汽车常用非金属材料

第五章汽车常用非金属材料第一页，共四十六页。第五章汽车常用非金属材料 在制造汽车的过程中，除大量使用金属材料外，还大量使用非金属材料，如轮胎、传动带、风窗玻璃、后视镜玻璃、制动摩擦片、保险杠、转向盘、仪表板壳、连接软管、火花塞、温度传感器等都是用非金属材料制成的。非金属材料以其优良的性能，原料来源丰富，加工简便，而被广泛使用。 非金属材料的种类很多，本章主要介绍橡胶、玻璃、摩擦材料、塑料、陶瓷材料等非金属材料的基本知识及其在汽车上的应用。

第二页，共四十六页。§5-1橡胶 橡胶是一种有机高分子弹性化合物。汽车上有许多零部件都是用橡胶制成的，如轮胎、风扇传动带、缓冲垫、油封、制动皮碗、门窗密封胶带、各种胶管等。汽车用橡胶零部件对汽车的防振、减噪、提高车辆的行驶稳定性和乘坐舒适性等起着很大作用。第三页，共四十六页。 一、橡胶的基本性能

1、极高的弹性

2、良好的热可塑性

3、良好的黏着性

4、良好的绝缘性 橡胶的缺点是易老化。所谓橡胶老化是指，橡胶在储存和使用的中，随着时间的增加，其弹性、硬度、抗溶胀性及绝缘性发生变化，而出现变色、发粘或变硬、变脆龟裂，最后不能使用的现象。 引起橡胶老化的主要原因有空气中氧、臭氧的氧化以及光照（尤其是紫外线照射）、温度的作用和机械变形而产生的疲劳等。因此，在使用过程中，为防止橡胶老化，延长其使用寿命，应避免与酸、碱、油类等放在一起，也不能用开水长时间浸泡，更不能用火烤或在阳光下暴晒。第四页，共四十六页。 二、橡胶的组成 生胶是橡胶的工业的主要原料，按其来源可分为天然橡胶和合成橡胶两种。 （1）天然橡胶 天然橡胶是应用最广泛的橡胶，它是从橡胶树上采集的乳白色胶乳，经凝固、干燥、加压等工序而制成的一种高弹性天然高分子化合物。其成分中91％～94％为橡胶烃（聚异戊二烯），分子式是（C5H8）n，其余为蛋白质、脂肪酸、灰分、糖类等非橡胶物质。经加工后的天然橡胶不再为乳白色的粘液，而是成片状固体。第五页，共四十六页。二、橡胶的组成二、橡胶的组成 合成橡胶又叫人工橡胶，它是由丁二烯、异丁烯、乙烯、丙烯、苯乙烯、异戊二烯、氯丁二烯和丙烯腈等低分子化合物，经过一系列复杂的化学反应制成的高弹性聚合物。这些低分子材料主要来自煤、石油和天然气。 按合成橡胶的实际应用及其使用特性，可分为通用型橡胶和特种橡胶两大类。

第六页，共四十六页。2、配合剂 虽然生胶具有极其宝贵的高弹性和其他一系列优良性能，但生胶本身在性能上存在许多缺点，单纯使用生胶并不能制得适合于各种作用要求的橡胶制品。配合剂的加入能改善生胶性能并降低成本，得到符合实际使用要求的橡胶制品。

硫化剂防老剂补强填充剂软化剂第七页，共四十六页。 三、橡胶在汽车中的应用橡胶在汽车上用量最大的制品是轮胎，此外还广泛应用于各种胶带、胶管、减震配件以及耐油配件等。第八页，共四十六页。 三、橡胶在汽车中的应用第九页，共四十六页。第十页，共四十六页。 三、橡胶在汽车中的应用第十一页，共四十六页。§5—2玻璃玻璃是构成汽车外形的重要材料之一（如图5-2-1），它具有刚度高、透光性好、隔音及保温效果好等优点。为保证驾驶员有良好的可见性，已经经历了由平板型向曲面型、普通型向强化型、全钢化向局部钢化、钢化玻璃向夹层玻璃、三层夹层向多层夹层、功能化玻璃等发展的过程。第十二页，共四十六页。 一、玻璃的基本性能 玻璃是一种较为透明的固体物质，它是以石英砂、纯碱、长石、石灰石等为主要原料，在高温熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料，其主要成分是二氧化硅（sio2）。

1、强度

2、硬度

3、光学性质

4、电学性能

5、热性质

6、化学稳定性第十三页，共四十六页。 二、车用安全玻璃 汽车在它的前后风挡、侧窗、反光镜、灯具等部位采用了玻璃，除去一些与安全关系不大的极少部位采用的是浮法玻璃（它是在锡槽里，玻璃浮在锡液的表面上制出来的）外，汽车上其他部位都采用了安全玻璃。 安全玻璃分为钢化玻璃、区域钢化玻璃、夹层玻璃和中空玻璃。第十四页，共四十六页。1、钢化玻璃 简单的来说，把普通玻璃加热至其软化点附近（约600℃）时，向其均匀地吹入常温的空气使其迅速冷却后即生产出钢化玻璃。 普通的浮法玻璃经加热后再急速冷却处理，使玻璃晶相组织间形成残余应力，这样不仅增加了玻璃的强度（在不经热处理的情况下，比普通玻璃增强3~5倍），而且当遇到有破坏性的外力冲击和造成玻璃破裂时，在残余应力的作用下玻璃迅速形成雪崩样的小碎粒，而不会形成锋利的刀口而伤人，故主要用于挡风玻璃。 但单纯的钢化玻璃由于制作时应力大，容易产生“自爆”,整块玻璃呈稠密网状裂纹全面破碎，在行驶中严重影响视线，引起安全事故（二次事故），故不用于前挡风玻璃，而主要用于侧窗和后挡玻璃。第十五页，共四十六页。

2、区域钢化玻璃 为了弥补上述钢化玻璃的缺陷，采用特殊的热处理方式，在驾驶员的视野范围内加大碎片，以保证破碎后不影响视区，避免二次事故的发生。 区域钢化玻璃由于成本较低，在一些中低档汽车上，就选用区域钢化玻璃作前挡风玻璃。第十六页，共四十六页。3、夹层玻璃 夹层玻璃，共有3层，即在两层玻璃之间有一层PVB粘合剂（聚乙烯醇缩丁醛树脂膜），该胶合剂具有很强的柔韧性，当玻璃碎裂时，PVB胶片会把玻璃碎片粘在一起，制止细碎裂纹，保证视野。 夹层玻璃据其夹层的厚度，可分为普通复合玻璃和HPR（HighPenetrationResistance）夹层玻璃。 普通复合玻璃中PVB粘合剂的厚度为0.38mm。而HPR夹层玻璃中PVB粘合剂的厚度为0.76mm，是普通复合玻璃的两倍，这样就有效提高了对破裂的抗力，被广泛用于前挡风玻璃上。第十七页，共四十六页。

4、中空玻璃 中空玻璃与夹层玻璃有些相似，也是由两片或多片玻璃基片组成，不过基片与基片之间“夹”的是铝合金间隔条，并填充有一定的干燥剂。中空玻璃具有保温、隔音、节能等优点，但缺点是抗冲击性弱，安全系数低，因为被逐渐淘汰出车用安全玻璃行列。防弹玻璃多用于一些军事级别或专用安全车辆，普及性较低。第十八页，共四十六页。 二、车用安全玻璃第十九页，共四十六页。 二、车用安全玻璃第二十页，共四十六页。 三、车用新型玻璃

1、特殊夹层玻璃 如果在夹层中添加不同的物质，还可以在夹层玻璃的基础上，增加更多特殊的功能。 （1）防弹玻璃第二十一页，共四十六页。 三、车用新型玻璃 （2）电热玻璃 在两层玻璃与PVB薄膜结合时，中间夹入极细的钨丝，通电后钨丝热，可将玻璃表面的水分蒸发。这种玻璃主要用于冬天防止风挡玻璃上结冰、结霜及阴雨潮湿地区结雾。第二十二页，共四十六页。 三、车用新型玻璃 （3）天线夹层玻璃 在玻璃夹层中夹有很细的康铜丝，用以代替拉杆天线，即可避免天线杆拉进拉出的麻烦，又不致发生腐蚀。天线夹层玻璃的天线主要用于电视、AM和FM收音机以及电话和导航用。 （4）遮阳夹层玻璃 在前风挡玻璃上方夹层上一层彩色膜片，由深而浅，在某种程度上起遮阳作用，如图5-2-8所示。 （5）隔热夹层玻璃 夏天为了抑制车室内温度的升高，减轻空调的负荷，采用了隔热夹层玻璃。 该玻璃，用喷镀或其它方法将尼龙热线反射薄膜夹在夹层玻璃中间，使玻璃具有反射功能。它可以让太阳的可见光透入，而对于近红外光谱热线都能大部分反射回去，从而降低车内的温度。第二十三页，共四十六页。三、车用新型玻璃

2、其他新型玻璃 （1）单面透视玻璃 （2）憎水玻璃 （3）明暗自动调节玻璃 （4）电热风挡玻璃（除霜玻璃） （5）控制雨刷玻璃 （6）显示器系统玻璃 （7）清污玻璃 （8）隐蔽玻璃第二十四页，共四十六页。 §5—3摩擦材料 摩擦材料是一种应用在动力机械上，依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材料。它广泛应用于各种交通运输工具（如汽车、火车、飞机、轮船等）和各种机器设备的制动器、离合器及摩擦传动装置。 汽车用摩擦材料，是汽车消耗性较大的材料之一，它是汽车制动系统与行驶系统的重要组成部分。

第二十五页，共四十六页。 一、摩擦材料的主要功能 现代汽车摩擦材料是一类以摩擦为主要功能，兼有结构性能要求的复合材料。它将动能转变成热量，然后将热量吸收或散发掉，同时降低贴合部件间的相对运动。摩擦材料在工作时主要承受反复变化的机械应力场与热应力场，而力与热的发生源是无限形成新工作面的摩擦界面。 汽车用摩擦材料主要是制动摩擦片和离合器片。它们既是安全件，又是易损件，它们在汽车中用量不是很大，但在汽车结构中占有特殊及重要的的地位。第二十六页，共四十六页。二、汽车用摩擦材料的性能要求

1、有足够高而稳定的摩擦系数 2、有良好的耐磨性 3、有较好的机械强度和物理性能 4、不产生过重的噪声第二十七页，共四十六页。 三、摩擦材料的组成 摩擦材料属于高分子三元复合材料，它由增强材料、黏结材料和填充材料三部分组成。 1、增强材料 增强材料是摩擦材料的重要组成部分，其主要作用是使摩擦材料具有一定的强度和韧性，使摩擦材料能承受冲击、剪切、拉伸等机械力的作用，它的选用对摩擦材料的摩擦、磨损性能有着极其重要的影响。 增强材料按其应用进程可分为棉花、棉布和皮革、石棉、其他非石棉纤维。（1）棉花、棉布和皮革

（2）石棉

（3）玻璃纤维（4）钢纤维

（5）有机纤维

（6）碳纤维（7）混杂纤维第二十八页，共四十六页。 三、摩擦材料的组成

2、黏结材料 对于摩擦材料而言，树脂和橡胶的耐热性是非常重要的性能指标。选用不同的粘结材料就会得出不同的摩擦性能和结构性能。 选用黏结材料时，首先要考虑其热性能，包括结构强度高、模量低、贴合性好，分解温度高、分解物少，分解速度慢及分解残留物有一定的摩擦性能等。目前使用的有机粘结剂为酚醛类树脂、合成橡胶和改性酚醛树脂，如用丁腈粉改性、橡胶改性及其它改性酚醛树脂作为摩擦材料的粘结剂。第二十九页，共四十六页。三、摩擦材料的组成

3、填充材料 摩擦材料组分中的填充材料，主要是由摩擦性能调节剂和配合剂组成。使用填料主要是为了调节和改善制品的摩擦性能、物理性能与机械强度；控制制品热膨胀系数、导热性、收缩率，增加产品尺寸的稳定性；改善制品的制动噪音；提高制品的制造工艺性能与加工性能；改善制品外观质量及密度及降低生产成本。 常用的填充材料有有机、无机和金属三种。如重晶石、硅灰石、氧化铝、铬铁矿粉、氧化铁、轮胎粉及铜、铅等粉末等。第三十页，共四十六页。第三十一页，共四十六页。§5—4塑料 塑料是应用最广泛的高分子材料，在汽车上的应用发展很快，从最初的内饰件和小机件，发展到可以替代金属制造各种配件。 塑料的密度小，价格低。采用塑料代替部分金属件，既可减轻车辆自重又可降低成本，还可改善汽车的耐磨、防腐蚀、减振、降噪等性能。因此，随着汽车工业的发展，塑料越来越为人们所重视。第三十二页，共四十六页。 一、塑料的组成 所谓塑料，广义的讲是指具有可塑性的那部分材料，最初制造塑料的原料为农副产品，其后是来自煤，60年代以来，则主要来自石油。 大多数塑料是以合成树脂（也成高分子化合物）为基础，再加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂，在一定的温度和压力下制成的高分子材料。 1、合成树脂 2、添加剂第三十三页，共四十六页。 二、塑料的主要特性

塑料具有许多优良的物理、化学及力学性能。 1、质量轻、强度低、刚度低 2、比强度高 3、耐蚀性好 4、绝缘性能好 5、减摩性能、耐磨性能差异大 6、吸振性能高、消音性好

但塑料也具有不少缺点，与刚相比，其热膨胀系数大（是钢的3～10倍），所以塑料零件的尺寸精度不够稳定；热导率较小（一般为金属的1/500~1/600），所以导热性较差；耐热性差，大多数只能在温度小于100℃时使用，只有高温塑料可在200℃左右使用；容易吸水，塑料吸水后，会引起使用性能恶化；此外，塑料还有易老化、易燃烧等缺点。第三十四页，共四十六页。 三、塑料的分类

1、按其热性能不同可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类

热固性塑料是指经一次固化后，不再受热软化和熔融，亦不溶于有机溶剂，只能塑制一次的塑料，它通常为网状结构。这类塑料耐热性能好，受压不易变形，但力学性能较差。常用的有酚醛塑料、环氧塑料、氮基塑料、有机硅塑料等。

热塑性塑料是指受热时软化，冷却后变硬，再加热又软化，冷却又变硬．可反复多次加热塑制的塑料。它通常为线型结构，能溶于有机溶剂。这类塑料加工成型方便、力学性能较好，但耐热性相对较差、容易变形。常用的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙、ABS塑料等。

2、按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料

通用塑料是一种非结构材料，其产量大、价格低、性能一般，可作为日用品、农用及包装材料。目前主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料等。

工程塑料一般力学性能较好，且耐高温、耐辐射、耐腐蚀，电绝缘性能好，因而可代替金属在汽车、机械、化工等部门用来制造机械零件及工程结构。主要有聚酰胺(尼龙)、聚碳酸脂、ABS、聚甲醇等。在实际使用中，通用塑料和工程塑料并没有严格的界限。 特种塑料，一般是指具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用，增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能，这些塑料都属于特种塑料的范畴。第三十五页，共四十六页。 四、塑料在汽车上的应用

由于塑料具有诸多金属及其他材料所不具备的优良性能，因此在汽车上得到广泛应用。 1、塑料在汽车上应用的重要性

塑料化的目的是轻量化，节省能源；提高零部件的功能、简化制造工艺，提高汽车的质量和舒适性，降低成本，提高设计自由度。汽车选用轻质的塑料有助于解决安全和节能两方面的问题。

用可吸收冲击能量的弹性体和发泡塑料制造的保险杠、仪表盘、座椅、头枕等，在发生交通事故时，可减轻对人体的伤害，提高汽车的安全系数。用塑料材料制造汽车零件，可有效地降低汽车的自重，从而达到节能的目的。

近年来，为了满足汽车减轻自重、提高舒适性和安全性的要求，汽车塑料件的品种和用量都呈现快速增长的趋势。汽车零部件的塑料化，首先是从内、外装饰件开始的。用通用塑料代替金属材料。第三十六页，共四十六页。四、塑料在汽车上的应用

2、塑料在汽车上的应用概况 在国内，塑料件约占汽车自重的7%～10%，与先进国家相比有很大差距，德国、美国、日本等国的汽车塑料用量已达到了10%～15%，有的甚至高达20%。例如，在轿车和轻型车中，上海桑塔纳为67.2kg，富康为81.5kg，CA7220小红旗轿车的塑料用量为88.33kg，依维柯0041则为144.5kg；在重型车中，斯太尔1491为82.25kg，斯太尔王为120.5kg。在汽车塑料件中，热塑性通用塑料占有相当高的比例。第三十七页，共四十六页。四、塑料在汽车上的应用

3、汽车常用塑料第三十八页，共四十六页。§5—5陶瓷材料 一、陶瓷材料的特点 陶瓷的性能由两种因素决定。首先是物质结构，主要是化学键的性质和晶体结构。它们决定陶瓷材料的性能，例如耐高温性、半导体性及绝缘性等。其次是显微组织，包括分布、晶粒大小、形状、气孔大小和分布、杂质、缺陷等。第三十九页，共四十六页。 二、陶瓷材料的分类

1、按原材料不同分类 陶瓷按原材料及烧制工艺的不同大致分为传统陶瓷和特种陶瓷两大类。

传统陶瓷具有加工成型性好，成本低，产量大等特点，如我们常见的瓷器即属于普通陶瓷。

特种陶瓷也称为新型陶瓷、高技术陶瓷或精细陶瓷，它是近代发展起来的各种陶瓷的总称。将它用在汽车上，对减轻车辆自身质量、提高发动机热效率、降低油耗、减少排气污染、提高易损件寿命、完善汽车智能性功能等都具有积极意义。特种陶瓷按其化学成分分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷两类。按其用途可分为电容陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、电光陶瓷、高温陶瓷等。

2、按化学成分分类

按组成陶瓷的主要化学成分，可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其他化合物陶瓷。

3、按用途分类

按用途可将陶瓷材料分为日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、电器陶瓷、化工陶瓷和多孔陶瓷等。它们分别广泛用于人们的日常生活、建筑、卫生、电力、化工领域，如餐具、卫生洁具、电绝缘器材料、装饰材料等。第四十页，共四十六页。 三、几种常见陶瓷1、氧化铝（Al2O3）陶瓷2、碳化硅（SiC）陶瓷3、氮化硅（Si3N4）陶瓷4、氧化锆（ZrO2）陶瓷第四十一页，共四十六页。 四、陶瓷材料在汽车上的应用 缘于陶瓷的各种优良性能，现已经在汽车上得到越来越广泛的应用。

1、陶瓷材料在汽车传感器上的应用 缘于陶瓷的耐热、耐蚀、耐磨及其潜在的优良的电磁、光学机能，使其能满足汽车传感器应具备的长久适用于汽车特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气)，并应当具有小型轻量，重复使用性好，输出范围广等要求，近年来随着制造技术的进步而得到充分利用，如各种温度传感器（冷却液温度传感器、进气温度传感器、排气温度传感器等）、爆震传感器、氧传感器、超声波传感器和湿度传感器等。第四十二页，共四十六页。四、陶瓷材料在汽车上的应用 2、陶瓷材料在汽车发动机上的应用

碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷的强度很高，能耐1000℃以上高温，为了减少在热能和热传递中损失掉的能量，用隔热性能好的陶瓷材料围住燃烧室进行隔热，进而用废气涡轮增压器和动力涡轮来回收排气能量，可有效提高热效率。

新型陶瓷涡轮比当今超耐热合金具有更优越的耐热性，而比重却只有金属涡轮的约三分之一，可以补偿金属涡轮动态响应低的缺点，因而得到了应用。

此外，为减少发动机的重量，提高发动机的工作效率，正在进行研究的陶瓷制品还有新型陶瓷活塞销和活