汽车应用材料第2版 教学课件 作者 李明惠 主编 第四章汽车其它工程材料.ppt

第一节 复合材料 具有重量轻、比强度高、比模量高、抗疲劳性能好、减振性能好、成型工艺简单、可实现复杂零件集成化生产、对环境污染更小等诸多优点，使得许多种类型的复合材料在车身轻量化过程中得到了施展才能的舞台，并在汽车的轻量化进程中大显身手。 一.复合材料的组成及特性 二.复合材料的分类 按照基体材料来分，有聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、石墨基复合材料（碳-碳复合材料）、混凝土基复合材料等； 常见的复合材料分类图 三. 复合材料的特性 1）比重轻、比强度与比模量高 材料的比强度（强度极限/比重）与比模量（弹性模量/比重）是衡量汽车用材料优劣的重要指标。复合材料的这两项指标比其他材料高得多，这表明复合材料具有较高的承载能力。通常，碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度是钢的7倍、比模量是钢的5.6倍。此外，它不仅具有强度高，而且还有重量轻的特点，这对要求减轻自重和高速运转的结构和零件是非常重要的。因此，将复合材料用于动力设备，可大大提高动力设备的效率。 据统计由复合材料制成的汽车与使用钢材制造的汽车质量相比要轻1/3～1/2，这对提高整车动力性能，降低油耗，增加负载非常有益。 例如，可采用金属基复合材料来制作汽车活塞、制动部件和连杆等零件。 3）过载时安全性能好  纤维增强复合材料是由大量单根纤维合成，平均每平方厘米面积上有几千到几万根纤维，超载后即使有少量纤维断裂，载荷也会迅速重新分布，由未断裂的纤维承担，这样可使构件丧失承载能力的过程延长，断裂安全性能较好。 4）减摩、减振性能好 复合材料具有高的比模量，因此也具有高的自振频率，可以有效地防止在工作状态下产生共振及由此引起的早期破坏。同时，一些复合材料的摩擦系数低，具有良好的减摩性。对相同形状和尺寸的梁共同进行振动实验，即轻合金梁与碳纤维复合材料的梁同时起振，前者需要9s才能停止振动；而复合材料的梁只需2.5s就静止了。 5）耐热性能好 由于复合材料增强纤维的熔点均很高，一般都在2000℃以上，而且在高温条件下仍然可保持较高的高温强度，故用它们增强的复合材料具有较高的高温强度和弹性模量，特别是金属基复合材料，更显出其优越性。例如，铝合金材料在400℃时，弹性模量接近于零，强度值也从室温的500MPa 降到30~50MPa，而弹性模量几乎降为零。而碳纤维或硼纤维增强铝合金复合材料，在400℃时强度和弹性模量几乎可保持室温时的水平。通常，聚合物基复合材料的使用温度也在100~200℃之间，耐热性要比相应的塑料有明显的提高。 6） 成型工艺简便灵活，可设计性强 使用复合材料制造汽车改变了传统工艺流程和生产模式，对于形状复杂的构件，根据受力情况采用模具可以一次整体成型，减少了零件、紧固件和接头数目，材料利用率较高。充分发挥技术集成的优势，达到精简零部件数量、减少加工工序、裁减加工设备及生产线、减少中间环节、降低材料消耗、裁减工作人员、提高产品质量、削减投资、降低生产成本、提高效费比的目的。 例如日产“布尔巴特”汽车前端板，用钢板制造时由20多个零件组成，而用纤维增强塑料复合材料，则用7个零件就可以；采用硼纤维增强复合材料，用1000N的原料可获得8000N的零件。  四.汽车常用复合材料 1．高分子基复合材料（FRP） FRP是汽车轻量化的最重要的材料。FRP主要是由三部分组成：①纤维。多为玻璃纤维、碳纤维和陶瓷短纤维等，特别是玻璃纤维在价格、生产和性能等方面有明显的优势。纤维含量在25% ~30%；②树脂。聚丙烯塑料PP、聚乙烯塑料PVC、聚二烯塑料PE、ABS等不饱和聚酯和热塑性树脂；③填充料。常用中空的玻璃微球、陶瓷微球和有机物微球。制作过程中，加入适当的硬化剂和增粘剂，使用先进的成形工艺，便可得到成形流动性好的高分子基复合材料。 高分子基复合材料（FRP）在汽车中的应用 世界各国汽车工业中，美国于1953年就开始在汽车上使用FRP；日本于1955年开始使用。现在FRP在汽车工业中已得到广泛的使用。由于FRP的大量应用，使轿车的平均密度大为降低。例如，日本小型轿车的平均密度由1974年的4.78g/cm3降低到1992年的3.77g/cm3。目前，利用FRP制作的汽车部件有：车身车顶壳体、发动机部件、仪表盘、阻流板、车灯、前隔栅、夹层板、后闸板等。 FRP中典型的应用塑料有： 有玻璃纤维增强塑料 碳纤维增强塑料 玻璃纤维增强塑料：指由玻璃纤维与热固性树脂或热塑性树脂复