷却系统容量。“由于陶瓷材料质量较小，配气机构中的气门、挺柱、摇臂及弹 簧座改用陶瓷后，允许发动机以提高转速来提高功率，或者在转速不变的状况下降低气门弹 簧的弹力从而降低功率损耗。气门座、摇头臂等易磨损部件用陶瓷材料替代后，可以削减磨 损，延长使用寿命。此外，气门缸、活塞销以及排气管即可使用陶瓷制造。陶瓷发动机具有 质量小、无须润滑

7、和冷却水等优点，整机效率高，可节省30%的热能，而且工作效率比钢制 发动机提高了 45%以上二二、复合材料汽车刹车片刹车片材料主要经受了三个时期：自然 材料时期、合成材料时期、多种材料复合使用 阶段。最早使用的汽车制动材料是木材和皮革，明显这种材料无法满意人类对于速度的追求。 此时已经开头有人讨论制动摩擦材料，到1908年，石棉编制的石棉布开头应用与摩擦材料 之中。到20世纪30年月，石棉摩擦材料研制胜利，并主导了汽车制动材料50多年时间。石棉的特点：质轻，廉价，分散性好，摩擦损耗性能好，增加效果好等优点，曾被认为 是最正确的摩擦材料用增加纤维。但是石棉有两大缺点:第一，石棉材料的高温摩擦性能

8、不好， 主要是由于石棉在400将失去结晶水，550完全失去结晶水，同时失去弹性和强度。其 次，20世纪70年月左右，人们觉察，加工和制动的尘埃中细小的石棉纤维进入肺部，会引 起石棉肺，还会导致肺癌。世界各国开头禁止石棉摩擦材料的使用，并开头各种替代材料的 讨论。消失了多种替代材料，包括：半金属摩擦材料、烧结摩擦材料、使用纤维增加或聚合 物粘结摩擦材料、混杂纤维摩擦材料、陶瓷型材料。半金属摩擦材料是以金属纤维（钢纤维、铜纤维）代替石棉纤维，以树脂或其改性物作 为粘结剂，加入各种摩擦性能调整剂制备而成。它的一般成分为粘结剂（酚醛系列树脂）占 515%,铁、铜及其合金的纤维和粉末占4070%,石墨等

9、减磨剂占1020%,其余为橡胶粉、 腰果油等增磨剂及一些调整性能的填料。半金属摩擦材料是一种性能优良的摩擦材料，它具有以下性能特点（1）摩擦系数在400以下特别稳定，热衰退率小，热稳定性好。（2）耐磨性好，使用寿命比石棉摩擦材料提高了 35倍。（3）摩擦接触面上比压上升时，摩擦系数变化小，较高负荷下有良好的摩擦性能。（4）优良的能量汲取性能可使制动器和离合器尺寸缩小。（5）制动噪音小。（6）导热性能好，能改善摩擦面的温度环境。（7）对环境污染小。半金属材料的这些特点使它成为一类具有广泛进展前景的摩擦材料，但是也存在一些缺 陷，主要表现为：（1）钢纤维简洁生锈，锈蚀后或者粘着对偶或者损伤对偶，使

10、摩擦材料强度降低、磨 损加剧，同时钢纤维的含量越高，越易于刮伤对偶，加速对偶磨损。对此，国外有些专利介 绍加入锌或锌的化合物、CFaZ或用某些树脂涂覆钢纤维等可以起到防锈的效果。（2）由于热传导率高，当摩擦温度高于300C时，使摩擦界面间的树脂粘结剂易于发 生分解，加上大的温度梯度引起热应力甚至消失剥离现象，同时高的摩擦热传到制动器液压 机构，引起密封圈软化和制动液发生气阻而造成制动失灵；（3）易产生低频噪声陶瓷型刹车片材料：陶瓷摩擦材料在汽车领域的应用仍处于起步阶段，仅限于一级方程式赛车和高级跑车上 面，但是其进展潜力不行估量。陶瓷制动材料具有质量小、耐磨损、耐高温、抗热衰退力量 强等优点，

11、被誉为“一种具有革命性意义的制动系统”。陶瓷基制动材料的摩擦系数比铸铁高25%左右，在紧急制动时无需额外制动帮助技术, 单靠制动器便能快速供应充分的制动力。陶瓷制动器采纳六活塞的制动卡钳，在活塞与制动 片之间，装有陶瓷隔热体，用以防止制动时产生的高热传入液压组件和制动液，这套刹车系 统可以在800高温下正常工作。在制动测试中，连续25次从272 km/h减速至Io。km/h,在第11次测试时，摩擦力依 旧维持在峰值的90%左右，这样的抗衰退力量是一般制动材料无法比较的。这种制动材料是 将炭纤维增加树脂基复合材料经炭化制得CC多孔体，再依据C-Si之间良好的润湿性， 在1420进行熔融渗硅，最终

12、制备出C/CSiC复合材料。刹车片用聚合物基复合摩擦材料：（1）基体树脂主要使用酚醛树脂，主要是考虑其良好的抗压强度、耐溶剂性、不易燃，缺陷也有，包 括：硬度高、脆性、耐热性缺乏等等，因此改性酚醛树脂称为重要的手段。改性的手段一般 有两种：封锁酚羟基和引入其他组分。有机物改性：聚乙烯醇缩醛改性、二甲苯改性、环氧树脂改性、腰果壳油改性、芳烷基醛改性、有机 硅改性、桐油改性、亚麻油改性、苯并嗯嗪改性、橡胶改性。无机物改性：M。改性：采用M。的氧化物、氯化物、酸同苯酚、甲醛反响制备铝改性酚醛树脂，主 要是用O-Mo-O连接了不同的酚基团，由于键能比C-C键大许多，因此提高酚醛树脂的热 分解温度。例如

13、：在反响釜中加入肯定比例的苯酚、甲醛、铝改性剂，酸性条件下加热搅拌 24h, 0.08MPa真空下脱水值得的酚醛树脂热分解温度可达534.8。B改性：先用硼酸与苯酚反响，生成硼酸酯混合物，再与甲醛反响。在分子结构中引入了 B-0 键，键能也比CC键大许多，提高了耐热性。同时，B0键增大了枝化程度，高温烧蚀时 可以生成坚硬、高熔点的碳化硼，碳化硼成蜂窝状，利于散热，所以还可以提高耐热性能。 B改性的酚醛树脂分解温度可以提高130-160o纳米改性：可对酚醛树脂的强度、硬度、韧性、耐磨和耐腐蚀性都有效果共混分散法：将纳米粉体直接加入酚醛树脂中，二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化锌插层复合法：先将聚合

14、物单体分散到层状的硅酸盐片层中，原位聚合，采用聚合放出的 大量热量，克服硅酸盐片层间的库仑力，剥离成纳米级的结构单元，并匀称分散在基体中， 实现高分子与粘土在纳米尺度上的复合。复合改性：就是用上述几种方法同时改性，以获得多方面的性能改善。(2)增加体已开发的替代纤维有：钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维。几种纤维的力学性能 比较见下表：表5.1石棉与几种代用纤维的性能比较纤维种类一密度/(g/cn?)抗伸强度/GP拉伸模量/GP1断裂伸长率/%与树脂浸润性一石棉纤维2.50. 60.8150-1702.3优钢纤维7. 861.772001.8中E-玻璃纤维2. 504.6865.2良K

15、evlar纤维1.442. 67588.0中沥青基碳纤维2.002.083503.。7.0差(3)填料填料分为三类：增摩类填料，减摩类填料，有机类填料。主要作用有：改善制品的摩擦 损耗性能，提高加工性能和工艺性能，掌握热膨胀系数、收缩率等等。增摩类填料：主要作用是增加摩擦系数，但为了防止摩擦系数太大损坏设施，同时削减噪声，对于摩 擦系数超过5的材料应严格掌握用量，常用的材料有：碳酸钙、重晶石等。减摩类填料：所用材料的莫氏硬度一般小于3,主要是降低摩擦系数，提高摩擦稳定性，削减噪声等， 最常用的就是石墨。有机类填料：有机类填料可以降低硬度和模量，增加柔韧性，削减噪声，但是用量不宜过多，由于他 它们的耐热温度都不高，易受热分解等，较为经济适用的材料是橡胶粉，也有其他材料，但 是橡胶粉本钱很低，所以用量最大。生产工艺湿法工艺：湿法工艺用的就是液态树脂，包括浸渍法和直接混合法。当增加体是连续纤 维时，用浸渍法即用液态树脂浸渍到增加体上。增加体是短纤维时，采纳直接混合注塑。湿 法工艺耗时长，效率低，流淌性不好，影响制品的外观。湿法的机械强度和摩擦性能都没有 干法工艺好。干法工艺：干态基体粘结剂是粉状树脂，目前应用最广泛，其优点是：制得的是粉体, 工