《汽车机械基础》第9章

第9章非金属材料9.1工程塑料9.2橡胶9.3陶瓷材料19.4复合材料9.1工程塑料塑料是一种高分子材料，其在汽车中的应用发展很快，从机械、热应力较小的内饰件和小机件，发展到大型结构件，如车身、车架悬挂弹簧等。20世纪80年代以来，塑料已逐步进入发动机内部，用于制造连杆、活塞销、进气门等配件。2图9-1工程塑料在汽车上的应用9.1.1塑料的组成和特点塑料中的主要成分是合成树脂，并加入一些改善使用性能和工艺性能的添加剂。塑料的主要特性为：①质量轻。②比强度高。③化学稳定性好。④优异的电绝缘性。⑤减摩、耐磨性好。⑥消声吸振性好，成型加工性好，且方法简单。⑦耐热性差。39.1.2汽车常用工程塑料与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比金属材料轻、成型时能耗少。20世纪70年代起，以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类等塑料在汽车工业中被广泛采用。4常用工程塑料包括热塑性工程塑料（聚乙烯PE、聚丙烯塑料PP、聚氯乙烯塑料PVC、ABS树脂、聚酰胺PA、聚甲醛POM、聚碳酸酯PC等）和热固性工程塑料（酚醛树脂PF、氨基树脂UF、环氧树脂EP等）。目前有六大类塑料：PP、PUR（聚氨酯）、PVC、ABS、PA和PE在汽车上得到了广泛应用。图9-2汽车塑料仪表板和前围9.1.2汽车常用工程塑料5表9-1主要热塑性塑料的性能与应用9.1.2汽车常用工程塑料6表9-1主要热塑性塑料的性能与应用9.1.3工程塑料成型技术概述71．注塑成型注射成型加工方法简称注塑，即在加压下，将物料由加热料筒经过主流道、分流道、浇口，注入闭合模具型腔的模塑方法。2．挤出成型挤出成型是塑料加工工业中最早的成型方法之一，是塑料成型加工的主要方法，采用挤出，可以加工绝大多数热塑性塑料和少数热固性塑料。3．吹塑成型吹塑是用压缩空气使进入型腔的型坯膨胀形成中空制品的方法。PE，PVC，PP，PET，PC，PA等是都理想的吹塑材料，目前以PE，PET的应用最为广泛。4．滚塑成型滚塑又称旋转模塑，是一种用于制造各种尺寸和形状的中空无缝产品的加工方法。5．热成型热成型是热塑性材料最常用的一种加工方法，该方法是用于金属片和部分纸片加工方法的延伸。9.2橡胶橡胶是一种有机高分子弹性化合物，具有高弹性、耐油、耐腐蚀、耐热寒、耐老化、耐辐射等特点。汽车橡胶制品主要分布在汽车车身、传动、转向、悬挂、制动和电气仪表等系统内。一辆轿车的橡胶件约占轿车整体质量的4%～5%。轮胎是汽车的主要橡胶件，此外还有各种橡胶软管、密封件、传动带、减振垫等约300件，图9-3所示为橡胶密封条在汽车上的应用。8图9-3汽车上的密封条橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分子材料。生胶是指未加配合剂的天然胶或合成胶，它也是将配合剂和骨架材料粘成一体而形成的。配合剂是指为改善和提高橡胶制品性能而加入的物质，如硫化剂、活性剂、软化剂、填充剂、防老剂、着色剂等。9.2.1橡胶概述橡胶按原材料来源可分为天然橡胶和合成橡胶，其中天然橡胶的消耗量占1/3，合成橡胶的消耗量占2/3。合成橡胶主要有七大品种：丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、异戊橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶和丁腈橡胶。习惯上按用途将合成橡胶分成两类：通用橡胶和特种橡胶。91．橡胶的分类2．橡胶制品的组成在机械和汽车工业中，橡胶是常用的轮胎材料、密封材料、减振防振材料（汽车底盘橡胶弹簧）和传动材料（V带）。9.2.1橡胶概述橡胶具有弹性大的特点，最高伸长率可达800%～1000%，且外力去除后能迅速恢复原状；同时具有吸振能力强，耐磨性、隔声性、绝缘性好，可积储能量，有—定耐蚀性和足够强度等优点。橡胶的主要缺点是易于老化，老化后橡胶会丧失弹性、变硬、变脆、发黏甚至龟裂。使用或存放周期过长，光照、高温等因素均会加快橡胶老化。103．橡胶的特性4．橡胶的主要用途9.2.2汽车常用橡胶汽车轮胎是汽车上橡胶用量最大的零件。汽车轮胎（参见图9-4）使用的主要材料为生胶（包括天然橡胶、合成橡胶）、骨架材料、纤维材料（包括棉纤维、人造丝、尼龙、玻璃纤维、钢丝等）以及炭黑等。111．汽车轮胎图9-4汽车轮胎及其结构组成轮胎的外胎普遍使用天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶等。内胎一般用气密性好的材料来制造，如丁基橡胶。2．其他车用橡胶零件12汽车零部件（除轮胎外）常用的橡胶材料有天然橡胶、氯丁橡胶（CR）、丁基橡胶（HR）、丁腈橡胶（NBR）、乙烯/醋酸乙烯橡胶（EVM）、三元乙丙橡胶（EPDM）、硅橡胶（Q）等，它们主要用于生产传动带、水管、橡胶弹簧、油封件、密封条、密封圈、皮碗、防尘罩、衬垫、气门盖密封件等零件（参见图9-5），可满足汽车上的苛刻条件和环保要求。图9-5汽车橡胶零部件9.3陶瓷材料13陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。“陶瓷”是一种通称，现代陶瓷的概念是指各种无机非金属材料的总称，通常分为陶瓷和玻璃两大类。陶瓷材料在汽车上有诸多应用，例如，法国跑车制造商布加迪与其德国公司联合设计的布加迪威龙白金版跑车是世界上第一辆以瓷器为车内外设计材料的汽车，如图9-6所示。图9-6陶瓷汽车9.3.1陶瓷陶瓷是以天然矿物或人工合成的各种化合物为基本原料，经粉碎、成型和高温烧结等工序制成的一种无机非金属固体材料。141．陶瓷的分类（1）普通陶瓷普通陶瓷主要以天然酸盐矿物质（黏土、长石、石英等）为原料，经原料粉碎、成型、烧制而成。按用途不同，陶瓷可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、缘陶瓷、卫生陶瓷、电器陶瓷、化工陶瓷和多孔陶瓷等。（2）特种陶瓷特种陶瓷又称精细陶瓷，按其应用功能不同，大体可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及电工电子功能陶瓷两大类，主要有高铝氧质瓷、镁石质瓷、钛镁石质瓷、锆英石质瓷、锂质瓷、磁性瓷、金属陶瓷等。2．陶瓷材料的性能15（1）力学性能陶瓷最突出的性能特点是高硬度、高耐磨性，这些性能都大大高于金属材料；抗压强度较高，弹性模量高，是金属的几倍；但其冲击韧性低，抗拉强度低。（2）物理性能陶瓷的熔点很高，一般在2000℃左右，其高温抗蠕变能力强，1000℃以上时也不会被氧化，故可用作耐高温材料。它的导热系数和膨胀系数都小于金属材料，因此也是常用的常温绝热材料。（3）电性能大多数陶瓷都是良好的电绝缘材料，可直接作为传统的绝缘材料使用。陶瓷在低温下具有很高的电阻率，用来大量制造瓷质绝缘器件；而在高温、高电压工作条件下，陶瓷是唯一的绝缘材料。（4）化学性能陶瓷在室温和高温都不会氧化，具有极好的抗氧化性和耐腐蚀性（耐酸、碱和盐），且无老化现象，是一种化学稳定性很高的材料。3．陶瓷在汽车上的应用16以氮化硅、氧化铝和二氧化锆为主要成分的陶瓷材料，用于制造挺杆、气门、轴承和摇臂等汽车零件，能充分发挥其强度高、耐热性、耐磨性、耐腐蚀性等优良特性。近年来，在航天技术中广泛应用的陶瓷薄膜喷涂技术开始应用于汽车上。这种技术的优点是隔热效果好、能承受高温和高压、工艺成熟、质量稳定。为达到降低散热的目标，可对发动机燃烧室部件进行陶瓷喷涂。（a）陶瓷活塞及活塞环（b）陶瓷轴承（c）陶瓷刹车图9-7陶瓷在汽车零件上的应用图9-8陶瓷传感器9.3.2玻璃17玻璃是一种透明的半固态、半液态物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中黏度逐渐增大并硬化成不结晶的硅酸盐类非金属材料。玻璃可分为普通玻璃和特种玻璃。1．玻璃的性能（1）力学性能玻璃的力学性能随种类不同差异很大，但其共性为硬度高（仅次于陶瓷）、抗压强度高、抗拉弯强度低，塑性、韧性差，脆性大。（2）化学稳定性玻璃具有良好的抗氧化性和耐蚀性。（3）光学性质玻璃具有良好的透光性和折光性。（4）绝缘性固态玻璃具有良好的绝缘性能。2．汽车玻璃的应用18汽车玻璃是汽车车身中必不可少的附件，主要起到防护作用。汽车玻璃主要分为钢化玻璃、区域钢化玻璃和夹层玻璃等，如图9-9所示，需要能够承受较强的冲击力。汽车玻璃按所在的位置可分为前挡风玻璃、侧窗玻璃、后挡风玻璃和天窗玻璃四种，如图9-10所示。（a）钢化玻璃

（b）局部钢化玻璃

（c）夹层玻璃图9-9汽车玻璃的种类1—前挡风玻璃；2—后挡风玻璃；3—后侧窗玻璃；4—后角窗玻璃；5—后门窗玻璃；6—前门窗玻璃；7—前角窗玻璃9.4复合材料199.4.1复合材料概述复合材料由基体材料和增强材料组成，其中，基体材料主要起黏结和固定作用；增强材料起承受载荷的作用。常用的增强材料有玻璃纤维和碳纤维，如图9-11所示。1．复合材料的组成图9-11玻璃纤维布和碳纤维布2．复合材料的分类20复合材料按其组成可分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料；按其结构特点又可分为纤维增强复合材料（纤维增强塑料、纤维增强金属等）、夹层复合材料（实心夹层和蜂窝夹层两种）、细粒复合材料（弥散强化合金、金属陶瓷）、混杂复合材料等。3．复合材料的特点21①比强度与比模量高。比强度越高，零件自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。②抗疲劳性好。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30%～50%，而复合材料则可达到60%～80%。③化学稳定性优良。若用耐碱纤维与塑料复合，还能在强碱介质中使用。④耐高温烧蚀性好。纤维增强复合材料中，除玻璃纤维软化点较低（700～900℃）外，其他纤维的熔点（或软化点）一般都在2000℃以上。若用碳纤维或硼纤维增强后，400℃时强度和模量基本可保持室温下水平。⑤工艺性与可设计性好。调整增强材料的形状、排布及含量，可满足不同构件的强度和刚度等性能要求，且材料与构件可一次成型，减少了零部件、紧固件和接头数目，材料利用率大大提高。9.4.2复合材料在汽车上的应