新型結(jié)構(gòu)材料在汽車上的應(yīng)用課件

中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM新型結(jié)構(gòu)材料在汽車上的應(yīng)用主講人：祝磊資料準(zhǔn)備：石澤民、林歡、平夢(mèng)漠時(shí)間：2014/11/28中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF1中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM

新型結(jié)構(gòu)材料在汽車上的很多部件都有使用，但最主要的還是在汽車車身上的使用。

汽車在給人們出行帶來方便的同時(shí)也產(chǎn)生了油耗、環(huán)保、安全三大問題。著眼于可持續(xù)發(fā)展考慮,降低燃油消耗和減少排放污染顯得尤為迫切。

據(jù)國際權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，汽車所用燃料約60%消耗于汽車自重。汽車每減輕10%的重量,廢氣排放量可減少10%,可降低油耗7%。由此可見,汽車減重、輕量化是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的有效措施。1中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF2

實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的途徑主要有兩種:一是優(yōu)化汽車框架結(jié)構(gòu);另一個(gè)是在汽車制造上采用輕質(zhì)材料。中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM對(duì)汽車輕量化的主要新型結(jié)構(gòu)材料有一下幾種：1、高強(qiáng)度鋼板2、鋁合金3、鎂合金和鈦合金4、泡沫合金板5、蜂窩夾芯復(fù)合板6、工程塑料7、高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料8、陶瓷材料2實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的途徑主要有兩種:一是優(yōu)化汽車3中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM1、高強(qiáng)度鋼板高強(qiáng)度鋼板是在低碳鋼內(nèi)加入適當(dāng)?shù)奈⒘吭?，?jīng)各種處理軋制而成，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)420N/mm2，是普通低碳鋼板的2~3倍，深拉延性能極好，可軋制成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要材料。含磷高強(qiáng)度冷軋鋼板烘烤硬化冷軋鋼板冷軋雙向鋼板超低碳高強(qiáng)度冷軋鋼板輕量化迭層鋼板特點(diǎn)具有較高強(qiáng)度，比普通冷軋鋼板高15%~25%;良好的強(qiáng)度和塑性平衡，即隨著強(qiáng)度的增加，伸長率和應(yīng)變硬化指數(shù)下降甚微;具有良好的耐腐蝕性，比普通冷軋鋼板提高20%;具有良好的點(diǎn)焊性能。經(jīng)過沖壓、拉延變形及烤漆高溫時(shí)效處理，屈服強(qiáng)度得以提高。具有連續(xù)屈服、屈強(qiáng)比低和加工硬化高、兼?zhèn)涓邚?qiáng)度及高塑性的特點(diǎn)，經(jīng)烤漆后強(qiáng)度可進(jìn)一步提高。適用于形狀復(fù)雜且要求強(qiáng)度高的車身零件。在超低碳鋼(C≤0.005%)中加入適量鈦或鈮，以保證鋼板的深沖性能，再添加適量的磷以提高鋼板的強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)了深沖性與高強(qiáng)度的結(jié)合。迭層鋼板是在兩層超薄鋼板之間壓入塑料的復(fù)合材料，表層鋼板厚度為0.2~0.3mm，塑料層的厚度占總厚度的25%~65%。與具有同樣剛度的單層鋼板相比，質(zhì)量只有57%。用途含磷高強(qiáng)度冷軋鋼板主要用于轎車外板、車門、頂蓋和行李箱蓋升板，也可用于載貨汽車駕駛室的沖壓件。這種簡稱為BH鋼板的烘烤硬化鋼板既薄又有足夠的強(qiáng)度，是車身外板輕量化設(shè)計(jì)首選材料之一。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如車門加強(qiáng)板、保險(xiǎn)杠等。特別適用于一些形狀復(fù)雜而強(qiáng)度要求高的沖壓零件。主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、車身底板等部件。表一高強(qiáng)度鋼板的分類1中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF4中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM中國奇瑞汽車公司與寶鋼合作，2001年在試制樣車上使用的高強(qiáng)度鋼用量為262kg，占車身鋼板用量的46%，對(duì)減重和改進(jìn)車身性能起到了良好的作用。1、高強(qiáng)度鋼板圖1奇瑞汽車車身框架結(jié)構(gòu)國際的高強(qiáng)度鋼板標(biāo)準(zhǔn)，是屈服度400mpa，艾瑞澤7就是按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的，黃色-高強(qiáng)度：400-500mpa；紫色-中高強(qiáng)度：500-1000mpa；紅色-超高強(qiáng)度（熱成型）：>1000mpa4中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF5中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM2、鋁合金與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度小(2.7g/cm3)、比強(qiáng)度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、可回收再生等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟。優(yōu)點(diǎn)：鋁合金已成為僅次于鋼材的汽車用金屬材料，能夠?yàn)槠囂峁└鞣N鋁合金鑄件、沖壓結(jié)構(gòu)件和拉制的鋁型材。鋁合金主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、活塞、進(jìn)氣支管、氣缸蓋、變速器殼體、轎車的骨架、車身、座椅支架、車輪等部件。用途：5中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF6中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM實(shí)例一：2、鋁合金圖2特斯拉轎車

MODELS車身采用最先進(jìn)的設(shè)計(jì)，主要采用鋁材。重量輕這一特點(diǎn)使鋁材成為自然選擇。擠壓件、沖壓件和鑄件的專業(yè)組合實(shí)現(xiàn)需要的剛度和強(qiáng)度。6中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF7中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM實(shí)例二：2、鋁合金圖3奧迪A8轎車

全新奧迪A8通過使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數(shù)量從50個(gè)減至29個(gè)，車身框架完全閉合。這種結(jié)構(gòu)不僅使車身的扭轉(zhuǎn)剛度提高了60%，還比同類車型的鋼制車身車重減少50%。7中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF8中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM實(shí)例三：2、鋁合金圖4美洲虎鋁合金車身XJ系列

英國美洲虎在自2002年9月26日起向新聞界開放的巴黎汽車展上發(fā)表了車身為鋁合金材料的新款高級(jí)轎車“XJ系列”。通過使用飛機(jī)所采用的能夠保持輕量和高強(qiáng)度的技術(shù)，與以前使用鋼板相比，車身重量減小了40%，強(qiáng)度則提高了60%。8中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF9中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM3、鎂合金和鈦合金鎂合金

鎂是目前能夠直接結(jié)構(gòu)材料的最輕金屬材料，其比重只有1.74，相當(dāng)于鋁的2/3，鋼的1/4。由鎂為通過添加其他元素而組成的鎂合金具有比強(qiáng)度、比剛度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、阻尼減振、電磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等優(yōu)點(diǎn)，被稱為“21世紀(jì)綠色工程材料”。鎂合金在汽車上的應(yīng)用：座椅骨架、儀表盤、轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱、輪圈、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、變速器殼、離合器殼等。9中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF10中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM3、鎂合金和鈦合金實(shí)例一：圖5鎂合金儀表板第一代鎂儀表板的設(shè)計(jì)壁厚約為3.5—4.0mm,重量約8.3kg；

第二代鎂儀表板，壁厚約2.7—3.0mm，重量約4.5—5.0kg。

優(yōu)點(diǎn)：壓鑄鎂儀表板結(jié)構(gòu)件與多件鋼焊接件比，可減重約50%，提高尺寸穩(wěn)定性，安裝效率提高，滿足減震降噪，防撞性能要求。10中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF11中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM3、鎂合金和鈦合金實(shí)例二：圖6鎂合金的直列6缸引擎

2004下半年，BMW發(fā)布一款采用鎂合金的直列6缸引擎。

BMW設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)鋁質(zhì)的芯，這個(gè)芯構(gòu)成一個(gè)核，周圍再裹以鎂質(zhì)的外殼。同樣采用這種“鎂外殼鋁內(nèi)膽”的方法的部件還包括汽缸套、水冷套以及所有必須承受壓力的螺栓連接件。正因如此復(fù)雜，使得鑄造全新鎂合金顯得非常重要，工程師們甚至采用了太空研究中的超聲技術(shù)，來檢查零件中鎂和鋁的最佳配比。

該引擎的排量為3.0L，最大輸出功率為190kW（258bhp），最大扭矩為300N·m。與BMW原有3.0L直列6缸引擎相比，輸出功率提高了12%。

復(fù)合鎂合金的曲軸箱的重量比全鋁曲軸箱的重量輕了10公斤，新發(fā)動(dòng)機(jī)僅重161公斤，是全世界同一性能等級(jí)的六缸發(fā)動(dòng)機(jī)中重量最輕的11中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF12中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM鈦合金優(yōu)點(diǎn)：鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能,密度小,比強(qiáng)度高。鈦的密度為4.51g/cm3,介于鋁(2.7g/cm3)和鐵(7.6g/cm3)之間。鈦合金的比強(qiáng)度高于鋁合金和鋼,韌性也與鋼鐵相當(dāng)。鈦及鈦合金抗蝕性能好,優(yōu)于不銹鋼,特別是在海洋大氣環(huán)境中抵抗氯離子的侵蝕和微氧化氣氛下耐蝕性好,鈦合金的工作溫度較寬,低溫鈦合金在-253℃還能保持良好的塑性,而耐熱鈦合金的工作溫度可達(dá)550℃左右,其耐熱性明顯高于鋁合金和鎂合金。同時(shí)具有良好的加工性、焊接性能。在當(dāng)前汽車市場(chǎng)上,鈦制零部件逐年增加。1990年全球汽車用鈦僅為50噸/年左右,1997年為500噸/年,2002年為1100噸/年,2009年為3000噸/年。由此可見,汽車行業(yè)用鈦材進(jìn)入加速階段。12中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF13中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM鈦合金鈦在汽車上的用途主要分兩大類,第一類是用來減少內(nèi)燃機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量(對(duì)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)零件來講,即使減少幾克質(zhì)量都是重要的);第二類是用來減少汽車總質(zhì)量。根據(jù)設(shè)計(jì)和材料特性,鈦在新一代汽車上主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)元件和底盤部件上。在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),鈦可制作閥門、閥簧、閥簧承座和連桿等部件;在底盤部件主要為彈簧、排氣系統(tǒng)、半軸和緊固件等。據(jù)資料介紹,除了上述所舉重點(diǎn)外,還有:發(fā)動(dòng)機(jī)部件的搖臂、懸簧、活塞銷、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子、緊固件、掛耳螺帽、車擋支架、門突入梁、制動(dòng)器卡鉗活塞、銷軸栓、離合器圓板、壓力板、變速按鈕等等。13中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF14中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM4、泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其特點(diǎn)是密度小，僅為0.4~0.7g/cm3，彈性好，當(dāng)受力壓縮變形后，可憑自身的彈性恢復(fù)原料形狀。泡沫合金板種類繁多，除了泡沫鋁合金板外，還有泡沫鋅合金、泡沫錫合金、泡沫鋼等，可根據(jù)不同的需要進(jìn)行選擇。由于泡沫合金板的特殊性能，特別是出眾的低密度、良好的隔熱吸振性能，深受汽車制造商的青睞。目前，用泡沫鋁合金制成的零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋等。5、蜂窩夾芯復(fù)合板蜂窩夾芯復(fù)合板是兩層薄面板中間夾一層厚而極輕的蜂窩組成。根據(jù)夾芯材料的不同，可分為紙蜂窩、玻璃布蜂窩、玻璃纖維增強(qiáng)樹脂蜂窩、鋁蜂窩等;面板可以采用玻璃鋼、塑料、鋁板和鋼板等材料。14中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF15中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM6、工程塑料

與通用塑料相比，工程塑料具有優(yōu)良的機(jī)械性能、電性能、耐化學(xué)性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等特點(diǎn)，且比要取代的金屬材料輕、成型時(shí)能耗少。二十世紀(jì)七十年代起，以軟質(zhì)聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩沖材料等塑料在汽車工業(yè)中被廣泛采用。福特公司開發(fā)的LTD試驗(yàn)車，塑料化后的車身取得了輕量化方面的明顯成果。零件鋼制零件工程塑料零件重量減輕kgkgkg/臺(tái)%車身2099311655車架123903327車門70.627.74260保險(xiǎn)杠55.820.135.764前圍43.513.330.270車輪4222.719.346發(fā)動(dòng)機(jī)罩22.2814.264行李箱蓋1961368其他32.416.216.250合計(jì)618.5297321.552表二福特LTD試驗(yàn)車的輕量化效果中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF16中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM6、工程塑料中國工程塑料工業(yè)普遍存在工藝落后、設(shè)備陳舊、規(guī)模小、品種少、質(zhì)量不穩(wěn)定的狀況，而且價(jià)格高，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。工程塑料在汽車上的應(yīng)用僅相當(dāng)于國外上世紀(jì)八十年代的水平。如上海桑塔納轎車塑料用量僅為2.86kg/輛，紅旗CA7228型轎車為2.4kg/輛，而日本轎車平均為14kg/輛，寶馬則更高，為35.64kg/輛。但這種局面將很快被打破，由上海普利特復(fù)合材料有限公司投資新建、國內(nèi)最大的汽車用高性能ABS工程塑料生產(chǎn)基地日前在上海建成投產(chǎn)。此項(xiàng)目引進(jìn)了世界先進(jìn)的工程塑料生成線和試驗(yàn)檢測(cè)儀器等設(shè)備，形成了年產(chǎn)15,000噸高性能ABS工程塑料的能力。

工程塑料用于汽車可實(shí)現(xiàn)輕量化和節(jié)能，且可回收和循環(huán)利用。目前六大類的塑料：PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE在汽車上得到廣泛的應(yīng)用，通常用于制造車身覆蓋件、車門門襤、車身內(nèi)外裝飾件和水箱面罩、保險(xiǎn)杠和車輪護(hù)罩等。16中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF17中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM7、高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料復(fù)合材料是一種多相材料，是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬和金屬等原材料復(fù)合而成。目前玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料在汽車上已經(jīng)獲得成功的應(yīng)用。

高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料，特別是碳纖維復(fù)合材料(CFRP)，因其質(zhì)量小，而且具有高強(qiáng)度、高剛性，有良好的耐蠕變與耐腐蝕性，因而是很有前途的汽車用輕量化材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐美等國汽車復(fù)合材料的用量約占本國復(fù)合材料總產(chǎn)量的33%左右，并繼續(xù)呈增長態(tài)勢(shì)，復(fù)合材料作為汽車車身的外覆件來說，無論從設(shè)計(jì)還是生產(chǎn)制造、應(yīng)用都已成熟，并已從車身外覆件的使用向汽車的內(nèi)飾件和結(jié)構(gòu)件方向發(fā)展。17中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF18中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM7、高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料目前，歐盟開發(fā)新能源汽車廠商與日本三大碳纖維廠家及一家德國大絲束碳纖維廠家合作開發(fā)全CFRP汽車。表三歐日汽車和碳纖維廠家聯(lián)合開發(fā)CFRP汽車計(jì)劃中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF19191920中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM8、陶瓷材料由于陶瓷本身具有的特殊力學(xué)性能以及對(duì)熱、電、光等的物理性能，陶瓷材料特別是特種陶瓷在汽車上的應(yīng)用日益受到人們的重視。我國已成功研制鈦酸鋁陶瓷-鋁合金復(fù)合排氣管、氮化硅陶瓷柴油機(jī)渦輪增壓轉(zhuǎn)子和球軸承等汽車部件。圖七剎車片圖八氮化硅陶瓷柴油機(jī)渦輪增壓轉(zhuǎn)子圖九鈦酸鋁陶瓷-鋁合金復(fù)合排氣管中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOF21中國石油大學(xué)（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM題外篇圖十3D打印汽車——斯特拉迪

斯特拉迪，為世界首款3D打印汽車的名字。由“本地汽車”公司打造，整輛汽車的零件成本