汽车材料与金属加工第6章非金属材料及其在汽车上的应用课件

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1第6章非金属材料及其在汽车上的应用6.1塑料6.2橡胶6.3玻璃6.4陶瓷6.5复合材料2非金属材料：除金属材料以外的其他材料，包括塑料、橡胶、玻璃、陶瓷和复合材料等。本章介绍非金属材料的基本性能、组成及其在汽车上的应用；

要求：能够识别汽车常用非金属材料。第6章非金属材料及其在汽车上的应用金属材料密度大，耐腐蚀性和电绝缘性差，而非金属材料弥补了金属材料的这些缺点，因此，非金属材料已成为汽车制造不可或缺的材料。36.1塑料6.1.2塑料的主要特性6.1.1塑料的组成及分类6.1.3塑料在汽车上的应用4

塑料：以合成树脂为基本原料的高分子材料。通常在加热、加压条件下被塑造或固化成型的固体制品，故称为塑料。在轿车上塑料的用量约占全车质量的8%~12%。6.1塑料5大多数塑料是以所加合成树脂的名称来命名的，如聚氯乙烯塑料就是以聚氯乙烯树脂为主要成分的塑料。合成树脂——是从煤、石油、天然气中提炼的高分子化合物，起粘接剂的作用。添加剂——主要用于改善塑料的使用性能和工艺性能。常用添加剂填充剂增塑剂稳定剂固化剂润滑剂阻燃剂——塑料的组成塑料由合成树脂和添加剂两大部分组成

起强化作用6.1.1塑料的组成及分类6——塑料的分类热固性塑料——经一次固化后，不再受热软化，只能塑制一次的塑料。特点：耐热性能好，受热不易变形，但力学性能不高，且废旧塑料不能回收利用。常用：酚醛树脂、环氧树脂等（电气绝缘件）。(1)按照塑料的物理化学性能分类:热塑性塑料——

加热软化，冷却后又硬化成形，可反复进行。特点：加工成型方便，力学性能较好，可回收再利用。但耐热性较差，容易变形。常用：聚乙烯（保鲜膜）。6.1.1塑料的组成及分类71）通用塑料是指产量大、用途广、通用性强、价格低的塑料。其产量占塑料总产量的75%以上，可以用来制作日常生活用品、包装材料以及一般机械零件。（2）按使用范围分为通用塑料和工程塑料2）工程塑料是指用于工程构件和机械零件的塑料。这类塑料力学性能较高，耐热性、耐腐蚀性较好，可用来替代金属材料制造某些结构件。如：聚酰胺（尼龙）、聚甲醇和ABS塑料等。

汽车零件大部分为工程塑料！

——塑料的分类6.1.1塑料的组成及分类81）质量轻而强度高：密度0.83~2.2之间，降低汽车自重，减少油耗。

2）耐腐蚀性好：

塑料对酸、碱、盐和有机溶剂都有良好的耐蚀性能。3）优异的电气绝缘性能：汽车电器零件广泛采用塑料作为绝缘体。4）优良的耐磨性，减摩性和自润滑性：可制作轴承、衬套等要求耐磨的零件。5）良好的消声性和吸震性：用塑料制作汽车保险杠、仪表板和方向盘等，可以增强缓冲作用，提高车辆的安全性和舒适性。6）独特的造型工艺性能：可制造复杂形状的异形曲面，如汽车仪表板等。

7）优美舒适的质感。

6.1.2塑料的主要特性缺点力学性能较低；耐热性、导热性差；此外，塑料还易老化、易燃烧、温度变化时尺寸稳定性差等缺点。9汽车塑料零部件主要有三类：内饰件、外饰件和功能件。内装饰件——仪表板、转向盘、车门内饰板、顶棚、座椅等。外装饰件——要求强度、韧性高，耐候性好：保险杠、散热器格栅、车轮罩、车灯、后视镜壳、车门饰条、车窗框、挡泥板等。功能件——要有特殊的使用性能：暖风机、空调部件等。最初汽车使用塑料主要目的是实现汽车内饰的柔软化，使乘客具有安全舒适感。近年来随着对环保的要求，汽车使用塑料制品主要想达到轻量、高速、安全、节能、低碳环保的目的。6.1.3塑料在汽车上的应用101—前保险杠2—散热器格栅3—车灯框4—散热器固定框5—空气滤清器壳6—发动机装饰罩7—进气管8—制动液罐9—蓄电池壳10—补偿水箱11—后视镜壳12—仪表板13—转向盘14—车门内饰板15—车厢内饰16—后保险杠17—车窗框18—车门饰条19—座椅20—车轮罩116.2塑料6.2.2橡胶的基本性能6.2.1橡胶的组成及分类6.2.3橡胶在汽车上的应用12橡胶是指在使用温度范围内处于高弹性状态的高分子材料。广泛应用于弹性、密封、减震防震和传动元件，在汽车工业中有着重要的地位，是一种重要的汽车工业材料。每辆轿车橡胶用量为187㎏，中型载货车为325㎏，重型载货车为400㎏，约占汽车总质量的10%。因此，没有橡胶，汽车寸步难行。6.2橡胶13橡胶是以生胶为主要原料，并添加适量的配合剂，经硫化处理后制成的高分子材料。——橡胶的组成（1）生胶——分为天然生胶和合成生胶。

①天然生胶——是从橡胶树上采集的胶乳，经凝固、干燥、加压等工序制成的片状生胶。

②合成生胶——石油、天然气和煤等为原料，通过化学合成的方法制成的与天然橡胶性能相似的高分子材料。（2）配合剂——是为了改善和提高橡胶制品的性能而加入的物质。有硫化剂、硫化促进剂、填充剂、增塑剂和防老化剂等。6.2.1橡胶的组成及分类14①天然橡胶——是以天然生胶制成的橡胶材料。优点：具有高弹性、耐磨性、耐寒性、防水性、绝热性、电绝缘性以良好的加工性能。缺点：耐候性、耐油性、耐溶剂性较差，且易自燃、易老化。用途：广泛应用于轮胎、胶带、胶管以及胶鞋、医疗卫生制品等。按原料的来源，橡胶分为天然橡胶、合成橡胶和再生橡胶。——橡胶的分类6.2.1橡胶的组成及分类15③再生橡胶——利用废旧橡胶制品经再加工而成的橡胶材料。

特点：强度较低，但耐老化性良好，加工方便，价格低廉。

应用：汽车上常用于制造橡胶地垫、各种封口胶条等。②合成橡胶——是以合成生胶制成的橡胶材料。分为通用橡胶和特种橡胶。通用合成橡胶：性能与天然橡胶接近，可以做轮胎和一般橡胶配件。特种合成橡胶：具有耐油、耐热、耐寒、耐化学腐蚀等性能。

特点：弹性和抗拉强度不如天然橡胶，但耐磨性、耐热性优良，原料来源丰富，价格低廉，其产量已超过天然橡胶。

用于：各种轮胎、传动皮带、胶管、衬垫材料等。——橡胶的分类6.2.1橡胶的组成及分类16（1）极高的弹性——伸长率可达100%~1000%。当受到外力时，起到缓冲作用。因此，可以制作减振、抗冲击的零件：如发动机支架软垫等。（2）良好的热可塑性——橡胶在一定温度下会暂时失去弹性，而转入粘流状态。在外力作用下发生变形，容易加工成各种形状和尺寸的制品；当加工外力去除后，仍能保持该变形下的形状和尺寸。（3）良好的黏着性——黏着性是指橡胶与其他材料粘成整体而不易分离的能力。如汽车轮胎就是利用橡胶与轮胎帘线牢固地粘接在一起制成。（4）良好的绝缘性——是制造电线、电缆等导体的绝缘材料。此外，橡胶还具有良好的耐腐蚀性、密封性和耐寒性等。但其导热性差，抗拉强度低，容易老化。6.2.2橡胶的基本性能17轮胎:全世界生产的橡胶约有80%用于制造轮胎。橡胶配件：橡胶管（水、油、气）、门窗密封胶带、油封、变速杆防尘套、传动胶带等。6.2.3橡胶在汽车上的应用18橡胶制品6.2.3橡胶在汽车上的应用196.3玻璃6.3.2汽车上常用的玻璃6.3.1玻璃的种类及特点20玻璃是陶瓷材料家族的一员。由石英砂等硅酸盐为主要原料，加入某些金属氧化物辅料，在1550℃~1600℃的高温窑中煅烧至熔融后，经成形、冷却所获得的非金属材料。特点：透明、隔音、隔热，并具有良好的化学稳定性。玻璃是汽车不可缺少的组成部分，轿车的玻璃使用量约占总重量的3%。它承担着遮风、挡雨和采光的基本功能。6.3玻璃2122平板玻璃：又称镜片玻璃，无色透明，具有良好的透光性。主要用于建筑物门窗，日常生活中随处可见。

6.3.1玻璃的种类及特点23

磨砂玻璃:又叫毛玻璃。它是对平板玻璃进行表面磨砂处理而得到的。特点是透光不透明.

常用于浴室、卫生间门窗、灯罩、黑板面等。

6.3.1玻璃的种类及特点24钢化玻璃：是将普通玻璃经过高温淬火处理的特种玻璃特点：具有很高的温度急变抵抗能力，耐冲击、强度较高。用于：高层建筑的门窗、厂房的天窗、汽车、火车、船舶的门窗和汽车的风窗玻璃等。6.3.1玻璃的种类及特点25夹丝玻璃：又称防碎玻璃，玻璃中间夹有一层金属网。特点：强度高，不易破碎。即使破碎，玻璃碎片也会附着在金属网上而不易脱落，具有一定的安全性。用于：建筑中需要采光而对安全性要求又比较高的场合，如厂房天窗、防火门窗、地下采光窗等。6.3.1玻璃的种类及特点26夹层玻璃：又称安全玻璃。它是将两片或两片以上的平板玻璃或钢化玻璃，中间夹上一层有弹性的透明安全膜（聚乙烯醇缩丁醛塑料）经热压而成。特点：具有较高的强度，在受到破坏时，会产生辐射状或同心圆形裂纹，碎片不易脱落，且不影响透明，不产生折光现象，可用作汽车前挡风玻璃。6.3.1玻璃的种类及特点27信号玻璃:主要有平板色玻璃、凸透镜玻璃、偏光镜玻璃和牛眼形玻璃四种。要求具有较高的透明度，有选择的透光性，色彩鲜艳均匀等特性。用于：铁路、公路、水路、航空等领域制作各种信号机、信号灯。6.3.1玻璃的种类及特点28

汽车用玻璃必须透明、耐候、高强度、高安全性。1.钢化玻璃:受到冲击破碎后，碎片小而无棱角（图a），不易造成人体伤害.

但这种玻璃在破碎前会产生很多裂纹，使玻璃变得模糊不清，如果用于风窗玻璃，会影响驾驶员视线，容易造成事故，所以钢化玻璃只能作为汽车后窗玻璃和侧窗玻璃。2.局部（区域）钢化玻璃:分区域控制钢化程度的安全玻璃。在受到冲击时，局部碎裂为细小的碎块，中部则破碎成大块（图b）。在临破碎之前能保持玻璃有一定的透明度，可使驾驶员受到较小的伤害，并有短暂的时间进行应急处理。局部钢化玻璃也是作为汽车后窗玻璃和侧窗玻璃。3.夹层玻璃:具有良好的安全性、较高的强度，受到破坏时碎片不易脱落（图c），不影响透明，不产生折光现象等特点.

因此，各国已制定有关法规，规定轿车的前挡风窗必须安装夹层玻璃。6.3.2汽车上常用的玻璃296.3.2汽车上常用的玻璃30新型汽车玻璃简介防紫外线钢化玻璃31具有红外反射功能的汽车挡风玻璃使轿车具有冬暖夏凉的功效。

超吸热玻璃32陶瓷是陶器和瓷器的总称。是以天然硅酸盐或人工合成化合物为原料，经过制粉、配料、成形和高温烧结而成的无机非金属材料。不仅用于日用器皿，也可用于汽车零件。配料成型煅烧6.4陶瓷33

火花塞绝缘体汽车排气净化器气缸套活塞顶日用器皿汽车零件6.4陶瓷346.4陶瓷6.4.2陶瓷的分类6.4.1陶瓷的基本性能6.4.3陶瓷在汽车上的应用35（1）力学性能——具有很高的抗压强度和硬度（1000~5000HV，淬火钢只有500~800HV）、高耐磨性、极高的红硬性（1000℃），但其抗拉强度和韧性都很低，脆性很大。

（2）热性能——陶瓷属于耐高温材料，其熔点很高（2000℃左右），高温抗蠕变能力强，1000℃以上也不会氧化，故可用作耐高温材料。但其抗热震性差，温度剧烈变化时易破裂，不能急热骤冷。（3）电性能——其绝缘性能好。大量用于各种绝缘器件。（4）化学性能——化学稳定性高，对酸、碱、盐具有良好的耐腐蚀性，无老化现象。6.4.1陶瓷的基本性能361.普通陶瓷——是以黏土、石英、长石等天然硅酸盐为原料，经配制、烧结而成。

特点：质地坚硬，绝缘性和耐蚀性极好，制造工艺简单，成本低廉。

用于：日用、建筑、卫生陶瓷制品以及工业上应用的高低压电瓷、耐酸及过滤陶瓷等。

日用陶瓷建筑及卫生陶瓷低压和高压电陶瓷6.4.2陶瓷的分类372.特种陶瓷——采用纯度较高的金属氧化物、氮化物、碳化物和硼化物等化工原料，沿用普通陶瓷的成型方法烧制而成的。具有一些独特的力学性能、物理性能及化学性能。（1）氧化铝陶瓷——主要成分是Al2O3，又称为刚玉瓷。特点：高强度、高硬度、高耐磨性，良好的绝缘性和化学稳定性，是理想的耐高温材料，但抗热震性能差，不能承受温度的突变以及冲击载荷。用于：制造刀具、坩埚、热电偶绝缘套等。

火花塞绝缘体汽车上：火花塞绝缘体、汽车排气净化器、发动机活塞、汽缸套、凸轮轴、柴油机喷嘴等零件。6.4.2陶瓷的分类38（2）氮化硅陶瓷——具有极高的化学稳定性，优异的电绝缘性以及很高的硬度、耐磨性和减摩性。常用于：在腐蚀介质下工作的机械零件，如水泵密封环、高温轴承、冶金容器和管道等。6.4.2陶瓷的分类39（3）碳化硅陶瓷——高温强度最高，在1400℃时抗弯强度仍能达到

500~600MPa，其热稳定性、耐蚀性和耐磨性很好。用于：热电偶套管、高温轴承、高温热交换器、密封圈和核燃料的包封材料等。（4）硼化物陶瓷——具有高硬度和较好的耐化学侵蚀能力。其熔点为1800~2500℃。用于：高温轴承、内燃机喷嘴、各种高温器件等。6.4.2陶瓷的分类402.凸轮轴、气门、气门座、摇臂——由特种陶瓷制成，可充分发挥其优良的耐热性和耐磨性。3.汽车电子设备的传感器、导电元件——由特种陶瓷制成，可充分发挥其优良的导电性、介电性、透气性和磁性。陶瓷用于汽车，可降低重量，提高发动机热效率，降低油耗，节能减排。1.陶瓷纤维活塞——氮化硅陶瓷材料制成的，耐磨性好，可以有效地防止铝合金活塞由于热膨胀系数大而产生的“冷敲热拉”现象。所谓“冷敲”即冷车时，活塞与汽缸壁配合间隙过大，活塞换向时引起敲击；

“热拉”即热车时，因二者配合间隙过小，拉伤汽缸。6.4.3陶瓷在汽车上的应用416.5塑料复合材料6.5.2复合材料的种类6.5.1复合材料的性能特点6.5.3复合材料在汽车上的应用426.5复合材料由两种或两种以上性质不同的材料通过人工组合而成的固体材料。综合了各组成材料的优点，使其达到单一材料无法达到的优越的综合性能。例如：建筑用的稻草和泥土；钢筋混凝土。43（1）比强度和比模量高：由复合材料制成的汽车与用钢材制造的汽车相比，质量要轻1/3~1/2，

提高了整车动力性能，降低油耗。（2）抗疲劳性能好：复合材料适合于在交变载荷下工作、易于产生疲劳破坏的零件。（3）耐高温性能好：是高温状态下工作零件的理想材料。（4）减震性能好：汽车、动力机械其振动问题十分突出，用复合材料可避免产生共振而引起的早期破坏。缺点：伸长率较小，抗冲击性低，横向拉伸和层间抗剪强度较低，尤其是生产成本比其他工程材料高得多。6.5.1复合材料的性能特点44增强相：起提高强度和韧性的作用。分为纤维增强复合材料

层叠增强复合材料

颗粒增强复合材料。复合材料一般由基体相和增强相组成。基体相：起形成几何形状和粘结作用。有金属基体和非金属基体两大类。6.5.2常用复合材料45复合材料按基体材料分类金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子基复合材料按增强体特征分类颗粒增强复合材料纤维增强复合材料层叠复合材料6.5.2常用复合材料461.纤维增强复合材料基体——塑性和韧性较好，能阻止裂纹的扩展，并对纤维起到粘接作用。复合材料的强度因而得到很大的提高。增强相——纤维。纤维处于基体之中，彼此隔离，其表面受到基体保护，不易遭受损伤。用于复合材料的纤维主要是指高强度、高模量的

玻璃纤维、碳纤维石墨纤维及硼纤维等。6.5.2常用复合材料472.层叠复合材料3.颗粒复合材料是以两层或两层以上不同的板材经热压胶合而成。有夹层结构的复合材料、双层金属复合材料、塑料-金属多层复合材料等。应用：飞机机翼、船舶、火车车厢、运输容器、安全帽、滑雪板等。是由一种或多种颗粒均匀分布在基体材料内所组成的复合材料。颗粒越小，增强效果越明显。不同颗粒起不同作用：加入银粉、铜粉可提高导电、导热性能；加入Fe3O4磁粉可提高导磁性；加入MoS2可提高减摩性。6.5.2常用复合材料48

纤维增强复合材料汽车上常用复合材料有金属基复合材料陶瓷基复合材料等。FRP是由纤维、树脂、填充料三部分组成，其基体是塑料。特点：比强度高，是汽车轻量化的最重要的材料。典型的：玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强塑料。1.纤维增强复合材料（FRP）6.5.3复合材料在汽车上的应用49特点：力学性能优良，抗拉和抗压强度都超过一般钢和硬铝，比强度更为突出。应用：用于机器护罩、复杂壳体、化工容器、管道等。许多新建体育馆、展览馆、商厦的巨大屋顶都由玻璃钢制成，它不仅质量轻、强度高，而且还能透过阳光。汽车上：用于汽车通风和空调系统元件、空气滤清器壳、仪表板、发动机罩、行李箱盖和座椅架等。（1）玻璃纤维增强塑料（GFRP）俗称玻璃钢。是以树脂为基体，以玻璃纤维增强的复合材料。发动机罩6.5.3复合材料在汽车上的应用——纤维增强复合材料50

汽缸盖汽车底盘6.5.3复合材料在汽车上的应用——纤维增强复合材料51是以碳纤维为增强材料，以工程塑料为基体的复合材料。特点：比强度和比模量最高，同时有较高的疲劳强度、优良的耐磨性、减摩性及自润性、耐蚀性和耐热性等。缺点：比较脆，碳纤维与树脂黏结力更差。用于：要求比强度、比模量高的耐磨件、耐蚀件等。汽车上：底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等；传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置等；发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮；车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。（2）碳纤维增强塑料（CFRP）由CFRP制成的驱动轴，一根可代替两根钢轴，使重量减轻60%，并大幅度降低车内噪音，还可使车身前后方向振动大幅降低。

6.5.3复合材料在汽车上的应用——纤维增强复合材料52由低强度、高韧性的基体和高强度、高弹性模量的纤维组成的。基体：多采用铝、铜、镁、镍合金。增强材料：一般为纤维状、颗粒状和晶须状的碳化硅、碳化硼、氧化铝和碳纤维。——金属基复合材料利用纤维的特性制造质轻的结构材料。优点：比强度、比刚性高，耐磨性和耐热性能好；热传导和电导性优良。汽车上：用来制造活塞环、连杆、汽缸体、活塞销等。（1）纤维增强金属基复合材料（FRM）6.5.3复合材料在汽车上的应用53是目前应用范围最广、开发前景最大的复合材料。金属基体：多数是密度较低的铝、镁和铜合金，以便提高复合材料的比强度和比模量，其中较为成熟、应用较广的是铝基复合材料。增强材料：碳化硅、碳化硼、氧化铝颗粒或晶须，其中以碳化硅为主。汽车工业：用碳化硅颗粒铝合金基复合材料。用于发动机活塞、喷油嘴部件、制