《汽車機(jī)械基礎(chǔ)》第9章

第9章非金屬材料9.1工程塑料9.2橡膠9.3陶瓷材料19.4復(fù)合材料9.1工程塑料塑料是一種高分子材料，其在汽車中的應(yīng)用發(fā)展很快，從機(jī)械、熱應(yīng)力較小的內(nèi)飾件和小機(jī)件，發(fā)展到大型結(jié)構(gòu)件，如車身、車架懸掛彈簧等。20世紀(jì)80年代以來，塑料已逐步進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，用于制造連桿、活塞銷、進(jìn)氣門等配件。2圖9-1工程塑料在汽車上的應(yīng)用9.1.1塑料的組成和特點(diǎn)塑料中的主要成分是合成樹脂，并加入一些改善使用性能和工藝性能的添加劑。塑料的主要特性為：①質(zhì)量輕。②比強(qiáng)度高。③化學(xué)穩(wěn)定性好。④優(yōu)異的電絕緣性。⑤減摩、耐磨性好。⑥消聲吸振性好，成型加工性好，且方法簡單。⑦耐熱性差。39.1.2汽車常用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)，且比金屬材料輕、成型時(shí)能耗少。20世紀(jì)70年代起，以軟質(zhì)聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類等塑料在汽車工業(yè)中被廣泛采用。4常用工程塑料包括熱塑性工程塑料（聚乙烯PE、聚丙烯塑料PP、聚氯乙烯塑料PVC、ABS樹脂、聚酰胺PA、聚甲醛POM、聚碳酸酯PC等）和熱固性工程塑料（酚醛樹脂PF、氨基樹脂UF、環(huán)氧樹脂EP等）。目前有六大類塑料：PP、PUR（聚氨酯）、PVC、ABS、PA和PE在汽車上得到了廣泛應(yīng)用。圖9-2汽車塑料儀表板和前圍9.1.2汽車常用工程塑料5表9-1主要熱塑性塑料的性能與應(yīng)用9.1.2汽車常用工程塑料6表9-1主要熱塑性塑料的性能與應(yīng)用9.1.3工程塑料成型技術(shù)概述71．注塑成型注射成型加工方法簡稱注塑，即在加壓下，將物料由加熱料筒經(jīng)過主流道、分流道、澆口，注入閉合模具型腔的模塑方法。2．?dāng)D出成型擠出成型是塑料加工工業(yè)中最早的成型方法之一，是塑料成型加工的主要方法，采用擠出，可以加工絕大多數(shù)熱塑性塑料和少數(shù)熱固性塑料。3．吹塑成型吹塑是用壓縮空氣使進(jìn)入型腔的型坯膨脹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的應(yīng)用最為廣泛。4．滾塑成型滾塑又稱旋轉(zhuǎn)模塑，是一種用于制造各種尺寸和形狀的中空無縫產(chǎn)品的加工方法。5．熱成型熱成型是熱塑性材料最常用的一種加工方法，該方法是用于金屬片和部分紙片加工方法的延伸。9.2橡膠橡膠是一種有機(jī)高分子彈性化合物，具有高彈性、耐油、耐腐蝕、耐熱寒、耐老化、耐輻射等特點(diǎn)。汽車橡膠制品主要分布在汽車車身、傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸掛、制動(dòng)和電氣儀表等系統(tǒng)內(nèi)。一輛轎車的橡膠件約占轎車整體質(zhì)量的4%～5%。輪胎是汽車的主要橡膠件，此外還有各種橡膠軟管、密封件、傳動(dòng)帶、減振墊等約300件，圖9-3所示為橡膠密封條在汽車上的應(yīng)用。8圖9-3汽車上的密封條橡膠是以生膠為主要原料，加入適量配合劑而制成的高分子材料。生膠是指未加配合劑的天然膠或合成膠，它也是將配合劑和骨架材料粘成一體而形成的。配合劑是指為改善和提高橡膠制品性能而加入的物質(zhì)，如硫化劑、活性劑、軟化劑、填充劑、防老劑、著色劑等。9.2.1橡膠概述橡膠按原材料來源可分為天然橡膠和合成橡膠，其中天然橡膠的消耗量占1/3，合成橡膠的消耗量占2/3。合成橡膠主要有七大品種：丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、異戊橡膠、丁基橡膠、乙丙橡膠和丁腈橡膠。習(xí)慣上按用途將合成橡膠分成兩類：通用橡膠和特種橡膠。91．橡膠的分類2．橡膠制品的組成在機(jī)械和汽車工業(yè)中，橡膠是常用的輪胎材料、密封材料、減振防振材料（汽車底盤橡膠彈簧）和傳動(dòng)材料（V帶）。9.2.1橡膠概述橡膠具有彈性大的特點(diǎn)，最高伸長率可達(dá)800%～1000%，且外力去除后能迅速恢復(fù)原狀；同時(shí)具有吸振能力強(qiáng)，耐磨性、隔聲性、絕緣性好，可積儲(chǔ)能量，有—定耐蝕性和足夠強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。橡膠的主要缺點(diǎn)是易于老化，老化后橡膠會(huì)喪失彈性、變硬、變脆、發(fā)黏甚至龜裂。使用或存放周期過長，光照、高溫等因素均會(huì)加快橡膠老化。103．橡膠的特性4．橡膠的主要用途9.2.2汽車常用橡膠汽車輪胎是汽車上橡膠用量最大的零件。汽車輪胎（參見圖9-4）使用的主要材料為生膠（包括天然橡膠、合成橡膠）、骨架材料、纖維材料（包括棉纖維、人造絲、尼龍、玻璃纖維、鋼絲等）以及炭黑等。111．汽車輪胎圖9-4汽車輪胎及其結(jié)構(gòu)組成輪胎的外胎普遍使用天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠等。內(nèi)胎一般用氣密性好的材料來制造，如丁基橡膠。2．其他車用橡膠零件12汽車零部件（除輪胎外）常用的橡膠材料有天然橡膠、氯丁橡膠（CR）、丁基橡膠（HR）、丁腈橡膠（NBR）、乙烯/醋酸乙烯橡膠（EVM）、三元乙丙橡膠（EPDM）、硅橡膠（Q）等，它們主要用于生產(chǎn)傳動(dòng)帶、水管、橡膠彈簧、油封件、密封條、密封圈、皮碗、防塵罩、襯墊、氣門蓋密封件等零件（參見圖9-5），可滿足汽車上的苛刻條件和環(huán)保要求。圖9-5汽車橡膠零部件9.3陶瓷材料13陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用?！疤沾伞笔且环N通稱，現(xiàn)代陶瓷的概念是指各種無機(jī)非金屬材料的總稱，通常分為陶瓷和玻璃兩大類。陶瓷材料在汽車上有諸多應(yīng)用，例如，法國跑車制造商布加迪與其德國公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的布加迪威龍白金版跑車是世界上第一輛以瓷器為車內(nèi)外設(shè)計(jì)材料的汽車，如圖9-6所示。圖9-6陶瓷汽車9.3.1陶瓷陶瓷是以天然礦物或人工合成的各種化合物為基本原料，經(jīng)粉碎、成型和高溫?zé)Y(jié)等工序制成的一種無機(jī)非金屬固體材料。141．陶瓷的分類（1）普通陶瓷普通陶瓷主要以天然酸鹽礦物質(zhì)（黏土、長石、石英等）為原料，經(jīng)原料粉碎、成型、燒制而成。按用途不同，陶瓷可分為日用陶瓷、建筑陶瓷、緣陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、電器陶瓷、化工陶瓷和多孔陶瓷等。（2）特種陶瓷特種陶瓷又稱精細(xì)陶瓷，按其應(yīng)用功能不同，大體可分為高強(qiáng)度、耐高溫和復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷及電工電子功能陶瓷兩大類，主要有高鋁氧質(zhì)瓷、鎂石質(zhì)瓷、鈦鎂石質(zhì)瓷、鋯英石質(zhì)瓷、鋰質(zhì)瓷、磁性瓷、金屬陶瓷等。2．陶瓷材料的性能15（1）力學(xué)性能陶瓷最突出的性能特點(diǎn)是高硬度、高耐磨性，這些性能都大大高于金屬材料；抗壓強(qiáng)度較高，彈性模量高，是金屬的幾倍；但其沖擊韌性低，抗拉強(qiáng)度低。（2）物理性能陶瓷的熔點(diǎn)很高，一般在2000℃左右，其高溫抗蠕變能力強(qiáng)，1000℃以上時(shí)也不會(huì)被氧化，故可用作耐高溫材料。它的導(dǎo)熱系數(shù)和膨脹系數(shù)都小于金屬材料，因此也是常用的常溫絕熱材料。（3）電性能大多數(shù)陶瓷都是良好的電絕緣材料，可直接作為傳統(tǒng)的絕緣材料使用。陶瓷在低溫下具有很高的電阻率，用來大量制造瓷質(zhì)絕緣器件；而在高溫、高電壓工作條件下，陶瓷是唯一的絕緣材料。（4）化學(xué)性能陶瓷在室溫和高溫都不會(huì)氧化，具有極好的抗氧化性和耐腐蝕性（耐酸、堿和鹽），且無老化現(xiàn)象，是一種化學(xué)穩(wěn)定性很高的材料。3．陶瓷在汽車上的應(yīng)用16以氮化硅、氧化鋁和二氧化鋯為主要成分的陶瓷材料，用于制造挺桿、氣門、軸承和搖臂等汽車零件，能充分發(fā)揮其強(qiáng)度高、耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性等優(yōu)良特性。近年來，在航天技術(shù)中廣泛應(yīng)用的陶瓷薄膜噴涂技術(shù)開始應(yīng)用于汽車上。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是隔熱效果好、能承受高溫和高壓、工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定。為達(dá)到降低散熱的目標(biāo)，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件進(jìn)行陶瓷噴涂。（a）陶瓷活塞及活塞環(huán)（b）陶瓷軸承（c）陶瓷剎車圖9-7陶瓷在汽車零件上的應(yīng)用圖9-8陶瓷傳感器9.3.2玻璃17玻璃是一種透明的半固態(tài)、半液態(tài)物質(zhì)，在熔融時(shí)形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，冷卻過程中黏度逐漸增大并硬化成不結(jié)晶的硅酸鹽類非金屬材料。玻璃可分為普通玻璃和特種玻璃。1．玻璃的性能（1）力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能隨種類不同差異很大，但其共性為硬度高（僅次于陶瓷）、抗壓強(qiáng)度高、抗拉彎強(qiáng)度低，塑性、韌性差，脆性大。（2）化學(xué)穩(wěn)定性玻璃具有良好的抗氧化性和耐蝕性。（3）光學(xué)性質(zhì)玻璃具有良好的透光性和折光性。（4）絕緣性固態(tài)玻璃具有良好的絕緣性能。2．汽車玻璃的應(yīng)用18汽車玻璃是汽車車身中必不可少的附件，主要起到防護(hù)作用。汽車玻璃主要分為鋼化玻璃、區(qū)域鋼化玻璃和夾層玻璃等，如圖9-9所示，需要能夠承受較強(qiáng)的沖擊力。汽車玻璃按所在的位置可分為前擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗玻璃、后擋風(fēng)玻璃和天窗玻璃四種，如圖9-10所示。（a）鋼化玻璃

（b）局部鋼化玻璃

（c）夾層玻璃圖9-9汽車玻璃的種類1—前擋風(fēng)玻璃；2—后擋風(fēng)玻璃；3—后側(cè)窗玻璃；4—后角窗玻璃；5—后門窗玻璃；6—前門窗玻璃；7—前角窗玻璃9.4復(fù)合材料199.4.1復(fù)合材料概述復(fù)合材料由基體材料和增強(qiáng)材料組成，其中，基體材料主要起黏結(jié)和固定作用；增強(qiáng)材料起承受載荷的作用。常用的增強(qiáng)材料有玻璃纖維和碳纖維，如圖9-11所示。1．復(fù)合材料的組成圖9-11玻璃纖維布和碳纖維布2．復(fù)合材料的分類20復(fù)合材料按其組成可分為金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與非金屬復(fù)合材料；按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等）、夾層復(fù)合材料（實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種）、細(xì)粒復(fù)合材料（彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷）、混雜復(fù)合材料等。3．復(fù)合材料的特點(diǎn)21①比強(qiáng)度與比模量高。比強(qiáng)度越高，零件自重越小；比模量越高，零件的剛性越大。②抗疲勞性好。大多數(shù)金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的30%～50%，而復(fù)合材料則可達(dá)到60%～80%。③化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良。若用耐堿纖維與塑料復(fù)合，還能在強(qiáng)堿介質(zhì)中使用。④耐高溫?zé)g性好。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，除玻璃纖維軟化點(diǎn)較低（700～900℃）外，其他纖維的熔點(diǎn)（或軟化點(diǎn)）一般都在2000℃以上。若用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)后，400℃時(shí)強(qiáng)度和模量基本可保持室溫下水平。⑤工藝性與可設(shè)計(jì)性好。調(diào)整增強(qiáng)材料的形狀、排布及含量，可滿足不同構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度等性能要求，且材料與構(gòu)件可一次成型，減少了零部件、緊固件和接頭數(shù)目，材料利用率大大提高。9.4.2復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)