《汽车机械基础》第9章.pptx

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1、第第 9 9 章章 非金属材料非金属材料9.1 工程塑料工程塑料塑料是一种高分子材塑料是一种高分子材料，其在汽料，其在汽车中的中的应用用发展很快，从机械、展很快，从机械、热应力力较小的内小的内饰件件和小机件，和小机件，发展到大展到大型型结构件，如构件，如车身、身、车架架悬挂挂弹簧等。簧等。20世世纪80年代以来，塑年代以来，塑料已逐步料已逐步进入入发动机机内部，用于制造内部，用于制造连杆、杆、活塞活塞销、进气气门等配等配件。件。9.1.1 塑料的组成和特点塑料的组成和特点塑料中的主要成分是合成塑料中的主要成分是合成树脂，并加入一些改善使用性能脂，并加入一些改善使用性能和工和工艺性能的添加性能的

2、添加剂。塑料的主要特性。塑料的主要特性为：质量量轻。比比强度高。度高。化学化学稳定性好。定性好。优异的异的电绝缘性。性。减摩、耐磨性好。减摩、耐磨性好。消声吸振性好，成型加工性好，且方法消声吸振性好，成型加工性好，且方法简单。耐耐热性差。性差。9.1.2 汽车常用工程塑料汽车常用工程塑料与通用塑料相比，工程塑料具有与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、良的机械性能、电性能、耐化性能、耐化学性、耐学性、耐热性、耐磨性、尺寸性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比金属材料定性等特点，且比金属材料轻、成型成型时能耗少。能耗少。20世世纪70年代起，以年代起，以软质聚聚氯乙乙烯、聚氨、聚氨酯为主主的泡

3、沫的泡沫类、衬垫类等塑料在汽等塑料在汽车工工业中被广泛采用。中被广泛采用。常用工程塑料包括常用工程塑料包括热塑性工程塑料（聚乙塑性工程塑料（聚乙烯PE、聚丙、聚丙烯塑料塑料PP、聚聚氯乙乙烯塑料塑料PVC、ABS树脂、聚脂、聚酰胺胺PA、聚甲、聚甲醛POM、聚碳酸、聚碳酸酯PC等）和等）和热固性工程塑料（酚固性工程塑料（酚醛树脂脂PF、氨基、氨基树脂脂UF、环氧氧树脂脂EP等）。目前有六大等）。目前有六大类塑料：塑料：PP、PUR（聚氨（聚氨酯）、）、PVC、ABS、PA和和PE在汽在汽车上得到了广泛上得到了广泛应用。用。9.1.2 汽车常用工程塑料汽车常用工程塑料9.1.2 汽车常用工程塑料

4、汽车常用工程塑料9.1.3 工程塑料成型技术概述工程塑料成型技术概述注射成型加工方法注射成型加工方法简称注塑，即在加称注塑，即在加压下，将物料由加下，将物料由加热料筒料筒经过主流道、分流道、主流道、分流道、浇口，注入口，注入闭合模具型腔的模塑方法。合模具型腔的模塑方法。1注塑成型注塑成型挤出成型是塑料加工工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，采中最早的成型方法之一，是塑料成型加工的主要方法，采用用挤出，可以加工出，可以加工绝大多数大多数热塑性塑料和少数塑性塑料和少数热固性塑料。固性塑料。2挤出成型出成型吹塑是用吹塑是用压缩空气使空气使进入型腔的型坯膨入型腔的型坯

5、膨胀形成中空制品的方法。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，目前以等是都理想的吹塑材料，目前以PE，PET的的应用最用最为广泛。广泛。3吹塑成型吹塑成型滚塑又称旋塑又称旋转模塑，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。品的加工方法。4滚塑成型塑成型热成型是成型是热塑性材料最常用的一种加工方法，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方法是用于金属片和部分纸片加工方法的延伸。片加工方法的延伸。5热成型成型9.2 橡胶橡胶橡胶是一种有机高分子橡胶是一种有机高分子弹性化合物，具有高性化合

6、物，具有高弹性、耐油、耐腐性、耐油、耐腐蚀、耐、耐热寒、耐老化、耐寒、耐老化、耐辐射等特点。汽射等特点。汽车橡胶制品主要分布在汽橡胶制品主要分布在汽车车身、身、传动、转向、向、悬挂、制挂、制动和和电气气仪表等系表等系统内。一内。一辆轿车的橡胶件的橡胶件约占占轿车整体整体质量的量的4%5%。轮胎是汽胎是汽车的主要橡胶件，此外的主要橡胶件，此外还有各有各种橡胶种橡胶软管、密封件、管、密封件、传动带、减振、减振垫等等约300件，件，图9-3所示所示为橡胶橡胶密封条在汽密封条在汽车上的上的应用。用。橡胶是以生胶橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合主要原料，加入适量配合剂而制成的高分子材料。生而制成的高

7、分子材料。生胶是指未加配合胶是指未加配合剂的天然胶或合成胶，它也是将配合的天然胶或合成胶，它也是将配合剂和骨架材料粘和骨架材料粘成一体而形成的。成一体而形成的。配合配合剂是指是指为改善和提高橡胶制品性能而加入的物改善和提高橡胶制品性能而加入的物质，如硫化，如硫化剂、活、活性性剂、软化化剂、填充、填充剂、防老、防老剂、着色、着色剂等。等。9.2.1 橡胶概述橡胶概述橡胶按原材料来源可分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天然橡胶和合成橡胶，其中天然橡胶的消耗量占量占1/3，合成橡胶的消耗量占，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、合成橡胶主要有七大品

8、种：丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁橡胶、氯丁橡胶、异戊橡丁橡胶、异戊橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶和丁胶、丁基橡胶、乙丙橡胶和丁腈橡胶。橡胶。习惯上按用途将合成橡胶分成上按用途将合成橡胶分成两两类：通用橡胶和特种橡胶。：通用橡胶和特种橡胶。1橡胶的分橡胶的分类2橡胶制品的橡胶制品的组成成在机械和汽在机械和汽车工工业中，橡胶是常用的中，橡胶是常用的轮胎材料、密封材料、减振防振胎材料、密封材料、减振防振材料（汽材料（汽车底底盘橡胶橡胶弹簧）和簧）和传动材料（材料（V带）。）。9.2.1 橡胶概述橡胶概述橡胶具有橡胶具有弹性大的特点，最高伸性大的特点，最高伸长率可达率可达800%1 000%，且外力去，且外力去除

9、后能迅速恢复原状；同除后能迅速恢复原状；同时具有吸振能力具有吸振能力强，耐磨性、隔声性、，耐磨性、隔声性、绝缘性好，可性好，可积储能量，有能量，有定耐定耐蚀性和足性和足够强度等度等优点。点。橡胶的主要缺点是易于老化，老化后橡胶会橡胶的主要缺点是易于老化，老化后橡胶会丧失失弹性、性、变硬、硬、变脆、脆、发黏甚至黏甚至龟裂。使用或存放周期裂。使用或存放周期过长，光照、高温等因素均会加快橡，光照、高温等因素均会加快橡胶老化。胶老化。3橡胶的特性橡胶的特性4橡胶的主要用途橡胶的主要用途9.2.2 汽车常用橡胶汽车常用橡胶汽汽车轮胎是汽胎是汽车上橡胶用量最大的零件。汽上橡胶用量最大的零件。汽车轮胎（参胎

10、（参见图9-4）使用的）使用的主要材料主要材料为生胶（包括天然橡胶、合成橡胶）、骨架材料、生胶（包括天然橡胶、合成橡胶）、骨架材料、纤维材料材料（包括棉（包括棉纤维、人造、人造丝、尼、尼龙、玻璃、玻璃纤维、钢丝等）以及炭黑等。等）以及炭黑等。1汽汽车轮胎胎轮胎的外胎普遍使用天然橡胶、丁苯橡胶、胎的外胎普遍使用天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶等。内胎一般用气丁橡胶等。内胎一般用气密性好的材料来制造，如丁基橡胶。密性好的材料来制造，如丁基橡胶。2其他车用橡胶零件其他车用橡胶零件汽汽车零部件（除零部件（除轮胎外）常用的橡胶材料有天然橡胶、胎外）常用的橡胶材料有天然橡胶、氯丁橡胶（丁橡胶（CR）、）、丁基

11、橡胶（丁基橡胶（HR）、丁）、丁腈橡胶（橡胶（NBR）、乙）、乙烯/醋酸乙醋酸乙烯橡胶（橡胶（EVM）、）、三元乙丙橡胶（三元乙丙橡胶（EPDM）、硅橡胶（）、硅橡胶（Q）等，它）等，它们主要用于生主要用于生产传动带、水管、橡胶水管、橡胶弹簧、油封件、密封条、密封圈、皮碗、防簧、油封件、密封条、密封圈、皮碗、防尘罩、罩、衬垫、气、气门盖密封件等零件（参盖密封件等零件（参见图9-5），可），可满足汽足汽车上的苛刻条件和上的苛刻条件和环保要求。保要求。9.3 陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料作陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生生产中起着中起着举足足轻重的作

12、用。重的作用。“陶瓷陶瓷”是一种通称，是一种通称，现代陶瓷的概念是指各种无机非金属代陶瓷的概念是指各种无机非金属材料的材料的总称，通常分称，通常分为陶瓷和玻璃两大陶瓷和玻璃两大类。陶瓷材料在汽。陶瓷材料在汽车上有上有诸多多应用，例如，法国跑用，例如，法国跑车制造商布加迪与其德国公司制造商布加迪与其德国公司联合合设计的布加迪威的布加迪威龙白金版跑白金版跑车是世界上第一是世界上第一辆以瓷器以瓷器为车内外内外设计材料的汽材料的汽车，如，如图9-6所所示。示。图9-6 陶瓷汽车9.3.1 陶瓷陶瓷陶瓷是以天然陶瓷是以天然矿物或人工合成的各种化合物物或人工合成的各种化合物为基本原料，基本原料，经粉碎、成

13、型粉碎、成型和高温和高温烧结等工序制成的一种无机非金属固体材料。等工序制成的一种无机非金属固体材料。1陶瓷的分陶瓷的分类普通陶瓷主要以天然酸普通陶瓷主要以天然酸盐矿物物质（黏土、（黏土、长石、石英等）石、石英等）为原料，原料，经原料粉碎、成型、原料粉碎、成型、烧制而成。按用途不同，陶瓷可分制而成。按用途不同，陶瓷可分为日用陶瓷、建日用陶瓷、建筑陶瓷、筑陶瓷、缘陶瓷、陶瓷、卫生陶瓷、生陶瓷、电器陶瓷、化工陶瓷和多孔陶瓷等。器陶瓷、化工陶瓷和多孔陶瓷等。（1）普通陶瓷）普通陶瓷特种陶瓷又称精特种陶瓷又称精细陶瓷，按其陶瓷，按其应用功能不同，大体可分用功能不同，大体可分为高高强度、耐度、耐高温和复合

14、高温和复合结构陶瓷及构陶瓷及电工工电子功能陶瓷两大子功能陶瓷两大类，主要有高，主要有高铝氧氧质瓷、瓷、镁石石质瓷、瓷、钛镁石石质瓷、瓷、锆英石英石质瓷、瓷、锂质瓷、磁性瓷、金属陶瓷等。瓷、磁性瓷、金属陶瓷等。（2）特种陶瓷）特种陶瓷2陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能陶瓷最突出的性能特点是高硬度、高耐磨性，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；抗些性能都大大高于金属材料；抗压强度度较高，高，弹性模量高，是金属的几倍；但其冲性模量高，是金属的几倍；但其冲击韧性低，抗拉性低，抗拉强度低。度低。（1）力学性能）力学性能陶瓷的熔点很高，一般在陶瓷的熔点很高，一般在2 000 左

15、右，其高温抗蠕左右，其高温抗蠕变能力能力强，1 000 以上以上时也不也不会被氧化，故可用作耐高温材料。它的会被氧化，故可用作耐高温材料。它的导热系数和膨系数和膨胀系数都小于金属材料，因此系数都小于金属材料，因此也是常用的常温也是常用的常温绝热材料。材料。（2）物理性能）物理性能大多数陶瓷都是良好的大多数陶瓷都是良好的电绝缘材料，可直接作材料，可直接作为传统的的绝缘材料使用。陶瓷在低温材料使用。陶瓷在低温下具有很高的下具有很高的电阻率，用来大量制造瓷阻率，用来大量制造瓷质绝缘器件；而在高温、高器件；而在高温、高电压工作条件下，工作条件下，陶瓷是唯一的陶瓷是唯一的绝缘材料。材料。（3）电性能性能

16、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、碱性（耐酸、碱和和盐），且无老化），且无老化现象，是一种化学象，是一种化学稳定性很高的材料。定性很高的材料。（4）化学性能）化学性能3陶瓷在汽车上的应用陶瓷在汽车上的应用以氮化硅、氧化以氮化硅、氧化铝和二氧化和二氧化锆为主要成分的陶瓷材料，用于制造挺杆、主要成分的陶瓷材料，用于制造挺杆、气气门、轴承和承和摇臂等汽臂等汽车零件，能充分零件，能充分发挥其其强度高、耐度高、耐热性、耐磨性、性、耐磨性、耐腐耐腐蚀性等性等优良特性。良特性。近年来，在航天技近年来，在航天技术中广泛中广泛应用

17、的陶瓷薄膜用的陶瓷薄膜喷涂技涂技术开始开始应用于汽用于汽车上。上。这种技种技术的的优点是隔点是隔热效果好、能承受高温和高效果好、能承受高温和高压、工、工艺成熟、成熟、质量量稳定。定。为达到降低散达到降低散热的目的目标，可，可对发动机燃机燃烧室部件室部件进行陶瓷行陶瓷喷涂。涂。（a）陶瓷活塞及活塞环）陶瓷活塞及活塞环 （b）陶瓷轴承）陶瓷轴承 （c）陶瓷刹车陶瓷刹车9.3.2 玻璃玻璃玻璃是一种透明的半固玻璃是一种透明的半固态、半液、半液态物物质，在熔融，在熔融时形成形成连续网网络结构，构，冷却冷却过程中黏度逐程中黏度逐渐增大并硬化成不增大并硬化成不结晶的硅酸晶的硅酸盐类非金属材料。玻璃非金属材

18、料。玻璃可分可分为普通玻璃和特种玻璃。普通玻璃和特种玻璃。1玻璃的性能玻璃的性能（1）力学性能）力学性能玻璃的力学性能随种玻璃的力学性能随种类不同差异很大，但其共性不同差异很大，但其共性为硬度高（硬度高（仅次于陶瓷）、抗次于陶瓷）、抗压强度高、抗拉弯度高、抗拉弯强度低，塑性、度低，塑性、韧性差，脆性大。性差，脆性大。（2）化学）化学稳定性定性玻璃具有良好的抗氧化性和耐玻璃具有良好的抗氧化性和耐蚀性。性。（3）光学性）光学性质玻璃具有良好的透光性和折光性。玻璃具有良好的透光性和折光性。（4）绝缘性性固固态玻璃具有良好的玻璃具有良好的绝缘性能。性能。2汽车玻璃的应用汽车玻璃的应用汽汽车玻璃是汽玻璃

19、是汽车车身中必不可少的附件，主要起到防身中必不可少的附件，主要起到防护作用。汽作用。汽车玻璃玻璃主要分主要分为钢化玻璃、区域化玻璃、区域钢化玻璃和化玻璃和夹层玻璃等，如玻璃等，如图9-9所示，需要能所示，需要能够承受承受较强的冲的冲击力。汽力。汽车玻璃按所在的位置可分玻璃按所在的位置可分为前前挡风玻璃、玻璃、侧窗窗玻璃、后玻璃、后挡风玻璃和天窗玻璃四种，如玻璃和天窗玻璃四种，如图9-10所示。所示。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 复合材料复合材料复合材料由基体材料和增复合材料由基体材料和增强材料材料组成，其中，基体材料主要

20、起黏成，其中，基体材料主要起黏结和固定作用；增和固定作用；增强材料起承受材料起承受载荷的作用。常用的增荷的作用。常用的增强材料有材料有玻璃玻璃纤维和碳和碳纤维，如，如图9-11所示。所示。1复合材料的复合材料的组成成2复合材料的分类复合材料的分类复合材料按其复合材料按其组成可分成可分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、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；按其非金属与非金属复合材料；按其结构特点又可分构特点又可分为纤维增增强复合材料复合材料（纤维增增强塑料、塑料、纤维增增强金属等）、金属等）、夹层复合材料（复合材料（实心心夹层和蜂和蜂窝夹层两种）、两种）、细

21、粒复合材料（弥散粒复合材料（弥散强化合金、金属陶瓷）、混化合金、金属陶瓷）、混杂复合材复合材料等。料等。3复合材料的特点复合材料的特点 比比强度与比模量高。比度与比模量高。比强度越高，零件自重越小；比模量越高，零度越高，零件自重越小；比模量越高，零件的件的刚性越大。性越大。抗疲抗疲劳性好。大多数金属材料的疲性好。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸度极限是其拉伸强度的度的30%50%，而复合材料，而复合材料则可达到可达到60%80%。化学化学稳定性定性优良。若用耐碱良。若用耐碱纤维与塑料复合，与塑料复合，还能在能在强碱介碱介质中使中使用。用。耐高温耐高温烧蚀性好。性好。纤维增增强复合材料中，除

22、玻璃复合材料中，除玻璃纤维软化点化点较低低（700900）外，其他）外，其他纤维的熔点（或的熔点（或软化点）一般都在化点）一般都在2 000 以以上。若用碳上。若用碳纤维或硼或硼纤维增增强后，后，400 时强度和模量基本可保持室温度和模量基本可保持室温下水平。下水平。工工艺性与可性与可设计性好。性好。调整增整增强材料的形状、排布及含量，可材料的形状、排布及含量，可满足足不同构件的不同构件的强度和度和刚度等性能要求，且材料与构件可一次成型，减少了度等性能要求，且材料与构件可一次成型，减少了零部件、零部件、紧固件和接固件和接头数目，材料利用率大大提高。数目，材料利用率大大提高。9.4.2 复合材料

23、在汽车上的应用复合材料在汽车上的应用由于复合材料具有特殊的振由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声，而且抗疲阻尼特性，可减振和降低噪声，而且抗疲劳性能好，性能好，损伤后易修理，便于整体成型，故可用于制造汽后易修理，便于整体成型，故可用于制造汽车车身、受身、受力构件、力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。机架及其内部构件。玻璃玻璃纤维增增强树脂复合材料耐腐脂复合材料耐腐蚀、绝缘性好，特性好，特别是有良好的可塑性，是有良好的可塑性，对模具要求模具要求较低，制造低，制造车身大型覆盖件的模具加工工身大型覆盖件的模具加工工艺比比较简单，生，生产周期短，成本周期短，成本较低。低。碳碳纤维复合材料因其复合材料因其质量小，而且具有高量小，而且具有高强度、高度、高刚性，以及良好的耐性，以及良好的耐蠕蠕变与耐腐与耐腐蚀性，逐性，逐渐成成为汽汽车轻量化材料的新量化材料的新宠。